Леон Купер — вчений, який за своє життя зробив два великих відкриття. Що найцікавіше, зробив він це майже інтуїтивно, адже ніколи не був повністю занурений у жодну з цих тем. Як він зміг отримати Нобелівську премію за теорію, яку не міг здолати сам Ейнштейн та підкорити з перших днів складний світ нейронаук, зробивши прорив у розумінні того, як працюють пам’ять й мозок, розкажемо у цій статті на bronx1.one.
Дитинство та юність майбутнього вченого
Леон Купер народився у Бронксі 28 лютого 1930 року. Батьки Леона іммігрували до США з Білорусі, що входила тоді до складу Російської імперії. Їхнє прізвище було Купчик, яке вони в Америці вже змінили на Купер. Ірвінг Купчик, батько Леона, завжди виступав проти більшовиків та брав участь у протестах й повстаннях. Після 1917 року залишатися в Білорусі всім меншовикам було занадто небезпечно, тому Ірвінг з дружиною Анною поїхав за кордон. Чоловік пішов працювати верстальником у друкарню, дружина займалася дітьми та домашніми справами.
Коли Леону було лише 7 років, Анна важко захворіла та померла. Ірвінг не міг оговтатися від горя, Леона з молодшою сестрою Лоррейн забрала на кілька років прийомна сім’я. Згодом Ірвінг одружився вдруге та забрав дітей до себе.
Леон з раннього віку проявляв інтерес до науки та обожнював різні експерименти. Одного разу його захоплення навіть ледве не призвело до великої пожежі. У 12 років він випадково підірвав маленьку шафу, коли змішував між собою різні хімікати. На щастя, батьки були у той час поруч та вчасно усунули наслідки хімічних дослідів сина.
Вчився Леон добре та старанно, особливо любив точні науки та практичні заняття з хімії та фізики. Він успішно закінчив Вищу наукову школу у Бронксі та Колумбійський університет, де здобув ступінь бакалавра з фізики у 1951 році та докторський ступінь у 1954 році. Після навчання Леон Купер почав працювати в Інституті перспективних досліджень.
Легендарний винахід
Над загадковим явищем надпровідності ще з початку XX року працювало багато вчених та дослідників. Взагалі надпровідність була відкрита випадково у 1911 році голландським фізиком й лауреатом Нобелівської премії Хайке Камерлінг Оннесом. Тоді вчений з Нідерландів проводив експерименти з ртуттю. Під час одного з дослідів він охолодив ртуть до температури -452 градуси за Фаренгейтом, що приблизно на 7 градусів більше абсолютного нуля. Фізики були вражені цим відкриттям, оскільки струм в надпровідному матеріалі теоретично не розсіюється.
Багато видатних фізиків XX століття, таких як Альберт Ейнштейн, Нільс Бор, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паулі та Річард Фейнман, намагалися пояснити механізми надпровідності, але без успіху.
Доктор Купер разом із двома колегами з університету Іллінойсу — Джоном Бардіном та Дж. Робертом Шріффером — зумів розгадати цю загадку. Теорія, яку вони розробили, відома як «BCS» — створена за їхніми ініціалами.
Доктор Бардін на той час був найдосвідченішим з усієї трійки. Він вже здобув репутацію видатного вченого завдяки винаходу транзистора в 1947 році, що стало важливим кроком у розвитку комп’ютерних технологій та електроніки. За це він отримав Нобелівську премію в 1956 році. Джон Бардін, натхненний своїми успіхами, вирішив взяти ще одну наукову вершину та розвʼязати загадку надпровідності. Він залучив доктора Шріффера до роботи над цим питанням, а згодом звернувся до доктора Купера, який на той момент працював в Інституті передових досліджень у Прінстоні та мав хорошу репутацію серед колег.
Пізніше Леон Купер згадував, що це був його перший контакт з темою надпровідності. Він зазначив, що якби знав про численні спроби інших видатних учених розібратися в цій проблемі, можливо, не погодився б на пропозицію доктора Бардіна. Головним питанням, яке намагалися розвʼязати вчені, було наступне: «Чому ж надпровідність спостерігається лише при низьких температурах та тільки у певних металах?»
Доктор Купер після року невдалих спроб, роздумів та гіпотез знайшов відповідь. Він припустив, що електрони можуть притягувати позитивні іони в атомних решітках металів. Це призводить до появи дисбалансу зарядів, що робить одну сторону решітки більш позитивною. У надпровідному стані цього достатньо, щоб залучити інші електрони, які проходять крізь метал до решіток. Кожен електрон взаємодіє з електроном в атомі, формуючи зв’язки. Багато таких пар електронів, відомих як пари Купера, можуть існувати в одному просторі, що дозволяє виникати надпровідності. Але ці зв’язки є досить слабкими. Якщо температура металу підвищується, електрони отримують більше кінетичної енергії, й зв’язок цей втрачається. Тому надпровідність може існувати лише за низьких температур й в металах з відповідною структурою решітки.
Леон Купер написав статтю з попередньою теорією та результатами й опублікував її у журналі «Physical Review» у вересні 1956 року. На її основі доктор Шріффер розробив математичну формулу на початку 1957 року, як то кажуть «на колінці», під час поїздки в метро.
Незабаром після цього Купер випадково зустрів Шріффера в аеропорту Шампейн, куди обидва поверталися з конференції. Єдиною темою для обговорення було дослідження надпровідності. Обмінюючись своїми припущеннями та гіпотезами, вчені зрозуміли, що зробили справжній прорив. Доктор Купер згадував у 2010 році в статті для «World Scientific Review»: «Ми стрибали від радості, не звертаючи уваги на погляди інших людей у цьому аеропорту в той холодний зимовий вечір».
Після багатьох місяців уточнень та допрацювань доктори Бардін, Купер та Шріффер подали свою статтю до «Physical Review» у липні 1957 року. У грудні вона була опублікована під назвою «Теорія надпровідності». Подальші експерименти підтвердили «B.C.S. теорію» й у 1972 вчені здобули Нобелівську премію. Доктор Бардін тоді став єдиною людиною в історії, яка отримала дві Нобелівські премії з фізики.
Відкриття у галузі нейронауки
Розвʼязавши одну з найскладніших задач у фізиці, Купер звернувся до нейронауки. У 1973 році в університеті Браун, де у той час працював Купер, був заснований міждисциплінарний Центр нейронауки. Леона Купера було призначено директором. Разом зі своїми аспірантами, Елі Біненштоком та Полом Мунро, він створив модель, відому як теорія Біненштока–Купера–Мунро (BCM), яка відображає зміни в силі нейронних зв’язків у мозку під час навчання. Його новаторська теоретична робота в галузі нейронних мереж поставила Купера в один ряд з іншими фізиками, такими як Джон Гопфілд та Джеффрі Гінтон — лауреатами Нобелівської премії з фізики 2024 року, які розробили алгоритми, що моделюють процес навчання в мозку.
Ще у 1949 році канадський психолог Дональд О. Хебб запропонував теорію, згідно з якою навчання базується на випадковій генерації електричних сигналів між нейронами, що зміцнює їх синаптичні зв’язки. Його концепція синаптичної пластичності, яка припускала, що клітини, які працюють разом, з’єднуються, швидко здобула визнання. Проте залишалися питання щодо механізмів пам’яті, зокрема, чому зв’язки між активними нейронами не насичуються повністю та не втрачають здатність зберігати інформацію.
Лише на початку 70-х років вчені усвідомили, що поліпшити збереження пам’яті можна, якщо синапси можна буде не лише зміцнювати, але й послаблювати через синхронізацію та силу електричних сигналів нейронів. Разом з аспірантами Купер провів детальний аналіз того, як таке ослаблення та зміцнення можуть відбуватися без насичення зв’язків. Вони висунули гіпотезу, що коли синапси наближаються до насичених рівнів активності, електричні сигнали стають менш ефективними, й синаптичні зв’язки повертаються до менш насичених станів. Таким чином, зв’язки коливаються між насиченими та ненасиченими, подібно до лижника, який ковзає між двома огорожами, не вдаряючись у жодну.
Теорія була опублікована у січні 1982 року в «Journal of Neuroscience». Марк Ф. Беар, професор неврології в Массачусетському технологічному інституті, назвав її «фундаментальною» теорією в нейронауках.
Особисті та цікаві факти з життя вченого
- В дитинстві Леон Купер якось сказав батькові, що хоче стати фізиком, оскільки немає іншого способу дізнатися про все.
- Доктор Купер, який довгий час працював в університеті Брауна, був помітною фігурою в кампусі, де його часто можна було побачити в спортивному кабріолеті Chevrolet Camaro 1968 року.
- Купер багато викладав за кордоном і проявляв особливий інтерес до навчання фізики студентів-гуманітаріїв.
- Кажуть, що персонаж Шелдон Купер, якого зіграв Джим Парсонс у популярному телевізійному шоу «Теорія великого вибуху», був частково названий на честь доктора Купера.
- Леон Купер помер у своєму домі в Провіденсі, штат Род-Айленд, 23 жовтня 2024 року у віці 94 років.
