Этого старого и очень обаятельного человека соседи считали большим чудаком. Джон, например, отказался праздновать 80-летний юбилей. А когда друзья и знакомые все же настояли на этом, он пригласил их на пикник. И весь вечер жарил сосиски, выслушивал комплименты и тихонько посмеивался.
Джон любил своих внуков, которыми его щедро одарили два сына и дочь. Трогательно ухаживал за супругой Джейн. И любил делать маленькие смешные подарки полузнакомым людям. Кто он такой, кем и где работал, соседи не имели ни малейшего понятия. Какой-то преподаватель в отставке. Или инженер. Или еще кто-то. Какая разница? Главное — человек хороший.
Но все были просто огорошены, когда Джон внезапно скончался. Это произошло 30 января 1991 г. Вдруг остановилось сердце. Для 83-летнего человека вполне естественный финал… Так вот, соседи раскрыли рты, когда в бостонский дом пенсионера Джона Бардина приехала целая делегация ученых и высокопоставленных государственных деятелей. Оказалось, старина Джон был… единственным в мире двукратным лауреатом Нобелевской премии по физике (и одним из четырех в мире, кто дважды получал «Нобелевку»), всемирно известным ученым, изобретателем полупроводникового транзистора и создателем теории сверхпроводимости — за что, собственно, и удостоился двух самых престижных премий мира.
Джон Бардин в самом деле был чрезвычайно скромным человеком. Когда после получения второй Нобелевской премии 1972 г. на него навалились журналисты, он вышел из дома, выбрал самого пожилого репортера и, заикаясь от смущения, попросил как-нибудь помочь улизнуть. «Почему?!» — удивился журналист. «Я очень… стесняюсь», — признался Бардин…
Он родился 23 мая 1908 г. в американском городе Мэдисон, штат Висконсин. Его отец, Чарльз Бардин, профессор анатомии и декан медицинской школы при Висконсинском университете, был человеком талантливым и очень уважаемым в научных кругах. Вероятно, он и наградил сына теми генами, которые превратили мальчика в настоящего вундеркинда, а впоследствии — в ученого с мировым именем. Матушка Джона, Элси Бардин, до замужества (будучи еще Элси Хармер) работала преподавателем в школе дизайнеров. У Джона было два брата и сестра. Но после того как в 1920-м матушка внезапно скончалась, Чарльз Бардин женился во второй раз — на Рут Хеймс. И вскоре у Джона появилась еще одна, сводная, сестра.
А потом была школы. Сначала начальная мэдисонская, в которой Джон проучился всего ничего. Мальчик был настолько талантлив, что из третьего класса его перевели сразу в седьмой. Оттуда перешел в университетскую среднюю школу, затем — в центральную среднюю школу Мэдисона. Причина этих перемещений заключалась в том, что мальчик обладал яркими математическими способностями, с которыми преподаватели справлялись с трудом. В 1923 г. Бардин получил аттестат зрелости и поступил в Висконсинский университет на электротехнический факультет, параллельно, в качестве непрофильных дисциплин, изучая математику и физику.
С детства у Джона был физический недостаток — непроизвольно тряслась левая рука. Неприятная штука, с которой он боролся, занимаясь спортом. И очень даже преуспел — в университете Джон был лучшим пловцом и владел бильярдным кием не хуже иного профессионала. Когда он решил вступить в студенческий клуб «Зета-Пси», вступительный взнос он заработал игрой на бильярде.
Бардин проучился в университете на год дольше — пять лет вместо положенных четырех. Зато на старших курсах успел поработать в инженерном отделе компании «Вестерн электрик компани», ставшей затем одной из исследовательских лабораторий компании «Белл». В 1928 г. Бардин получил степень бакалавра электротехники, а годом позже защитил степень магистра. В своей диссертации он исследовал свойства антенн.
В 1930 г. Джон переехал в Питтсбург, где вместе со своим научным руководителем Лео Питерсом разработал систему поиска нефтяных месторождений по магнитным и гравитационным характеристикам местности. В 1933 г. Бардин поступил в аспирантуру Принстона, где под руководством Юджина Вигнера (тоже лауреата «Нобелевки») изучал математику и физику. Его научный интерес вызывали физика твердого тела и квантовая механика. Докторская диссертация, которую Джон защитил в 1936 г., была посвящена исследованию сил притяжения, удерживающих электроны в металлах.
Два года Бардин работал временным научным сотрудником в Гарварде, занимаясь теми же проблемами, которым посвятил докторскую диссертацию. В 1938 г. он женился на Джейн Максвелл, с которой его познакомил старый питтсбургский приятель. С Джейн Бардин прожил всю жизнь, воспитав и поставив на ноги двух сыновей и дочь…
История с изобретением транзистора началась в 1945 г. в «Лабораториях Белла», куда Бардин устроился после четырех лет работы в Военно-морской артиллерийской лаборатории в Вашингтоне (здесь он в качестве гражданского ученого-физика изучал магнитные поля кораблей — для создания системы защиты от мин и торпед). Он вошел в группу по разработке полупроводникового прибора, который должен был выпрямлять и усиливать электрические сигналы. Помимо Бардина, в группу входили инициатор проекта Уильям Шокли и Уолтер Браттейн.
Полупроводниковый эффект и возможные сферы его применения были известны давно. Проблема заключалась в том, что многочисленным изобретателям не удавалось построить работающий транзистор. Патентов было навалом, а практического их воплощения — увы. Шокли планировал использовать электрическое поле, чтобы управлять потоком свободных электронов в одном из участков полупроводника — для модуляции тока, пропускаемого через прибор. Теоретически Шокли мог получить эффект усиления тока, но на практике ничего не получалось — опытные образцы прибора не работали.
Тогда свои «пять копеек» внес Бардин, который много занимался физикой твердого тела. Он предположил, что созданию поля в теле полупроводника препятствует поверхностный слой электронов. Физики принялись копать именно в этом направлении. И выяснили, что на эффект полупроводимости влияет множество факторов — температура, освещение, влажность, наличие металлического напыления и т.д.
В 1947 г. поверхностные свойства полупроводниковых материалов были более-менее изучены. Шокли засел за теоретическое обоснование изобретения, а Бардин с Браттейном засучили рукава и взялись за создание работающей модели первого в мире полупроводникового прибора. В ходе практической реализации общей идеи мысль Шокли о том, чтобы использовать для управления током электрическое поле, была отброшена. Бардин предложил воспользоваться только что придуманной им схемой. В качестве проводников использовались два металлических усика, один из которых был назван эмиттером, второй — коллектором. Усики крепились к цельному куску германия. Третий проводник, прикрепленный к германиевому основанию, назвали базой. Для управления протекающим между эмиттером и коллектором током использовался небольшой ток, проходящий между эмиттером и базой.
16 декабря 1947 г. первый биполярный транзистор (его первоначально назвали полупроводниковым резистором) был опробован в действии. А 23 декабря состоялось официальное представление изобретения. Эта дата — 23 декабря 1947 г. — считается днем изобретения транзистора. Все трое — Шокли, Бардин и Браттейн — были удостоены Нобелевской премии по физике 1956 г. «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта»…
Но это, конечно, еще не конец нашей истории. В 1951 г. Джон Бардин покинул стены лаборатории компании «Белл Лэбз», чтобы принять предложение Иллинойского университета занять сразу две профессорские должности — профессора электротехники и профессора физики.
Его внимание в эти годы было сосредоточено на изучении эффекта сверхпроводимости, открытого в 1911 г. голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом. Суть эффекта заключается в том, что некоторые металлы совершенно теряют сопротивление к электрическому току при температурах, на несколько градусов превышающих абсолютный нуль. При прохождении электрического тока через проводник электроны, слабо связанные со своими атомами, начинают перемещаться в направлении электрического поля. Однако они в то же время совершают хаотические перемещения под воздействием тепла, чем, собственно, и обусловлено сопротивление проводника направленному потоку электронов. Ясно, что, чем меньше температура проводника, тем меньше тепловое перемещение электронов и меньше сопротивление. Теоретически при абсолютном нуле (–273°C) сопротивление должно исчезнуть. И ток должен проходить через проводник без каких бы то ни было потерь.
Абсолютный нуль — величина недостижимая. Но вдруг выяснилось, что некоторые материалы полностью теряют сопротивление при температуре, которая выше абсолютного нуля, то есть в условиях, когда тепловое движение еще присутствует. Объяснить это явление ученым не удавалось.
В 1933 г. немецкий физик Вальтер Мейснер открыл еще одно необычное свойство сверхпроводящих материалов. Оказалось, что при температурах, близких к абсолютному нулю, они теряют не только сопротивление, но и становятся диамагнетиками — не пропускают магнитное поле. Внешне этот эффект проявляется в том, что сверхпроводник всегда будет отталкиваться от магнита, к какому полюсу его ни поднеси. И размещенный над сверхпроводником магнит будет парить на некотором от него расстоянии — на «магнитной подушке».
Пытаясь найти объяснение этому феномену, немецкий физик Фриц Лондон в 1935 г. высказал предположение, что диамагнетизм — фундаментальное свойство сверхпроводников. И что сверхпроводимость — это некий квантовый эффект, который проявляется
во всем теле сверхпроводника. В 1950 г. предположения Лондона нашли под тверждение в открытии группы американских физиков, которые обнаружили, что различные изотопы одного и того же металла становятся сверхпроводящими при различных температурах и что критическая температура обратно пропорциональна атомной массе. В свою очередь, Джон Бардин предположил, что в сверхпроводимости металла участвует взаимодействие между подвижными электронами и колебаниями атомов металла и что в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом.
К разработке общей теории сверхпроводимости Бардин привлек двух своих бывших студентов — доктора физики Леона Купера, который после защиты диссертации остался с учителем, и аспиранта Роберта Шриффера. Следует заметить, что Бардин был великолепным учителем — его первым выпускником (1954 г.) был Ник Холоняк, изобретатель видимого лазера и светодиода. Результатом совместных исследований стала теория сверхпроводимости, названная теорией Бардина-Купера-Шриффера. И вторая Нобелевская премия по физике за 1972 г. (снова одна на троих)…
В 1975 г. Джон Бардин ушел в отставку. Ему было 67 лет. И последующие 16 лет провел вне науки, будучи, впрочем, важным советником в компании Xerox во времена изобретения ксерокса. Чем занимался? Играл в гольф. Устраивал соседям и друзьям пикники. И путешествовал. Бардин с женой объездили полмира обычными туристами. И никто — ни гиды, ни попутчики — никогда не знали, что загорают на солнышке и осматривают великие пирамиды вместе с «дважды гением», великим физиком современности Джоном Бардиным.
© Николай Надеждин, H'n'S
