Леон Купер — ученый, совершивший за свою жизнь два больших открытия. Что самое интересное, сделал он это почти интуитивно, ведь никогда не был полностью погружен ни в одну из этих тем. Как он смог получить Нобелевскую премию за теорию, которую не мог одолеть сам Эйнштейн и покорить с первых дней сложный мир нейронаук, совершив прорыв в понимании того, как работают память и мозг, расскажем в этой статье на bronx1.one.
Детство и юность будущего ученого
Леон Купер родился в Бронксе 28 февраля 1930 года. Родители Леона иммигрировали в США из Белоруссии, которая входила тогда в состав Российской империи. Их фамилия была Купчик, которую они в Америке уже сменили на Купер. Ирвинг Купчик, отец Леона, всегда выступал против большевиков и участвовал в протестах и восстаниях. После 1917 года оставаться в Беларуси всем меньшевикам было слишком опасно, поэтому Ирвинг с женой Анной уехал за границу. Муж пошел работать верстальщиком в типографию, жена занималась детьми и домашними делами.
Когда Леону было всего 7 лет, Анна тяжело заболела и умерла. Ирвинг не мог оправиться от горя, Леона с младшей сестрой Лоррейн унесла на несколько лет приемная семья. Впоследствии Ирвинг женился второй раз и забрал детей к себе.
Леон с раннего возраста проявлял интерес к науке и обожал различные эксперименты. Однажды его увлечение даже чуть не привело к большому пожару. В 12 лет он случайно взорвал маленький шкаф, когда смешивал между собой разные химикаты. К счастью, родители были в то время рядом и устранили последствия химических опытов сына.
Леон учился хорошо и усердно, особенно любил точные науки и практические занятия по химии и физике. Он успешно окончил Высшую научную школу в Бронксе и Колумбийский университет, где получил степень бакалавра по физике в 1951 году и докторскую степень в 1954 году. После учебы Леон Купер начал работу в Институте перспективных исследований.
Легендарное изобретение
Над загадочным явлением сверхпроводимости еще с начала XX года работали многие ученые и исследователи. Вообще, сверхпроводимость была открыта случайно в 1911 году голландским физиком и лауреатом Нобелевской премии Хайке Камерлинг Оннесом. Тогда ученый из Нидерландов проводил эксперименты с ртутью. Во время одного из опытов он охладил ртуть до температуры -452 градуса по Фаренгейту, что примерно на 7 градусов больше абсолютного нуля. Физики были поражены этим открытием, поскольку ток в сверхпроводящем материале теоретически не рассеивается.
Многие выдающиеся физики XX века, такие как Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Ричард Фейнман, пытались объяснить механизмы сверхпроводимости, но безуспешно.
Доктор Купер вместе с двумя коллегами из университета Иллинойса – Джоном Бардином и Дж. Робертом Шриффером сумел разгадать эту загадку. Теория, которую они разработали, известная как «BCS», – создана по их инициалам.
Доктор Бардин в то время был самым опытным из всей тройки. Он уже получил репутацию выдающегося ученого благодаря изобретению транзистора в 1947 году, что явилось важным шагом в развитии компьютерных технологий и электроники. За это он получил Нобелевскую премию в 1956 году. Вдохновленный своими успехами Джон Бардин решил взять еще одну научную вершину и решить загадку сверхпроводимости. Он привлек доктора Шриффера к работе над этим вопросом, а затем обратился к доктору Куперу, который на тот момент работал в Институте передовых исследований в Принстоне и имел хорошую репутацию среди коллег.
Позже Леон Купер вспоминал, что это был его первый контакт с темой сверхпроводимости. Он отметил, что если бы знал о многочисленных попытках других выдающихся ученых разобраться в этой проблеме, возможно, не согласился бы на предложение доктора Бардина. Главным вопросом, который пытались решить ученые, был следующий: «Почему сверхпроводимость наблюдается только при низких температурах и только в определенных металлах?»
Доктор Купер после года неудачных попыток, размышлений и гипотез нашел ответ. Он допустил, что электроны могут притягивать положительные ионы в атомных решетках металлов. Это приводит к появлению дисбаланса зарядов, что делает одну сторону решетки более положительной. В сверхпроводящем состоянии этого достаточно, чтобы привлечь другие электроны, проходящие сквозь металл к решеткам. Каждый электрон взаимодействует с электроном в атоме, формируя связи. Многие такие пары электронов, известные как пары Купера, могут существовать в одном пространстве, что позволяет возникать сверхпроводимости. Но эти связи достаточно слабы. Если температура металла повышается, электроны получают больше кинетической энергии, и эта связь теряется. Поэтому сверхпроводимость может существовать только при низких температурах и в металлах с соответствующей структурой решетки.
Леон Купер написал статью с предварительной теорией и результатами и опубликовал ее в журнале Physical Review в сентябре 1956 года. На ее основе доктор Шриффер разработал математическую формулу в начале 1957 года, как говорится «на коленке», во время поездки в метро.
Вскоре после этого Купер случайно встретил Шриффера в аэропорту Шампейн, куда оба возвращались с конференции. Единственной темой для обсуждения было исследование сверхпроводимости. Обмениваясь своими предположениями и гипотезами, ученые поняли, что совершили настоящий прорыв. Доктор Купер вспоминал в 2010 году в статье «World Scientific Review»: «Мы прыгали от радости, не обращая внимания на взгляды других людей в этом аэропорту в тот холодный зимний вечер».
После многих месяцев уточнений и доработок доктора Бардин, Купер и Шриффер подали свою статью в «Physical Review» в июле 1957 года. В декабре она была опубликована под названием «Теория сверхпроводимости». Последующие эксперименты подтвердили «BCS теорию» и в 1972 ученые получили Нобелевскую премию. Доктор Бардин тогда стал единственным человеком в истории, который получил две Нобелевские премии по физике.
Открытие в области нейронауки
Решив одну из самых сложных задач в физике, Купер обратился к нейронауке. В 1973 году в университете Браун, где в то время работал Купер, был основан междисциплинарный центр нейронауки. Леон Купер был назначен директором. Вместе со своими аспирантами, Эли Биненштоком и Полом Мунро, он создал модель, известную как теория Биненштока-Купера-Мунро (BCM), которая отражала изменения в силе нейронных связей в мозге во время обучения. Его новаторская теоретическая работа в области нейронных сетей поставила Купера в один ряд с другими физиками, такими как Джон Хопфилд и Джеффри Хинтон – лауреатами Нобелевской премии по физике 2024 года, которые разработали алгоритмы, моделирующие процесс обучения в мозге.
Еще в 1949 году канадский психолог Дональд О. Хебб предложил теорию, согласно которой обучение базируется на случайной генерации электрических сигналов между нейронами, что укрепляет их синаптические связи. Его концепция синаптической пластичности, которая предполагала, что клетки, которые работают вместе, соединяются, быстро получила признание. Однако оставались вопросы по механизмам памяти, в частности, почему связи между активными нейронами не насыщаются полностью и не теряют способность хранить информацию.
Лишь в начале 70-х годов ученые осознали, что улучшить сохранение памяти можно, если синапсы можно будет не только укреплять, но и ослаблять через синхронизацию и силу электрических сигналов нейронов. Вместе с аспирантами Купер провел подробный анализ того, как такое ослабление и укрепление могут происходить без насыщения связей. Они выдвинули гипотезу, что когда синапсы приближаются к насыщенным уровням активности, электрические сигналы становятся менее эффективными, и синаптические связи возвращаются к менее насыщенным состояниям. Таким образом, связи колеблются между насыщенными и ненасыщенными, подобно лыжнику, который маневрирует между двумя изгородями, не ударяясь ни об одну.
Теория была опубликована в январе 1982 года в «Journal of Neuroscience». Марк Ф. Беар, профессор неврологии в Массачусетском технологическом институте, назвал ее «фундаментальной» теорией в нейронауках.
Личные и интересные факты из жизни ученого
- В детстве Леон Купер однажды сказал отцу, что хочет стать физиком, поскольку нет другого способа узнать все.
- Доктор Купер, долгое время работавший в университете Брауна, был заметной фигурой в кампусе, где его часто можно было увидеть в спортивном кабриолете Chevrolet Camaro 1968 года.
- Купер много преподавал за границей и проявлял особый интерес к обучению физике студентов-гуманитариев.
- Говорят, что персонаж Шелдон Купер, которого сыграл Джим Парсонс в популярном телевизионном шоу «Теория большого взрыва», был частично назван в честь доктора Купера.
- Леон Купер умер в своем доме в Провиденсе, штат Род-Айленд, 23 октября 2024 года в возрасте 94 лет.
