Квантовая механика развивалась в то же время, когда металлурги, используя новейшие технологии очистки и хитроумные химические приемы, искали пути создания новых материалов, которые позволили бы комбинировать часто встречающиеся минералы с редкими. По ходу решения своих каждодневных проблем, например: что делать с нитью накаливания электронной лампы, прогорающей слишком быстро, или с диафрагмой телефонной трубки, звучащей слишком тихо, они смешивали разные новые сплавы, разрабатывали методы нагревания и охлаждения подобных смесей в попытках улучшить их свойства. Методом проб и ошибок, как повар на кухне, они готовили революцию в материаловедении, которая в дальнейшем двигалась рука об руку с квантовой революцией в теоретической физике.
Экспериментируя с образцами кремния и германия, инженеры-химики из Bell Labs нашли подтверждение многому из того, что предсказывали теоретики[258]. Стало ясно, что теоретики, инженеры и металлурги могут многому научиться друг у друга. Поэтому в 1936 году в Bell Labs была образована группа, занимавшаяся исследованиями в области физики твердого тела. У группы было мощное ядро, состоящее из светил, теоретиков и практиков. Раз в неделю в конце дня они собирались, чтобы обменяться полученными результатами, в разговорах любили прихвастнуть, как это принято в академических кругах, а затем начинались неофициальные разговоры, продолжавшиеся до глубокой ночи. Общаться лично оказалось полезнее, чем просто читать статьи друг друга: интенсивное взаимодействие способствовало появлению идей, которые, используя аналогию с электронами, переходили на более высокие орбиты, а иногда могли и вырываться на волю, запуская цепную реакцию.
Один из членов группы обращал на себя внимание. Уильям Шокли, теоретик, появившийся в Bell Labs в момент образования исследовательского отдела, поражал, а иногда и пугал всех как своим интеллектом, так и напористостью.
Уильям Шокли
В молодости Уильяму Шокли нравились и искусство, и наука. Его отец изучал горное дело в Массачусетском технологическом институте, музыку в Нью-Йорке и выучил семь языков, когда, скитаясь по Европе и Азии в поисках приключений, занимался спекуляциями на акциях горнорудных компаний. Его мать изучала в Стэнфорде и математику, и искусство, была одним из первых известных альпинистов, кому удалось в одиночку совершить восхождение на Уитни[259]. Родители Шокли встретились в небольшом шахтерском поселке Тонопа, штат Невада, где отец занимался разметкой участков, а мать — инженерно-геодезическими изысканиями. После свадьбы они отправились в Лондон, где в 1910 году у них родился сын.
Уильям был их единственным ребенком, и за это они благодарили судьбу. Даже маленьким он был жесток, с ним случались такие приступы ярости, шумные и продолжительные, что даже приходящие няни у них долго не задерживались, а родителям приходилось постоянно менять квартиры. В дневнике отец пишет о мальчике, «орущем во всю силу, изгибающемся и откидывающемся назад». Он отмечает, что тот «много раз избивал мать»[260]. Уильям был невероятно упорен. В любой ситуации он должен был поступить по-своему. В конце концов родители пришли к выводу, что лучше всего просто капитулировать. Они оставили любые попытки воспитывать его и до восьми лет учили дома. К этому времени они перебрались в Пало-Альто, где жили родители его матери.
Будучи убеждены, что их сын гений, они решили проверить его способности по методике Льюиса Термана[261], усовершенствовавшего шкалу интеллекта Стэнфорда — Бине и занимавшегося образованием одаренных детей. Значение IQ молодого Шокли оказалось равным 120, что было вполне хорошо, но недостаточно для того, чтобы Терман счел его гением. IQ-тесты превратились у Шокли в навязчивую идею. Он использовал их, оценивая претендентов на работу и даже своих коллег. Он строил все более опасные расовые теории, считая, что интеллект передается по наследству. Это отравило последние годы его жизни[262]. Возможно, собственная жизнь должна была бы научить Шокли, что проверка по шкале интеллекта имеет свои недостатки. Хотя он попал в разряд «не гениев», способностей у него было достаточно. Пропустив среднюю школу, Шокли окончил Калифорнийский технологический институт, а затем защитил докторскую диссертацию по физике твердого тела в Массачусетском технологическом. Он был язвителен, находчив и честолюбив, любил показывать фокусы и устраивать розыгрыши, но научиться быть спокойным и дружелюбным ему не удалось. С детства у Шокли был мощный интеллект, он был эмоционален, что затрудняло общение с ним, становившееся все труднее по мере того, как он добивался успеха.
Когда Шокли в 1936 году окончил Массачусетский технологический, Мервин Келли из Bell Labs приехал поговорить с ним и сразу же предложил работу. Он поставил перед Шокли задачу: найти возможность заменить электронные лампы более устойчивым, прочным и дешевым устройством. Через три года Шокли пришел к убеждению, что решение связано с использованием твердых материалов, таких как кремний, а не нитей накаливания внутри лампочки. «Сегодня мне стало ясно, что есть принципиальная возможность сделать полупроводниковый усилитель вместо вакуумного», — записал он в лабораторном журнале 29 декабря 1939 года[263].
Как хореограф может мысленно увидеть танец, так Шокли обладал способностью представить себе, как по законам квантовой теории двигаются электроны. Его коллеги говорили, что он смотрит на полупроводник и видит электроны. Однако для того чтобы его невероятная интуиция трансформировалась в реальное изобретение, точно так же как Мокли был нужен Эккерт, Шокли был нужен партнер — искусный экспериментатор. Но он работал в Bell Labs, где их было много. Самым заметным из них был веселый, ворчливый уроженец запада Уолтер Браттейн, которому нравилось делать на основе полупроводниковых соединений, таких как окись меди, всяческие оригинальные устройства. Например, он построил электрический выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянный, используя тот факт, что через внутреннюю границу, разделяющую массивный кусок меди с нанесенным на его поверхность слоем окиси меди, ток течет в одну сторону.
Браттейн вырос на ранчо на востоке штата Вашингтон, подростком пас скот. У него был скрипучий голос, он вел себя простецки, предпочитая скрываться за маской уверенного в себе ковбоя. Браттейн был прирожденным умельцем, руки у него были золотыми, и экспериментировать он любил. «Он мог сделать устройство из скотча и скрепок», — вспоминал один из инженеров, работавших с ним в Bell Labs[264]. Но кроме того, он умел вовремя остановиться и начать поиск метода, который скорее приведет к цели, а не повторять раз за разом скучные испытания.
У Шокли была идея: чтобы сделать твердотельный заменитель электронных ламп, надо на слой окиси меди нанести решетку. Браттейн был настроен скептически. Он со смехом сказал Шокли, что уже пытался сделать подобное раньше, но усилитель у него так и не получился. Однако Шокли продолжал настаивать. В конце концов Браттейн сдался: «Если это так чертовски важно, скажи мне, как ты хочешь это сделать, и я постараюсь»[265]. Но, как и предсказывал Браттейн, ничего не получилось.
Выяснить, почему их постигла неудача, Браттейну и Шокли помешала Вторая мировая война. Шокли пришлось уйти. Он возглавил научные исследования группы по противолодочным операциям ВМС США, где для повышения эффективности поражения немецких подводных лодок занимался анализом глубины взрыва авиационных бомб. Позднее он летал в Европу и Азию, чтобы научить пилотов-бомбардировщиков B-29 флота ВМС использовать радары. Браттейн тоже перебрался в Вашингтон, где занимался разработкой технологий обнаружения подводных лодок для ВМС, уделяя особое внимание бортовым магнитным устройствам.
Твердотельная команда
Пока Шокли и Браттейн отсутствовали, Bell Labs менялась. В это время складывались отношения между правительством, исследовательскими группами из университетов и бизнесом. Как замечает историк Джон Гертнер: «В первые несколько лет после Перл-Харбор в Bell Labs шла работа почти над тысячью проектов для военных. Делали все: от радиоприемников для танков до переговорных устройств для пилотов, использующих кислородные маски, и шифровальных машин для скремблирования секретных сообщений»[266]. Число сотрудников увеличилось вдвое, до девяти тысяч.
Компания уже не помещалась в своем головном офисе на Манхэттене, и большая часть Bell Labs переехала на новое место — холмистый участок площадью в двести акров в небольшом городке Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Мервин Келли и его коллеги хотели, чтобы их новый дом напоминал кампус университета, но не хотели, чтобы специалисты разных специальностей были разобщены, работая в разных зданиях. Они знали, что появление нетривиальных идей обусловлено неожиданными столкновениями. «Все здания были связаны между собой так, чтобы избежать разделения отделов по географическому принципу и поощрять свободный обмен и тесное взаимодействие», — пишет один из администраторов Bell Labs[267]. Коридоры были очень длинными и спланированы были так, чтобы способствовать случайным встречам людей разных специальностей и дарований. Через семьдесят лет Стив Джобс, проектируя здание новой штаб-квартиры для Apple, придерживался точно такой стратегии. Любой разгуливающий по Bell Labs мог «попасть под обстрел» случайными идеями, поглощая их, как фотоэлемент — солнечный свет. Иногда эксцентричный Клод Шеннон, специалист в области теории информации, разъезжал на одноколесном велосипеде по коридорам, жонглируя тремя шарами и отвешивая поклоны коллегам[268].
Компания уже не помещалась в своем головном офисе на Манхэттене, и большая часть Bell Labs переехала на новое место — холмистый участок площадью в двести акров в небольшом городке Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси. Мервин Келли и его коллеги хотели, чтобы их новый дом напоминал кампус университета, но не хотели, чтобы специалисты разных специальностей были разобщены, работая в разных зданиях. Они знали, что появление нетривиальных идей обусловлено неожиданными столкновениями. «Все здания были связаны между собой так, чтобы избежать разделения отделов по географическому принципу и поощрять свободный обмен и тесное взаимодействие», — пишет один из администраторов Bell Labs[267]. Коридоры были очень длинными и спланированы были так, чтобы способствовать случайным встречам людей разных специальностей и дарований. Через семьдесят лет Стив Джобс, проектируя здание новой штаб-квартиры для Apple, придерживался точно такой стратегии. Любой разгуливающий по Bell Labs мог «попасть под обстрел» случайными идеями, поглощая их, как фотоэлемент — солнечный свет. Иногда эксцентричный Клод Шеннон, специалист в области теории информации, разъезжал на одноколесном велосипеде по коридорам, жонглируя тремя шарами и отвешивая поклоны коллегам[268].
В ноябре 1941 года, оставляя штаб-квартиру Bell Labs на Манхэттене из-за перехода на военную службу, Браттейн сделал последнюю запись номер 18 194 в своем рабочем журнале. Через почти четыре года он продолжил тот же журнал, но уже в новой лаборатории в Мюррей-Хилле, написав: «Война окончена». Келли определил его и Шокли в исследовательскую группу, задуманную для «поиска единого подхода к теоретическим и экспериментальным работам в области физики твердого тела». Цель была той же, что и до войны: на базе полупроводников создать замену электронным лампам[269].
Когда Келли показал список тех, кто будет входить в группу твердотельщиков, Браттейн пришел в восторг: бездельников там не будет. Он вспоминает, что тогда сказал: «Тьфу-тьфу! Этих сукиных детей в группе не будет». Затем, задумавшись ненадолго, с беспокойством добавил: «Возможно, таким поганцем был именно я». Позднее он утверждал: «Вероятно, это была одна из самых замечательных когда-либо собранных исследовательских групп»[270].
Главным теоретиком был Шокли, но поскольку он исполнял еще и обязанности главы группы, решили пригласить еще одного теоретика. Был выбран Джон Бардин, специалист по квантовой механике. Вундеркинд, в школе перепрыгнувший через три класса, Бардин написал докторскую диссертацию в Принстоне под руководством Юджина Вигнера. Во время войны он, проходя службу в Военно-морской артиллерийской лаборатории, обсуждал с Эйнштейном модели торпед. Он был одним из лучших в мире экспертов, который мог с помощью квантовой механики объяснить, как различные материалы проводят электрический ток. По словам коллег, он обладал «незаурядным даром легко взаимодействовать как с теоретиками, так и с экспериментаторами»[271]. Сначала у Бардина не было отдельного кабинета, поэтому он устроился в лаборатории Браттейна. Это был удачный ход, еще раз продемонстрировавший, что для генерации творческой энергии необходима физическая близость. Работая в одном помещении и общаясь, теоретики и экспериментаторы могут часами вести мозговой штурм новых идей.
В отличие от громкоголосого, разговорчивого Браттейна Бардин был тихоней, которого окрестили «шепчущим Джоном». Чтобы понять, что он бормочет, приходилось подаваться вперед, но все знали, что оно того стоит. Кроме того, в отличие от импульсивного, фонтанирующего новыми теориями и утверждениями Шокли, он был задумчив и осмотрителен.
Понимание приходило к ним при взаимодействии друг с другом. «Теоретики и экспериментаторы тесно сотрудничали на всех этапах работы, начиная с идеи постановки эксперимента и кончая анализом его результатов», — говорит Бардин[272]. Импровизированные семинары, которые обычно вел Шокли, проходили практически каждый день, что ясно показывало: друг друга они понимают с полуслова. «Мы не назначали встреч заранее, собирались, когда надо было обсудить нечто важное, — рассказывал Браттейн. — Многие идеи зародились во время этих дискуссий, чье-то замечание наталкивало на интересную мысль»[273].
Эти встречи стали известны как «собрания у доски» или «разговоры с мелом», поскольку обычно Шокли стоял у доски с мелом в руках, записывая все предложения. Браттейн, как всегда нахальный, расхаживал в дальнем конце комнаты, выкрикивая возражения на некоторые из предложений Шокли и иногда споря на доллар, что работать они не будут. Проигрывать Шокли не любил. «Я понял, что это его раздражает, когда как-то он заплатил мне десятицентовыми монетами», — вспоминал Браттейн[274]. Они продолжали общаться и после работы, часто играли вместе в гольф, ходили пить пиво, устраивали вместе с женами соревнования по бриджу.
Транзистор
В Bell Labs Шокли со своей новой командой вернулся к оставленной им пять лет назад теории, которая должна была позволить заменить электронные лампы твердотельным устройством. Если источник сильного электрического поля, рассуждал он, разместить в непосредственной близости от пластины из полупроводникового материала, поле «вытащит» некоторое количество электронов на поверхность и позволит пропустить электрический импульс через пластину. В принципе это могло бы позволить использовать полупроводник, чтобы с помощью очень маленького сигнала контролировать сигнал гораздо большей мощности. Очень слабый ток, поданный на вход, будет регулировать (или включать и выключать) на выходе существенно более сильный ток. Таким образом, полупроводник, точно так же как и электронную лампу, можно использовать как усилитель или переключатель.
Была только одна небольшая неувязка: этот «полевой эффект» по какой-то причине не работал. Когда Шокли проверил свою теорию (на пластинку, помещенную на расстоянии порядка миллиметра от проводника, подали напряжение около тысячи вольт), ничего не произошло. «Никаких видимых изменений тока», — записал Шокли в лабораторном журнале. Как он сказал позднее, это было «абсолютно непостижимо».
Разобравшись, почему теория оказалась неправильной, можно отыскать путь к новой, лучшей теории. Поэтому Шокли попросил Бардина объяснить, в чем причина неудачи. Вместе они часами обсуждали так называемые «поверхностные состояния» — электронные свойства и квантово-механическое описание ближайших к поверхности образца слоев атомов. Через пять месяцев Бардин понял, что происходит. Он подошел к доске в кабинете, который делил с Браттейном, и начал писать.
Бардин сообразил, что, если полупроводник заряжен, электроны захватываются его поверхностью. Двигаться свободно они не могут. Электроны образуют запирающий слой, и электрическое поле, даже если на расстоянии в один миллиметр от поверхности оно сильное, не может преодолеть этот барьер. «Добавочные электроны оказались заперты в поверхностных состояниях, они неподвижны, — заметил Шокли. — В сущности, поверхностные состояния экранируют внутренность полупроводника от воздействия положительно заряженной управляющей пластины»[275].
Теперь у команды была новая задача: понять, как можно прорваться через барьер на поверхности полупроводника. «Мы сосредоточились на новых экспериментах, связанных с поверхностными состояниями Бардина», — объяснял Шокли. Они должны были пробить брешь в этом барьере, чтобы заставить полупроводник регулировать, переключать и усиливать ток[276].
Весь следующий год команда продвигались вперед медленно, но в ноябре 1947 года было сделано несколько открытий, и начался месяц, известный как «месяц чудес». Бардин разработал теорию так называемого «вентильного фотоэффекта», согласно которой освещение находящихся в контакте разнородных тел приводит к появлению электродвижущей силы. Он предположил, что в результате некоторые из электронов, образующих барьер, вытесняются. Браттейн, работавший бок о бок с Бардиным, ставил хитроумные эксперименты, пытаясь нащупать возможность сделать это. Им помогла счастливая случайность. Часть экспериментов Браттейн проводил в термосе, чтобы можно было варьировать температуру. Но конденсат на поверхности кремния раз за разом не позволял провести эксперимент чисто. Лучше всего было бы поместить все устройство в вакуум, но это требовало больших усилий. «Я на редкость ленивый физик, — признался Браттейн. — Поэтому я решил поместить мою систему в диэлектрическую жидкость»[277]. Он наполнил термос водой, что обеспечивало простой способ избавления от конденсата. Семнадцатого ноября они с Бардиным провели испытания. Все работало великолепно.