Брайан Джозефсон: путь к Нобелевской премии и открытие эффекта Джозефсона.

Введение

Британский лауреат Нобелевской премии по физике

Образование

Джозефсон родился в Кардиффе, Уэльс, в семье еврейских родителей Мими (урождённая Вайсбард, 1911–1998) и Абрахама Джозефсона. Он учился в Кардиффской средней школе. В 1957 году он поступил в Кембридж, где первоначально изучал математику в Тринити-колледже. Завершив вторую часть курса математики за два года и посчитав её несколько бесплодной, он решил перейти к физике. В Кембридже Джозефсон был известен как блестящий, но застенчивый студент. Физик Джон Уолдрам вспоминал, как случайно услышал, как Николас Курти, экзаменатор из Оксфорда, обсуждал результаты экзамена Джозефсона с Дэвидом Шоенбергом, преподавателем физики в Кембридже, и спросил: «Кто этот Джозефсон? Похоже, он разбирает теорию как нож масло». Ещё будучи студентом, он опубликовал статью об эффекте Мёссбауэра, указав на важный вопрос, который другие исследователи упустили из виду. По словам одного выдающегося физика, Джозефсон написал несколько статей, достаточно значимых, чтобы обеспечить ему место в истории физики даже без открытия эффекта Джозефсона. Он окончил университет в 1960 году и стал научным сотрудником в лаборатории Монд при старом здании Кавендиша, где его научным руководителем был Брайан Пиппард. Американский физик Филип Андерсон, также будущий лауреат Нобелевской премии, провёл год в Кембридже в 1961–1962 годах и вспоминал, что присутствие Джозефсона на занятиях было «неприятным опытом для лектора, заверяю вас, потому что всё должно быть безупречно, иначе он вставал и объяснял это мне после занятий». Именно в этот период, будучи аспирантом в 1962 году, он провёл исследования, которые привели к открытию эффекта Джозефсона; Лаборатория Кавендиша установила мемориальную доску на здании Монд, посвящённую этому открытию, в ноябре 2012 года. В 1962 году он был избран членом Тринити-колледжа и получил степень доктора философии в 1964 году за диссертацию под названием «Нелинейная проводимость в сверхпроводниках».

Открытие эффекта Джозефсона

Джозефсону было 22 года, когда он выполнил работу по квантовому туннелированию, за которую получил Нобелевскую премию. Он обнаружил, что сверхток может туннелировать через тонкий барьер, и, по словам физика Эндрю Уитакера, предсказал, что "на переходе между двумя сверхпроводниками будет течь ток, даже если нет падения напряжения; что при наличии падения напряжения ток должен колебаться с частотой, связанной с величиной падения напряжения; и что существует зависимость от любого магнитного поля". Это стало известно как эффект Джозефсона, а переход – как джозефсоновский переход. Его расчеты были опубликованы в журнале Physics Letters (выбранном Пиппардом, поскольку это был новый журнал) в статье под названием "Возможные новые эффекты при сверхпроводящем туннелировании", полученной 8 июня 1962 года и опубликованной 1 июля. Они были экспериментально подтверждены Филиппом Андерсоном и Джоном Роуэллом из лаборатории Белла в Принстоне; результаты были представлены в их статье "Вероятное наблюдение эффекта сверхпроводящего туннелирования Джозефсона", поданной в журнал Physical Review Letters в январе 1963 года. До того, как Андерсон и Роуэлл подтвердили расчеты, американский физик Джон Бардин, который разделил Нобелевскую премию по физике в 1956 году (и вновь получил ее в 1972 году), выразил возражения против работы Джозефсона. Он представил статью в Physical Review Letters 25 июля 1962 года, утверждая, что "не может существовать такого сверхтекучего потока". Это несогласие привело к конфронтации в сентябре того же года в Королевском колледже Мэри в Лондоне на Восьмой Международной конференции по физике низких температур. Когда Бардин (в то время один из самых выдающихся физиков в мире) начал выступление, Джозефсон (все еще студент) встал и прервал его. Ученые обменялись мнениями, по сообщениям, в вежливой и спокойной манере. Уитакер пишет, что открытие эффекта Джозефсона привело к "важным физическим результатам", включая изобретение SQUID (сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств), которые используются в геологии для проведения высокочувствительных измерений, а также в медицине и вычислительной технике. В 1980 году компания IBM использовала работу Джозефсона для создания прототипа компьютера, который был бы в 100 раз быстрее, чем мэйнфрейм IBM 3033.

Josephson was 22 years old when he did the work on quantum tunnelling that won him the Nobel Prize. He discovered that a supercurrent could tunnel through a thin barrier, predicting, according to physicist Andrew Whitaker, that "at a junction of two superconductors, a current will flow even if there is no drop in voltage; that when there is a voltage drop, the current should oscillate at a frequency related to the drop in voltage; and that there is a dependence on any magnetic field." This became known as the Josephson effect and the junction as a Josephson junction. His calculations were published in Physics Letters (chosen by Pippard because it was a new journal) in a paper entitled "Possible new effects in superconductive tunnelling," received on 8 June 1962 and published on 1 July. They were confirmed experimentally by Philip Anderson and John Rowell of Bell Labs in Princeton; this appeared in their paper, "Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect," submitted to Physical Review Letters in January 1963. Before Anderson and Rowell confirmed the calculations, the American physicist John Bardeen, who had shared the 1956 Nobel Prize in Physics (and who shared it again in 1972), objected to Josephson's work. He submitted an article to Physical Review Letters on 25 July 1962, arguing that "there can be no such superfluid flow." The disagreement led to a confrontation in September that year at Queen Mary College, London, at the Eighth International Conference on Low Temperature Physics. When Bardeen (then one of the most eminent physicists in the world) began speaking, Josephson (still a student) stood up and interrupted him. The men exchanged views, reportedly in a civil and soft spoken manner. See also:
Whitaker writes that the discovery of the Josephson effect led to "much important physics," including the invention of SQUIDs (superconducting quantum interference devices), which are used in geology to make highly sensitive measurements, as well as in medicine and computing. IBM used Josephson's work in 1980 to build a prototype of a computer that would be up to 100 times faster than the IBM 3033 mainframe.

Нобелевская премия

Джозефсон был удостоен нескольких престижных наград за свое открытие, включая премию Research Corporation Award за выдающийся вклад в науку в 1969 году, а также медаль Хьюза и премию Холвека в 1972 году. В 1973 году он получил Нобелевскую премию по физике, разделив награду в размере 122 000 долларов с двумя другими учеными, которые также занимались исследованием квантового туннелирования. Джозефсону была присуждена половина премии "за его теоретические предсказания свойств сверхтока через туннельный барьер, в особенности тех явлений, которые общеизвестны как эффекты Джозефсона". Другая половина награды была разделена поровну между японским физиком Лео Эсаки из Исследовательского центра Томаса Уотсона в Йорктауне, штат Нью-Йорк, и норвежско-американским физиком Иваром Джиавером из General Electric в Шенектади, штат Нью-Йорк.

Содержание позиций

Джозефсон провёл постдокторантский год в Соединенных Штатах (1965–1966 гг.) в качестве профессора-исследователя в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн. После возвращения в Кембридж он был назначен помощником директора по исследованиям в лаборатории Кавендиша в 1967 году, где оставался членом группы теории конденсированного состояния, являющейся группой теоретической физики, на протяжении всей своей карьеры. В 1970 году он был избран членом Королевского общества (FRS), и в том же году получил стипендию Национального научного фонда в Корнеллском университете, где провёл один год. В 1972 году он стал лектором по физике в Кембридже, а в 1974 году – полноправным профессором, на этой должности он оставался до выхода на пенсию в 2007 году. Джозефсон, практикующий Трансцендентальную Медитацию (ТМ) с начала 1970-х годов, в 1975 году стал приглашенным преподавателем в Европейском исследовательском университете Махариши в Нидерландах, являющемся частью движения ТМ. Он также занимал должности приглашенного профессора в Университете Уэйнского штата в 1983 году, в Индийском институте науки в Бангалоре в 1984 году и в Университете Миссури – Ролла в 1987 году.

Ранний интерес и трансцендентальная медитация

Джозефсон заинтересовался философией разума в конце 1960-х годов и, в частности, проблемой соотношения сознания и материи, и является одним из немногих ученых, утверждающих, что парапсихологические явления (телепатия, психокинез и другие аномальные феномены) могут быть реальными. В 1971 году он начал практиковать Трансцендентальную Медитацию (ТМ), которую приняли несколько известных людей, включая участников группы The Beatles. Получив Нобелевскую премию в 1973 году, он получил возможность работать в менее традиционных областях и стал все больше вовлекаться – в том числе во время научных конференций, к раздражению коллег – в обсуждение медитации, телепатии и высших состояний сознания. В 1974 году он вызвал возмущение среди ученых на коллоквиуме молекулярных и клеточных биологов в Версале, предложив им прочитать «Бхагавад-гиту» (V–II века до н.э.) и труды Махариши Махеш Йоги, основателя движения ТМ, а также споря об особых состояниях сознания, достигаемых посредством медитации. «Ничто не обязывает нас, – воскликнул один из ученых, – слушать ваши дикие спекуляции!» Биофизик Анри Атлан писал, что сессия завершилась скандалом. В мае того же года Джозефсон выступил на симпозиуме, посвященном встрече с Махариши в Кембридже. В следующем месяце на первой канадской конференции по психокинезу он был одним из 21 ученого, который проверял заявления Мэтью Мэннинга, подростка из Кембриджшира, утверждавшего, что обладает психокинетическими способностями; по сообщениям, Джозефсон заявил репортеру, что считает способности Мэннинга новым видом энергии. Позже он отказался от этого заявления или внес в него поправки. Джозефсон отметил, что традиционный интерес Троицкого колледжа к паранормальным явлениям не позволял ему сразу отвергать эти идеи. Несколько президентов Общества психических исследований были членами Троицкого колледжа, а Фонд Перротта Уоррика, учрежденный в Троицком колледже в 1937 году для финансирования исследований в области парапсихологии, до сих пор управляется колледжем. Он продолжал исследовать идею о наличии разума в природе, особенно после прочтения книги Фрицёфа Капры «Тао физики» (1975), и в 1979 году перешел к более продвинутой форме ТМ, известной как программа ТМ Сидхи. По словам Андерсона, движение ТМ выпустило плакат, на котором Джозефсон изображен левитирующим над полом на несколько дюймов. Джозефсон утверждал, что медитация может привести к мистическим и научным озарениям и что благодаря ей он пришел к вере в существование творца.

Josephson became interested in philosophy of mind in the late sixties and, in particular, in the mind–body problem, and is one of the few scientists to argue that parapsychological phenomena (telepathy, psychokinesis and other paranormal themes) may be real. In 1971, he began practising Transcendental Meditation (TM), which had been taken up by several celebrities, including the Beatles. Winning the Nobel Prize in 1973 gave him the freedom to work in less orthodox areas, and he became increasingly involved – including during science conferences, to the irritation of fellow scientists – in talking about meditation, telepathy and higher states of consciousness. In 1974, he angered scientists during a colloquium of molecular and cellular biologists in Versailles by inviting them to read the Bhagavad Gita (5th – 2nd century BCE) and the work of Maharishi Mahesh Yogi, the founder of the TM movement, and by arguing about special states of consciousness achieved through meditation. "Nothing forces us," one scientist shouted at him, "to listen to your wild speculations." Biophysicist Henri Atlan wrote that the session ended in uproar. In May that year, Josephson addressed a symposium held to welcome the Maharishi to Cambridge. The following month, at the first Canadian conference on psychokinesis, he was one of 21 scientists who tested claims by Matthew Manning, a Cambridgeshire teenager who said he had psychokinetic abilities; Josephson apparently told a reporter that he believed Manning's powers were a new kind of energy. He later withdrew or corrected the statement. Josephson said that Trinity College's tradition of interest in the paranormal meant that he did not dismiss these ideas out of hand. Several presidents of the Society for Psychical Research had been fellows of Trinity, and the Perrott Warrick Fund, set up in Trinity in 1937 to fund parapsychology research, is still administered by the college. He continued to explore the idea that there is intelligence in nature, particularly after reading Fritjof Capra's The Tao of Physics (1975), and in 1979 took up a more advanced form of TM, known as the TM Sidhi program. According to Anderson, the TM movement produced a poster showing Josephson levitating several inches above the floor. Josephson argued that meditation could lead to mystical and scientific insights, and that, as a result of it, he had come to believe in a creator.

Избранные произведения

(2012). "Участие биологического наблюдателя и «закон без закона» Уилера" в Plamen L. Simeonov, Leslie S. Smith и Andrée C. Ehresmann (ред.), "Интегральная биоматика", Springer, с. 244–252. (2005). "Предисловие" в Michael A. Thalbourne и Lance Storm (ред.), "Парапсихология в двадцать первом веке", McFarland, с. 1–2. (2003). "Мы думаем, что мыслим ясно, но это лишь потому, что не мыслим ясно" в Patrick Colm Hogan и Lalita Pandit (ред.), "Рабиндранат Тагор: Универсальность и традиция", Fairleigh Dickinson University Press, с. 107–115. (2003). "Теория струн, универсальный разум и паранормальное", arXiv, physics.gen-ph, 2 декабря 2003 г. (2002). "За пределами квантовой теории: реалистическая психобиологическая интерпретация реальности (пересмотренная)", Biosystems, 64(1–3), январь, с. 43–45. (2000). "Положительная предвзятость к паранормальным утверждениям", Physics World, октябрь. (1999). "Что есть истина?", Physics World, февраль. (1997). "Скептики загнанные в угол", Physics World, сентябрь. (1997). "Для чего музыка – язык?" в Paavo Pylkkänen, Pauli Pylkkö и Antti Hautamäki (ред.), "Мозг, разум и физика", IOS Press, с. 262–265. (1996). "Сознательно избегая фактора X", Physics World, декабрь. с Jessica Utts (1996). "Верите ли вы в психические явления? Вероятно ли, что они смогут объяснить сознание?", Times Higher Education, 8 апреля. с Tethys Carpenter (1996). "Что может музыка рассказать нам о природе разума? Платоническая модель" в Stuart R. Hameroff, Alfred W. Kaszniak и Alwyn Scott (ред.), "На пути к науке о сознании", MIT Press, с. 691–694. с Colm Wall и Anthony Clark (1995). "Световой барьер", New Scientist, 29 апреля. (1994). "Неловкое затмение", New Scientist, 17 декабря. (1994). "Серия 'Еретик' BBC", Times Higher Education Supplement, 12 августа. с Beverly A. Rubik (1992). "Вызов исследования сознания", Frontier Perspectives, 3(1), с. 15–19. с Fotini Pallikari Viras (1991). "Биологическое использование квантовой нелокальности", Foundations of Physics, 21(2), с. 197–207 (также доступна здесь). (1990). "История открытия слабосвязанных сверхпроводников" в John Roche (ред.), "Физики смотрят назад: Исследования в истории физики", CRC Press, с. 375. (1988). "Границы универсальности квантовой механики", Foundations of Physics, 18(12), декабрь, с. 1195–1204. с M. Conrad и D. Home (1987). "За пределами квантовой теории: реалистическая психобиологическая интерпретация физической реальности" в Alwyn van der Merwe, Franco Selleri и Gino Tarozzi (ред.), "Микрофизическая реальность и квантовый формализм", Springer, 1987, с. 285 и далее. с D. E. Broadbent (1981). "Восприятияльные эксперименты и теории языка", Philosophical Transactions of the Royal Society, 295(10772), октябрь, с. 375–385. с H. M. Hauser (1981). "Многоступенчатое приобретение интеллектуального поведения", Kybernetes, 10(1). с V. S. Ramachandran (ред.) (1980). "Сознание и физический мир", Pergamon Press. с Richard D. Mattuck, Evan Harris Walker и Olivier Costa de Beauregard (1980). "Парапсихология: Обмен мнениями", New York Review of Books, 27, 26 июня, с. 48–51. (1979). "Предисловие" в Andrija Puharich (ред.), "The Iceland Papers: Select Papers on Experimental and Theoretical Research on the Physics of Consciousness", Essentia Research Associates. (1978). "Теоретический анализ высших состояний сознания и медитации", Current Topics in Cybernetics and Systems, с. 3–4. (1974). "Подход искусственного интеллекта/психологии к изучению мозга и нервной системы", Lecture Notes in Biomathematics, 4, с. 370–375. (1974). "Зависимость магнитного поля от поверхностной реактансности сверхпроводящего олова при 174 МГц", Journal of Physics F: Metal Physics, 4(5), май, с. 751. (1973). "Открытие туннельных сверхтоков", Science, Нобелевская лекция, 12 декабря, с. 157–164. (1969). "Уравнение состояния вблизи критической точки", Journal of Physics C: Solid State Physics, 2(7), июль. с J. Lekner (1969). "Подвижность примеси в жидкости Ферми", Physical Review Letters, 23(3), с. 111–113. (1967). "Неравенство для удельного тепла: II. Применение к критическим явлениям", Proceedings of the Physical Society, 92(2), октябрь. (1967). "Неравенство для удельного тепла: I. Вывод", Proceedings of the Physical Society, 92(2), октябрь. (1966). "Макроскопические уравнения поля для металлов в равновесии", Physical Review, 152, декабрь, с. 211–217. (1966). "Отношение между плотностью сверхтекучести и параметром порядка для сверхтекучего He вблизи Tc", Physics Letters, 21(6), 1 июля, с. 608–609. (1965). "Супертоки через барьеры", Advances in Physics, 14(56), с. 419–451. (1964). "Нелинейная проводимость в сверхпроводниках" (диссертация), University of Cambridge, декабрь. (1964). "Связанные сверхпроводники", Review of Modern Physics, 36(1), с. 216–220. (1962). "Релятивистский сдвиг в эффекте Мёссбауэра и связанных сверхпроводниках", представлено на стипендию Тринити-колледжа. (1962). "Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании", Physics Letters, 1(7), 1 июля, с. 251–253. (1960). "Зависимость от температуры сдвига гамма-лучей, испускаемых твердым телом", Physical Review Letters, 4, 1 апреля.

(2012). "Biological Observer Participation and Wheeler's 'Law without Law'," in Plamen L. Simeonov, Leslie S. Smith and Andrée C. Ehresmann (eds. ), Integral Biomathics, Springer, pp. 244–252. (2005). "Foreword," in Michael A. Thalbourne and Lance Storm (eds. ), Parapsychology in the Twenty First Century, McFarland, pp. 1–2. (2003). "We Think That We Think Clearly, But That's Only Because We Don't Think Clearly," in Patrick Colm Hogan and Lalita Pandit (eds. ), Rabindranath Tagore: Universality and Tradition, Fairleigh Dickinson University Press, pp. 107–115. (2003). "String Theory, Universal Mind, and the Paranormal", arXiv, physics. gen ph, 2 December 2003. (2002). "Beyond quantum theory: A realist psycho biological interpretation of reality’ revisited", Biosystems, 64(1–3), January, pp. 43–45. (2000). "Positive bias to paranormal claims", Physics World, October. (1999). "What is truth?, Physics World, February. (1997). "Skeptics cornered", Physics World, September. (1997). "What is Music a Language For?" in Paavo Pylkkänen, Pauli Pylkkö, and Antti Hautamäki (eds. ), Brain, Mind and Physics, IOS Press, pp. 262–265. (1996). "Consciously avoiding the X factor", Physics World, December. with Jessica Utts (1996). "Do you believe in psychic phenomena? Are they likely to be able to explain consciousness? ", Times Higher Education, 8 April. with Tethys Carpenter (1996). "What can Music tell us about the Nature of the Mind? A Platonic Model," in Stuart R. Hameroff, Alfred W. Kaszniak and Alwyn Scott (eds. ), Toward a Science of Consciousness, MIT Press, pp. 691–694. with Colm Wall and Anthony Clark (1995). "Light Barrier", New Scientist, 29 April. (1994). "Awkward Eclipse", New Scientist, 17 December. (1994). BBC 'Heretic' series", Times Higher Education Supplement, 12 August. with Beverly A. Rubik (1992). "The challenge of consciousness research", Frontier Perspectives, 3(1), pp. 15–19. with Fotini Pallikari Viras (1991). "Biological Utilization of Quantum Nonlocality", Foundations of Physics, 21(2), pp. 197–207 (also available here). (1990). "The History of the Discovery of Weakly Coupled Superconductors," in John Roche (ed. ), Physicists Look Back: Studies in the History of Physics, CRC Press, p. 375. (1988). "Limits to the universality of quantum mechanics", Foundations of Physics, 18(12), December, pp. 1195–1204. with M. Conrad and D. Home (1987). "Beyond Quantum Theory: A Realist Psycho Biological Interpretation of Physical Reality," in Alwyn van der Merwe, Franco Selleri and Gino Tarozzi (eds. ), Microphysical Reality and Quantum Formalism, Springer, 1987, p. 285ff. with D. E. Broadbent (1981). "Perceptual Experiments and Language Theories", Philosophical Transactions of the Royal Society, 295(10772), October, pp. 375–385. with H. M. Hauser (1981). "Multistage Acquisition of Intelligent Behaviour" , Kybernetes, 10(1). with V. S. Ramachandran (eds.) (1980). Consciousness and the Physical World, Pergamon Press. with Richard D. Mattuck, Evan Harris Walker and Olivier Costa de Beauregard (1980). "Parapsychology: An Exchange", New York Review of Books, 27, 26 June, pp. 48–51. (1979). "Foreword," in Andrija Puharich (ed. ), The Iceland Papers: Select Papers on Experimental and Theoretical Research on the Physics of Consciousness, Essentia Research Associates. (1978). "A Theoretical Analysis of Higher States of Consciousness and Meditation", Current Topics in Cybernetics and Systems, pp. 3–4. (1974). "The Artificial Intelligence/Psychology Approach to the Study of the Brain and Nervous System", Lecture Notes in Biomathematics, 4, pp. 370–375. (1974). "Magnetic field dependence of the surface reactance of superconducting tin at 174 MHz", Journal of Physics F: Metal Physics, 4(5), May, p. 751. (1973). "The Discovery of Tunnelling Supercurrents", Science, Nobel lecture, 12 December, pp. 157–164. (1969). "Equation of state near the critical point", Journal of Physics C: Solid State Physics, 2(7), July. with J. Lekner (1969). "Mobility of an Impurity in a Fermi Liquid", Physical Review Letters. 23(3), pp. 111–113. (1967). "Inequality for the specific heat: II. Application to critical phenomena", Proceedings of the Physical Society, 92(2), October. (1967). "Inequality for the specific heat: I. Derivation", Proceedings of the Physical Society, 92(2), October. (1966). "Macroscopic Field Equations for Metals in Equilibrium", Physical Review, 152, December, pp. 211–217. (1966). "Relation between the superfluid density and order parameter for superfluid He near Tc", Physics Letters, 21(6), 1 July, pp. 608–609. (1965). "Supercurrents through Barriers", Advances in Physics, 14(56), pp. 419–451. (1964). Non linear conduction in superconductors, (PhD thesis), University of Cambridge, December. (1964). "Coupled Superconductors", Review of Modern Physics, 36(1), pp. 216–220. (1962). "The Relativistic Shift in the Mössbauer Effect and Coupled Superconductors", submitted for Trinity College fellowship. (1962). "Possible new effects in superconductive tunnelling", Physics Letters, 1(7), 1 July, pp. 251–253. (1960). "Temperature dependent shift of gamma rays emitted by a solid", Physical Review Letters, 4, 1 April.