Douglas Osheroff (2012) - How Advances in Science are Made

Well, it’s very hard for me to live up to the excitement of the last 2 talks, but I’ll do the best I can. I’m a low temperature physicist. I study the properties of matter near absolute zero. Specifically my favourite material which is helium-3. I decorate my slides with my own photo images. This is the Golden Gate Bridge, of course. So, the first question I want to ask is that those discoveries that most changed the way we think about nature cannot be anticipated. How then are such discoveries made? And are there research strategies that can substantially increase the chances of one making such a discovery? And I will illustrate this with a link chain of discoveries and inventions that occurred quite a long time ago, starting with one of my great heroes Heike Kamerlingh Onnes who was of course the first person to liquefy helium. But then he tried to...Basically Kamerlingh Onnes was in a competition with Dewar to see who could first liquefy the lightest and most inert of the atmospheric gases. And after liquefying helium Kamerlingh Onnes pumped on the vapour above the liquid in order to see what temperature helium solidified. This is exactly what Dewar had done with hydrogen. Unfortunately, helium does not solidify under its own vapour pressure at any temperature, even absolute zero. So in fact he eventually became frustrated about this and then looked around for some other interesting question of the day that he could answer with this remarkable refrigeration device that he had made. It was very complicated. So he got...There was an argument about what would happen to the electrical conductivity of metals if one could cool them to absolute zero. One argument was that if you had very pure metal and you cooled it you would eliminate the lattice vibrations which scattered the conduction electrons. And so the electrical resistance would slowly drop towards zero. But the other school of thought suggested that as you cool it down at some temperature the conduction electrons which were free to roam around the interior of the metal would re-condense on the ions from which they’d come and all electrical conductivity would cease. So Kamerlingh Onnes got a very pure sample of mercury, of metal which is particularly easy to purify and gave it to Gilles Holst, his associate. And Gilles Holst basically measured the electrical resistance. So here you can see that the measurements of the electrical resistance... This is the resistance at 2,000’s of an ohm, this is 4.2 Kelvin, this is 4 Kelvin. And you can see the electrical resistance is dropping slowly towards zero. But then at a temperature slightly above 4.2 Kelvin there was a discontinuous drop in the electrical resistance to a value which was less than 10^-5 ohms which is the resolution of their instrument. Now I believe that Kamerlingh Onnes was incredulous, felt that surely an electrical lead had fallen off the sample at this point. But of course that wasn’t the case. This was the first observation of super conductivity. So let’s look at the relevant research strategies that allowed this discovery to be made. First use the best instrumentation available. Now I must say that in fact this very complex set of refrigeration processes that Kamerlingh Onnes had developed was unique and it really allowed you to reach lower temperatures than anyone else could see. Don’t reinvent, borrow the technologies you can. Now Dewar and Kamerlingh Onnes were in a rather, nearly bitter competition to see who could win this race. Dewar had invented the Dewar flask in order to allow him to do that. Kamerlingh Onnes was very happy to borrow that technology even though these 2 were rather bitter rivals. Look into an unexplored region of the physical landscape. In this case, we’re looking at the properties of matter at temperatures that had never been reached before. And so after liquefying helium Kamerlingh Onnes did exactly what Dewar had done with hydrogen. Dewar had pumped on the vapour above the hydrogen in order to cool it further and find out where hydrogen solidified. Dewar tried that with liquid helium. And for quite some time he tried that. However, liquid helium does not solidify under its own vapour pressure. So then he thought about what other big questions of the day he could answer with this refrigeration process that he’d developed. And so I would say failure might be an invitation to try something new. That’s exactly what Kamerlingh Onnes did. And I should add: Be aware of subtle unexplained behaviour. Don’t dismiss it. Now, Kamerlingh Onnes had written in his log book that it appeared that the liquid helium stopped boiling at a temperature of about 2 Kelvin. That of course was due to the onset of superfluidity in helium 4, which of course has been a subject of study for many years. So this is one of my other great heroes, I suppose, Pyotr Kapitsa who shared the Nobel Prize in 1978 for measuring the viscosity of superfluid helium in the winter of 1937 in Moscow. I suppose that you can say that’s not fair because Kapitsa started at a lower temperature. That is his lower temperature outside. But in fact, so Kapitsa really was the person that first observed superfluidity in helium. But he shared the Nobel Prize with 2 very unlikely colleagues whose work had absolutely nothing to do with his own and these were Arno Penzias... When I was at Bell Laboratories Arno was my boss’s boss’s boss. And Robert Wilson. So these 2 people, of course, their work had nothing to do with low temperature physics. But rather the discovery of the cosmic microwave background radiation. So Penzias had convinced AT&T to allow them, that is Penzias and Wilson, to use this very elegant piece of high tech machinery to look at the radiation coming in from outer space. This was a horn antenna which has the advantage that it doesn’t couple to radiation coming from the ground. It was actually developed by AT&T in order to test the feasibility of satellite telecommunications. And the key is not this horn antenna but inside this little shed here was one of the quietest receivers of its day. It was based on the development of the maser by Charles Townes shown here. This is actually Ammonia Maser 2. But this in fact, technology would not have allowed Penzias and Wilson to do what they wanted to do. In fact, it was up to Nicholas Blumbergen to actually modify the maser so that in fact it basically was a doped ruby rode that could be cooled to a temperature of 4.2 Kelvin. And in fact, that provided the most sensitive radio receiver of its day. So here’s some of the early evidence back in those days. And I dare say this was also true when I was a graduate student that data all came out on a strip chart recorder. And I don’t know if I have to explain what a strip chart recorder is but a piece of paper is pulled underneath a pen which moves back and forth. So anyway, he’s looking here. Actually the signal is going up this way, time is going this way. And so he’s looking at the signal coming in from the antenna. And then he as a microwave switch. He switches to a cold load which is basically a black body cooled to 4.2 Kelvin and compares the noise figures. And in the end they decided that there was extra noise at the level of about 3.3 Kelvin that they couldn’t understand. So they went back and they actually climbed up inside the antenna. And what they found was that the pigeons had been roosting inside the antenna. So always check your equipment before you start doing an experiment, especially for pigeon nests. So they knocked down the pigeon nests and I think a few of the copper plates inside this antenna were corroded and had to be replaced. But virtually nothing that they could do would eliminate this extra noise. And of course we now know that this noise is intrinsic. It is the cosmic microwave background radiation. So let’s look at the relevant research strategies. Use the best technology available. In this case, Penzias and Wilson were lucky enough to be able to borrow probably the best receiver of its day. Don’t reinvent the wheel, borrow if possible. And they did that. Look into a region of parameter space that is unexplored. They were the first people to make absolute radio noise measurements... of the radio noise coming from outer space. And then finally and I think this is very important for any researcher. Understand what your instrumentation is measuring. It would be very easy for Penzias and Wilson to say “Well, there’s a little bit of extra noise here.” and just dismiss that and redefine the base line of their instrument. But they didn’t do that. So this is of course...This was from the COBE satellite. It shows the intensity of that radiation as a function of wavelength and the temperature is 2.725 Kelvin with a resolution of 1,000th of a degree. Pretty impressive measurement. But if you look at the distribution of the intensity of that radiation as a function of position in the sky, what you find... Well first of all, because of the velocity of the earth, you see a Doppler shift. It’s hotter in one direction and colder in the other direction. Hotter in the direction the earth is going. And you can get rid of this easily. And then you see the plain of the Milky Way Galaxy which is also possible to get rid of this. This is really something that you don’t see except for long wavelengths because of dust scattering. And so once you get rid of this you’re left still with these fluctuations. And these fluctuations are relatively reproducible which suggests in fact it’s not some air in the equipment or anything like that. In any event it eventually became very clear that what they were looking at was the cosmic microwave background radiation. And for their work John Mather and George Smoot shared the 2006 Nobel Prize for physics, for their discovery of the black body form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation. So, I don’t know how these guys felt when they made their discovery but it is, for me it’s always been, very exciting. Now I’m shifting gears again. This is a bit of the Iguaçu Falls. I’m an avid photographer. I like to decorate my images as I said before. So, the process of advancing science often leads to inventions and technologies that may benefit mankind. However, it is often impossible to know from where a particular advance might come that could benefit mankind. Consider for example nuclear magnetic resonance. And we heard already today 2 beautiful talks on nuclear magnetic resonance which is in fact one of my favourite probes for probing nature. NMR was invented in 1946, one year after the end of world war 2, by these gentlemen here, Felix Bloch at Stanford University and Ed Purcell at Harvard University. And supposedly when they get the Nobel Prize just 7 years later, I know exactly what happens. The press come up and they ask you to explain what it is that you’ve discovered. And you say you’re processing nuclear spins in a magnetic field and things like that. And after a while the press will get impatient and they will say: And so supposedly, I have not seen this written down but I’ve talked to plenty of people at Harvard and Stanford, Felix Bloch, who was a bit of a curmudgeon, suggested in fact that NMR was good for damn little. That is to say he had invented it for a specific purpose and didn’t envision other applications. Ed Purcell was kind of, somewhat of a more patient and kinder, gentler man I suspect. I knew Ed Purcell well. I didn’t know Felix Bloch. He’d died by the time I got to Stanford. But in fact Ed Purcell had suggested that perhaps one could use nuclear magnetic resonance to calibrate magnetic fields. Now, let’s see what in fact the visionaries that invented NMR hadn’t considered. So it didn’t take that long for people to actually produce very homogenous magnetic fields. And when they looked at the protons in organic solvent, they found, in fact, that the protons didn’t all resonate at the same frequency. There were the triplets and quadruplets. And these things were typically shifted by several parts per million. And it became clear very quickly, in fact, that these shifts were a result of the molecular bond lengths and interactions between the nuclear magnetic moments. So the next big step was really made by Richard Ernst. Now, you’ve heard his talk and I’m very reluctant to talk about something that I wasn’t involved in. But this was a spectacular development in NMR. Richard Ernst, who is Swiss of course, was working at varying associates in Palo Alto which is where Stanford University is located. And he invented pulsed NMR which allowed you to apply a very strong, very short pulse of radio frequency field. And in fact that would tip the nuclear spins by whatever angle you wanted. And then they would process and you could then get the frequency of procession very accurately. So, this is basically what's called 2 dimensional NMR. And it really allows you to determine the nature of these bonds. It can’t give you the structure very accurately but in fact, this was in fact, a remarkable advance. And so, for his contributions to NMR, Richard Ernst shared the Nobel Prize in chemistry in 1991. Now, the first Nobel Prize for the development of NMR in the first place was in physics. Now, Richard Ernst was working in Switzerland with another colleague, Kurt Wüthrich who is here as well. And Kurt Wüthrich did not share the Nobel Prize with Richard Ernst. And I don’t know if I should say this or not but I think he was a bit unhappy, shall we say, that he didn’t share the Nobel Prize because these 2 had worked very closely together. But Kurt Wüthrich then continued on his own and eventually developed a very complex pulse sequences which allows anyone that has the equipment to determine the confirmation, even of complicated molecules such as proteins as shown here. So, here’s Kurt Wüthrich receiving his Nobel Prize. Now, the prize given to Richard Ernst was in 1991 so this is 11 years later. Kurt Wüthrich got his own Nobel Prize. My wife doesn’t like it but if you look very carefully you’ll see that he’s smiling. Everyone smiles at this moment in their lives. But I should say that in fact NMR development continued. And eventually people realised and I dare say I think I was one of the first people that applied a magnetic field gradient to a sample that I wished to study with NMR. And then each nuclear spin, the position of each nuclear spin is tagged by the frequency shift from the applied magnetic field gradient. So this is a very healthy human knee. You can see the medial meniscus is in very good shape. I’m afraid my knee now is made out of titanium and so you probably can’t do this measurement. But for the development of MRI as it’s called, Paul Lauterbur and Peter Mansfield shared the Nobel Prize not in physics or chemistry but in physiology or medicine in 2003. Now it’s kind of amazing because this in fact was the fourth Nobel Prize given for developments in NMR. And it was the third different discipline that the Nobel Prize was given. And so you have physics, chemistry, physiology or medicine. Quite a remarkable and extremely valuable tool. Ok, now I’m going to really shift gears and talk about my discovery. Because this is really not a talk about a specific kind of physics, but rather about the process of discovery. So, to begin my life at the beginning of my life, I must report that I was born. Of course, that’s not my family line... My father was a medical doctor, my mother had been a nurse but gave up nursing to raise an unruly brood of 5 children. I was son number 2 right here and I was very interested. I think, in fact, there was a watershed moment in my life when for Christmas at age 5 I was given an electric train. And by the end of Christmas day I had torn apart the locomotive to get the electric motor out. If my parents had said you destructive devil go to bed without your dinner, I suspect I would not be giving this talk today. So, if you ask me who it was that most influenced the way I think about science, it was actually none of the professors at Caltech or at Cornell University, it was this man here, William Hawk, who was my chemistry teacher. One day he came into class and he had a milk carton, effectively 1 litre. It was really 1 quart milk carton. And inside there was something. And he said: “Research is like trying to find out what's inside the milk carton. You can do a series of experiments. And every time you do an experiment you’re asking a question of nature. Nature has to answer your questions but nature’s answers are a bit vague and difficult to understand. So then you have to do more experiments, asking more questions in order to constrain your interpretation of nature’s initial remarks, answers.” And that’s the way I still think about it. It’s basically a process where you try to trick nature into giving up her secrets. And it’s really a fun thing, particularly very late at night that you play with nature. So after going through high school I went to Caltech as an undergraduate and that’s when Richard Feynman was teaching all of the undergraduates. Now, I must say that for people like myself who are really deeply interested in physics this was phenomenal. And it’s remarkable that such a great physicist was teaching all the undergraduates. However my freshman class started out at 192 and only 120 returned for their sophomore year. And I dare say that I think that Richard Feynman had something to do with that. So bottom line was that only 60% of my freshman class returned for their sophomore year. So I don’t know whether to thank Richard Feynman. I should and I have. In fact, at one point I hosted his visit to Bell Laboratories. Anyway, after graduating from Caltech I went to Cornell University to do graduate work. And this is a picture in the fall I guess at Cornell University. That first semester there were 2 talks given in the physics department describing new refrigeration technologies that gave the promise of allowing me in particular to look at nature in a new and different realm. The first was the helium-3/helium-4 dilution refrigerator. Basically what happens is if you cool helium-3, a mixture of helium-3 and helium-4 down the helium-3 will phase separate into the top region and you have a mixture of helium-4 with about 6% helium-3 below that. If you pump on this region, in fact, more helium-3 atoms will diffuse across this phase boundary. And in the process each one occupies a larger volume. Which means it has a larger entropy. That entropy is gained by absorbing heat from the outside. This is a picture of my helium-3/helium-4 dilution refrigeration that I built as a first year graduate student. So, this shows the entropy of liquid helium-3. That line there. And this is solid helium-3. In the solid the nuclear spins can point either up or down, that gives you R log 2. Until a very low temperature where you see nuclear spin ordering. So the latent heat of solidification then is negative. Which is very strange. And this had been proposed by a Russian theorist Isaak Pomeranchuk and this basically is the technique that I used to reach the temperatures where liquid helium-3 becomes a superfluid. This is a picture of my Pomeranchuk cell. And these are the initial data. So strip chart recorded that the pressure was rising. Here I rebalanced the capacitance bridge. The pressure rises. And then there was this very sharp decrease in the rate of cooling. Of course, I was very concerned about that and hoped it would go away. But ultimately this was, in fact, I realised that this was the signature of a jump in the heat capacity in liquid helium-3. It was the onset of superfluidity in helium-3. So, here you can see that transition on cooling. And on warming there was another transition, in fact, a transition between super fluid phases. So, super fluid helium-3 had ended up being a very rich system for study. In order to differentiate the liquid from the solid, however, I invented an early form of MRI. This is back in 1971/’72. And I know that Paul Lauterbur actually read my paper. He was one of the architects, real architects of MRI. So it was kind of fun to be involved in that. This is a picture of some of the data. These huge lines are solid. And this little signal here is the liquid, this is the base line. And at the temperature of what we call the B-transition, that little blip I showed you in fact, the liquid NMR signal dropped by a factor of 2. So I wrote in my lab book that night at 2.40 in the morning, ‘have discovered the BCS transition in liquid helium 3 tonight’. And then I ran around the basement of the physics building to share this exciting news with people. Unfortunately, I was the only one in the entire physics building. So at 2 in the morning, at 2.40, probably about 3 AM actually I called up Dave Lee, my thesis advisor, who called me back at 6 AM. He wanted more details. It was kind of interesting because the phone call I got from Stockholm was at almost exactly the same time. It was 2.30 in the morning. I don’t have that but in fact the phone call went: Is this Douglas Osheroff?” I said: Of course, I didn’t know what this was all about. So, here in fact we’ve looked at, it turns out, the high temperature superfluid phase. It actually shows very large frequency shift. And here I’ve plotted the frequency in the liquid squared minus frequency in the solid squared and it all collapses on one line. So in the end here we are getting the Nobel Prize in 1996. This is yours truly, Dave Lee my thesis advisor and Bob Richardson who really is the person that trained me. Tony Leggett was the one that explained the shifts in the NMR frequencies. And so... What is it? This is ’96. So again I put up here this picture of my apparatus and I put in the names of people. And I won’t name them all or their contributions. But this was... Without any one of these names I suspect, I wouldn’t have made this discovery. So let me end by saying that advances in science are seldom made by individuals alone. They result from the progress of the scientific community. Asking questions, developing new technologies to answer those questions and sharing their results and their understanding with others. This is how advances in science are made. Thank you very much. Applause.

Nun, nach den letzten beiden packenden Vorträgen wird es wohl sehr schwer für mich werden, den Erwartungen gerecht zu werden. Ich werde aber mein Bestes geben. Ich bin Niedrigtemperaturphysiker und erforsche die Eigenschaften von Materie nahe dem absoluten Nullpunkt, insbesondere die meiner Lieblingsmaterie Helium-3. Ich habe meinen Vortrag mit selbst gemachten Fotos dekoriert. Das hier ist die Golden Gate Bridge, wie Sie erkennen werden. Als Erstes möchte ich eine Frage stellen: Wir können die Entdeckungen, die unsere Denkweise über die Natur am stärksten verändert haben, nicht vorhersehen. Wie kommt es aber dann zu solchen Entdeckungen? Und gibt es Forschungsstrategien, die die Wahrscheinlichkeit solcher Entdeckungen deutlich erhöhen können? Ich möchte dies anhand einer verketteten Liste von Entdeckungen und Erfindungen verdeutlichen, die vor langer Zeit stattfanden, wobei ich mit einem meiner größten Helden beginne, nämlich Heike Kamerlingh Onnes, der ja der erste Mensch war, der Helium verflüssigt hat. Aber dann versuchte er ... Kamerlingh Onnes war in dem Bemühen, als Erster das leichteste und flüchtigste der atmosphärischen Gase zu verflüssigen, im Grunde genommen ein Konkurrent von Dewar. Und nach der Heliumverflüssigung pumpte Kamerlingh Onnes den Dampf auf die Flüssigkeit, um zu sehen, bei welcher Temperatur sich Helium verfestigt. Das war exakt das, was Dewar mit Wasserstoff gemacht hatte. Leider verfestigt sich Helium aber bei keiner Temperatur unter dem eigenen Dampfdruck, auch nicht am absoluten Nullpunkt. Das frustrierte Kamerlingh Onnes schließlich und er suchte nach einer anderen interessanten Frage, die er mit diesem bemerkenswerten Gefriergerät beantworten könnte, das er gebaut hatte. Das war wirklich ein sehr komplexes Gerät. So kam er zu ... Es gab eine Diskussion darüber, was in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit von Metallen passieren würde, wenn man sie auf den absoluten Nullpunkt herunterkühlen könnte. Eines der Argumente war, dass man beim Herunterkühlen von sehr reinem Metall die Gitterschwingungen eliminieren würde, die die Leitungselektronen verteilen. Und deshalb würde der elektrische Widerstand langsam auf null absinken. Die andere Denkrichtung vermutete aber, dass die Leitungselektronen, die im Innern des Metalls frei herumwandern können, bei Abkühlung auf eine gewisse Temperatur auf den Ionen, von denen sie stammen, rekondensieren würden und die gesamte elektrische Leitfähigkeit aufhören würde. Kamerlingh Onnes wählte deshalb eine sehr reine Quecksilberprobe, also ein Metall, das besonders leicht zu reinigen ist, und gab es seinem Mitarbeiter Gilles Holst, der im Wesentlichen den elektrischen Widerstand maß. Hier sehen Sie also die Messungen des elektrischen Widerstandes ... Dies ist der Widerstand bei zwei Tausendstel Ohm. Das sind 4,2 Kelvin, das sind 4 Kelvin. Und Sie sehen, dass der elektrische Widerstand Richtung null langsam abfällt. Aber bei einer Temperatur von etwas über 4,2 Kelvin war ein unterbrochener Abfall des elektrischen Widerstands auf einen Wert festzustellen, der unter 10^-5 Ohm lag, was der Auflösung des Gerätes entsprach. Ich könnte mir vorstellen, dass Kamerlingh Onnes ziemlich ungläubig gewesen sein muss. Er dachte wohl, dass sich an diesem Punkt eine elektrische Leitung von der Probe gelöst hat. Aber das war natürlich nicht der Fall. Dies war die erste Beobachtung der Supraleitfähigkeit. Betrachten wir nun die entsprechenden Forschungsstrategien, die diese Entdeckung ermöglicht haben. Erstens: Nutze die bestverfügbaren Geräte. Und ich muss sagen, dass diese sehr komplizierte Konfiguration von Gefrierprozessen, die Kamerlingh Onnes entwickelt hatte, wirklich einzigartig war und es tatsächlich ermöglichte, geringere Temperaturen zu erreichen, als irgendjemand anderes beobachten konnte. Erfinde die Techniken nicht neu, sondern leihe sie dir aus, sofern möglich. Dewar und Kamerlingh Onnes standen in einem ziemlich erbitterten Konkurrenzkampf miteinander, den jeder von ihnen unbedingt gewinnen wollte. Dewar hatte den Dewar-Kolben für seine Untersuchungen entwickelt. Kamerlingh Onnes war sehr glücklich, dass er sich diese Technik leihen konnte, obwohl die beiden erbitterte Rivalen waren. Erforsche ein unerforschtes Gebiet der Physiklandschaft. In diesem Fall beschäftigen wir uns mit den Eigenschaften von Materie bei Temperaturen, die nie zuvor erreicht worden waren. Und nach der Verflüssigung von Helium machte Kamerlingh Onnes genau das Gleiche, was Dewar mit Wasserstoff getan hatte. Dewar hatte den Dampf über den Wasserstoff nach oben gepumpt, um für weitere Abkühlung zu sorgen und herauszufinden, wann sich der Wasserstoff verfestigt. Dewar versuchte das - über eine relativ lange Zeit - mit flüssigem Helium. Jedoch verfestigt sich flüssiges Helium nicht unter seinem eigenen Dampfdruck. Deshalb dachte er darüber nach, welche anderen aktuellen, großen Fragen er mit diesem Gefrierprozess, den er entwickelt hatte, beantworten könnte. Und vor diesem Hintergrund würde ich sagen, dass ein Misserfolg eine Einladung sein kann, etwas Neues auszuprobieren. Und das ist genau das, was Kamerlingh Onnes tat. Und ich sollte ergänzen: Achte auf unerklärliche, subtile Phänomene. Betrachte sie nicht als unbedeutend. Kamerlingh Onnes hat in seinem Protokollbuch notiert, dass das flüssige Helium bei einer Temperatur von ungefähr 2 Kelvin aufhörte zu kochen. Das war natürlich auf den Beginn der Suprafluidität in Helium-4 zurückzuführen, was jahrelang Forschungsthema war. Und das hier ist wohl einer meiner weiteren großen Helden, Pyotr Kapitsa, der 1978 den geteilten Nobelpreis dafür erhielt, dass er im Winter 1937 in Moskau Messungen von supraflüssigem Helium durchgeführt hatte. Man könnte dies für ungerecht halten, weil Kapitsa bei einer niedrigeren Temperatur startete, denn es herrschen dort doch wesentlich geringere Außentemperaturen. Aber tatsächlich ist Kapitsa derjenige, der erstmalig die Supraleitfähigkeit in Helium beobachtet hat. Er teilte sich den Nobelpreis aber mit zwei sehr ungleichen Kollegen, deren Arbeit überhaupt nichts mit seiner eigenen Forschung zu tun hatte. Das waren nämlich Arno Penzias ... als ich bei Bell Laboratories tätig war, war Arno der Chef meines Chefs meines Chefs ... und Robert Wilson. Und natürlich hatten die Arbeiten dieser beiden überhaupt nichts mit Niedrigtemperaturphysik zu tun, sondern mit der Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung. Penzias hatte AT&T davon überzeugt, ihnen, das heißt Penzias und Wilson, die Verwendung dieser sehr eleganten Hightech-Maschine zu erlauben, um aus dem Weltraum einfallende Strahlung zu beobachten. Das hier ist eine Horn-Antenne, die den Vorteil hat, dass sie sich nicht an Strahlung vom Boden koppelt. Und sie wurde von AT&T eigentlich dazu entwickelt, die Durchführbarkeit der Satelliten-Telekommunikation zu testen. Und das Entscheidende ist nicht diese Horn-Antenne, sondern, dass sich innerhalb dieses kleinen Gehäuses einer der leisesten Receiver seiner Zeit befand. Er basierte auf der Maser-Entwicklung von Charles Townes, der hier zu sehen ist. Das hier ist allerdings der Ammoniak-Maser 2. Aber diese Technik hätte es Penzias und Wilson nicht ermöglicht, ihr Vorhaben umzusetzen. Tatsächlich war es dann Nicholas Blumbergen, der den Maser so modifizierte, dass es sich um einen legierten Rubin-Maser handelte, der auf eine Temperatur von 4,2 Kelvin heruntergekühlt werden konnte. Und dadurch entstand tatsächlich der empfindlichste Radioempfänger seiner Zeit. Das sind also frühe Nachweise aus diesen Tagen. Und ich darf wohl sagen, dass auch noch zu meiner Zeit als Doktorand alle Daten aus einem Streifenschreiber stammten. Und ich weiß nicht, ob ich bereits erklärt habe, was ein Streifenschreiber ist, aber dabei wird ein Stück Papier unterhalb eines sich hin- und her bewegenden Stiftes entlang gezogen. Wie auch immer, hier schaut er sich das Ergebnis an. Das Signal bewegt sich also in diese Richtung, die Zeit in diese Richtung. Und er betrachtet also das Signal, das von der Antenne kommt. Und dann hat er einen Mikrowellenschalter. Er schaltet auf eine Kälteleistung um, bei der es sich grundsätzlich um einen schwarzen Körper handelt, der auf 4,2 Kelvin heruntergekühlt wird, und vergleicht die Rauschmaße. Und schließlich stellten sie bei einem Niveau von rund 3,3 Kelvin ein zusätzliches Rauschen fest, was sie nicht verstanden. Sie gingen also zurück und kletterten tatsächlich in die Antenne hinein. Dort stellten sie fest, dass sich im Antennengehäuse Tauben niedergelassen hatten. Also: Vor dem Start eines Experiments sollte man immer seine Geräte überprüfen, insbesondere auf Taubennester. Sie rissen also die Taubennester auseinander und, soweit ich weiß, waren einige der Kupferplatten im Innern der Antenne korrodiert und mussten ersetzt werden. Aber tatsächlich konnten sie nichts tun, um dieses zusätzliche Rauschen zu beseitigen. Heute wissen wir natürlich, dass dieses Rauschen spezifisch ist. Es handelt sich nämlich um die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung. Schauen wir uns also die relevanten Forschungsstrategien an. Nutze die bestverfügbare Technik. In diesem Fall hatten Penzias und Wilson das Glück, dass sie sich wahrscheinlich den besten Receiver der damaligen Zeit leihen konnten. Erfinde das Rad nicht neu. Leihe es aus, sofern möglich. Und diesen Grundsatz befolgten sie. Untersuche einen Parameterraum, der unerforscht ist. Sie waren die ersten, die absolute Funk-Rauschmessungen durchgeführt haben ... Funkrauschen aus dem Weltraum. Und dann geht es letztlich darum - und ich denke, das ist für jeden Forscher sehr wichtig -, zu verstehen, was ihre Instrumente eigentlich messen. Es wäre sehr einfach für Penzias und Wilson gewesen zu sagen: "Nun gut, hier gibt es ein bisschen zusätzliches Rauschen." Und dann hätten sie das einfach übergehen und die Grundlinie ihres Instruments neu definieren können. Aber das haben sie nicht getan. Das ist natürlich ... das war vom COBE-Satelliten. Es zeigt die Intensität dieser Strahlung als Funktion der Wellenlänge. Und die Temperatur liegt bei 2,725 Kelvin mit einer Auflösung von einem tausendstel Grad. Ziemlich beeindruckende Messung. Aber wenn man sich die Intensitätsverteilung dieser Strahlung als Funktion der Position im Himmel anschaut, stellt man fest ... Nun, als erstes sieht man aufgrund der Erdgeschwindigkeit eine Dopplerverschiebung. Es ist in einer Richtung wärmer und in der anderen Richtung kälter. Es ist wärmer in Richtung der Erdbewegung. Und das verliert sich dann schnell. Und dann sieht man die Ebene der Milchstraßengalaxie, die möglicherweise auch schnell verschwindet. Aufgrund des von Staub verursachten Streulichts sieht man das wirklich kaum, außer bei langen Wellenlängen. Und wenn man das einmal aus dem Blick verloren hat, bleiben nach wie vor diese Schwankungen. Und diese Schwankungen sind relativ gut reproduzierbar, was tatsächlich vermuten lässt, das nicht etwas Luft oder Ähnliches in das Gerät gelangt ist. Auf jeden Fall wurde letztendlich sehr deutlich, dass das, was sie dort sahen, die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung war. Und John Mather und George Smoot konnten sich dann 2006 den Nobelpreis für Physik teilen für ihre Entdeckung, dass das Spektrum der Hintergrundstrahlung dem Strahlungsgesetz eines schwarzen Körpers gehorcht, und ihre Entdeckung der Anisotropie des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Ich weiß zwar nicht, wie sich diese Jungs gefühlt haben, als sie ihre Entdeckung machten, aber für mich war das immer sehr aufregend. Ich nehme noch einmal einen Perspektivwechsel vor. Das hier ist ein Teil der Iguaçu Falls. Ich bin ein begeisterter Fotograf und liebe es, meine Bilder in meine Präsentationen einzustreuen, wie ich bereits sagte. Fortschritte in den Wissenschaften führen oft zu Erfindungen und Techniken, von denen die Menschheit profitieren könnte. Aber oft weiß man im Vorfeld nicht, woher ein bestimmter, der Menschheit dienlicher Fortschritt kommen könnte. Denken Sie beispielsweise an die Kernspinresonanz. Wir haben heute bereits zwei wunderbare Vorträge zur Kernspinresonanz gehört, die in der Tat eines meiner Lieblingsbeispiele für das intellektuelle Eindringen in die Natur ist. Nur ein Jahr nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges wurde 1946 die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) von diesen Herren hier, nämlich Felix Bloch an der Stanford University und Ed Purcell an der Harvard University, erfunden. Und ich vermute mal, was passiert ist, als sie den Nobelpreis gerade einmal sieben Jahre später erhielten. Die Presse erscheint und bittet sie, ihre Entdeckung zu erläutern. Und dann sagt man so etwas wie, dass man Kernspins in einem Magnetfeld verarbeitet oder ähnliches. Und nach einer gewissen Zeit wird die Presse ungeduldig und sagt dann: "Erklären Sie einfach, wofür die NMR-Technik gut sein könnte." Und wahrscheinlich - ich habe das nirgends schriftlich festgehalten gesehen, aber ich habe mit vielen Menschen in Harvard und Stanford gesprochen - hat Felix Bloch, der etwas griesgrämig war, tatsächlich vermutet, dass die NMR-Technik für verdammt wenig zu gebrauchen war. Damit will ich sagen, dass er diese Technik für einen speziellen Zweck erfunden hat und keine anderen Anwendungen im Blick hatte. Ed Purcell war ein etwas geduldigerer und freundlicherer Mensch, glaube ich. Ich kannte Ed Purcell gut. Felix Bloch kannte ich überhaupt nicht. Als ich nach Stanford kam, war er bereits tot. Aber Ed Purcell hat tatsächlich vorgeschlagen, dass man die Kernspinresonanz nutzen könnte, um Magnetfelder zu kalibrieren. Nun, schauen wir einmal, was die Visionäre, die die NMR-Technik erfunden haben, nicht berücksichtigt hatten. Es hat tatsächlich nicht sehr lange gedauert, bis man sehr homogene Magnetfelder erzeugen konnte. Und bei Betrachtung der Protonen im organischen Lösungsmittel stellten sie fest, dass die Protonen nicht alle bei der gleichen Frequenz resonierten. Es gab Triplette und Quadrupel. Und diese Dinge waren typischerweise um mehrere Parts per Million verschoben. Und es wurde sehr schnell klar, dass diese Verschiebungen das Ergebnis der Molekülbindungslängen und Interaktionen zwischen den kernmagnetischen Momenten waren. Der nächste große Schritt wurde dann auch tatsächlich durch Richard Ernst vollzogen. Sie haben seinen Vortrag gehört und es widerstrebt mir sehr, über etwas zu sprechen, an dem ich nicht mitgewirkt habe. Aber das war eine spektakuläre Entwicklung in der NMR-Technik. Richard Ernst, der ja Schweizer ist, arbeitete mit verschiedenen Partnern in Palo Alto in der Nähe der Stanford University zusammen. Und er erfand die sogenannte P-NMR-Technik (Pulsed NMR), bei der ein sehr, sehr kurzer Impuls auf das Hochfrequenzfeld angewandt wird. Und tatsächlich wurden dadurch die Kernspins von jedem gewünschten Winkel aus gelenkt. Und dann wurde ein Prozess initiiert und man erhielt dann eine sehr präzise Verarbeitungsperiodizität. Das ist im Grundsatz das, was als zweidimensionale NMR bezeichnet wird. Und sie ermöglicht es wirklich, die Art dieser Bindungen festzustellen. Die Struktur lässt sich zwar nicht genauestens darstellen. Aber das war tatsächlich ein bemerkenswerter Fortschritt. Und deshalb erhielt Richard Ernst für seine Beiträge zur NMR-Technik einen Teil des Nobelpreises für Chemie 1991. Der erste Nobelpreis für die Entwicklung der NMR-Technik war im Bereich der Physik verliehen worden. Richard Ernst arbeitete dann in der Schweiz mit einem weiteren Kollegen zusammen, nämlich Klaus Wüthrich, der ebenfalls hier ist. Und Kurt Wüthrich teilte sich nicht den Nobelpreis mit Richard Ernst. Und ich weiß eigentlich nicht, ob ich das sagen sollte oder nicht. Aber ich stelle mir vor, dass er etwas unglücklich war, dass er den Nobelpreis nicht mit ihm teilte, weil die beiden sehr eng zusammengearbeitet hatten. Aber Kurt Wüthrich setzte dann seine Arbeit allein fort und entwickelte schließlich eine sehr komplexe Pulssequenz, die es jedem, der über die Apparatur verfügt, ermöglicht, selbst komplizierte Moleküle wie die hier dargestellten Proteine aufzuklären. Hier ist also Kurt Wüthrich bei der Entgegennahme seines Nobelpreises zu sehen. Die Nobelpreisverleihung an Richard Ernst erfolgte 1991. Das hier war also elf Jahre später. Kurt Wüthrich erhielt seinen eigenen Nobelpreis. Meine Frau mag das nicht, aber wenn man sehr genau hinschaut, sieht man sein Lächeln. Jeder würde in einem solchen Moment seines Lebens lächeln. Dann ging die Entwicklung der NMR-Technik weiter. Und letzten Endes hat man sich das Potenzial dieser Technik realisiert. Ich darf wohl sagen, dass ich als einer der Ersten einen Magnetfeldgradienten auf eine Probe anwandte, die ich mit NMR untersuchen wollte. Und dann wird jedes Kernspin, die Position jeden Kernspins durch die Frequenzverschiebung des angewandten Magnetfeldgradienten markiert. Das hier ist ein sehr gesundes menschliches Knie. Sie sehen den Innenmeniskus, der in sehr gutem Zustand ist. Leider besteht mein Knie heute aus Titan und deshalb kann man dort wahrscheinlich solche Messungen nicht vornehmen. Aber für die Entwicklung dieser MRI-Technik, so heißt sie, teilten sich Paul Lauterbur und Peter Mansfield 2003 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin und nicht für Physik oder Chemie. Erstaunlicherweise war dies bereits der vierte Nobelpreis, der für Entwicklungen der NMR-Technik verliehen wurde und in der dritten unterschiedlichen Disziplin, also in der Physik, in der Chemie und in der Physiologie oder Medizin - ein enorm bemerkenswertes und wertvolles Instrumentarium. Jetzt mache ich wirklich einen Schwenk und erzähle etwas über meine Entdeckung. Denn es geht bei meinem Vortrag hier nicht um eine spezielle Art der Physik, sondern um den Prozess von Entdeckungen. Um an meinem Lebensanfang zu beginnen, muss ich berichten, dass ich geboren wurde. Das ist natürlich nicht mein Stammbaum ... Mein Vater war Arzt, meine Mutter Krankenschwester. Sie gab aber ihren Beruf auf, um eine ungezogene Bande von fünf Kindern aufzuziehen. Ich war der Sohn Nummer 2 und sehr vielseitig interessiert. Ich glaube wirklich, dass sich ein entscheidender Wendepunkt in meinem Leben ereignete, als ich im Alter von fünf Jahren zu Weihnachten eine elektrische Eisenbahn geschenkt bekam. Bis zum Ende des ersten Weihnachtstages hatte ich die Lokomotive total auseinandergenommen, um den Elektromotor freizulegen. Hätten meine Eltern ob dieser Zerstörung mit mir geschimpft und mich ohne Essen ins Bett geschickt, würde ich wohl heute nicht diesen Vortrag hier halten. Wenn Sie mich also fragen, was mich am stärksten hinsichtlich meiner Art beeinflusst hat, über Wissenschaft zu denken, war es tatsächlich keiner der Lehrer am Caltech oder an der Cornell University. Es war dieser Mann hier, William Hawk, mein Chemielehrer.Eines Tages kam er in den Klassenraum. Er hatte einen 1-Liter-Milchkarton mitgebracht.Tatsächlich war es ein 1-Quart-Milchkarton.Und darin befand sich etwas. Und er sagte: "Forschung ist wie der Versuch herauszufinden, was sich im Innern des Milchkartons befindet. Dazu kann man verschiedene Experimente durchführen. Und immer, wenn man ein Experiment durchführt, stellt man eine Naturfrage. Die Natur muss unsere Fragen beantworten. Aber die Antworten der Natur sind etwas vage und schwer zu verstehen. Dann muss man also weitere Experimente durchführen, weitere Fragen stellen, um die eigene Interpretation der ersten Antworten der Natur einzuschränken." Und so denke ich auch heute noch darüber. Es ist grundsätzlich ein Prozess, bei dem man versucht, der Natur ein Schnäppchen zu schlagen, damit sie ihre Geheimnisse preisgibt. Und es ist - insbesondere spät in der Nacht - wirklich ein interessanter Aspekt, dass man mit der Natur spielt. Nach der Highschool wechselte ich als Student zum Caltech. Das war damals zu der Zeit, als Richard Feynman noch alle Studenten unterrichtete. Ich muss sagen, dass das für jemanden wie mich, der wirklich zutiefst an der Physik interessiert ist, eine phänomenale Zeit war. Und es ist bemerkenswert, dass ein so großartiger Physiker alle Studenten unterrichtete. Allerdings waren wir zu Beginn 192 Studienanfänger, aber nur 120 traten ihr zweites Jahr an. Und ich glaube sagen zu können, dass Richard Feynman damit etwas zu tun hatte. Fazit war also, dass nur 60% meines Studienjahrgangs im zweiten Jahr noch dabei war. Ich weiß also nicht, ob ich Richard Feynman danken sollte. Ich sollte es und ich habe es auch tatsächlich später gemacht, als ich einmal Gastgeber seines Besuches bei Bell Laboratories war. Egal, nach Abschluss des Caltech wechselte ich zur Cornell University, um zu promovieren. Und das hier ist ein Bild von der Cornell University, das wohl im Herbst entstanden ist. Damals gab es in diesem ersten Semester im Fachbereich Physik zwei Vorträge über neue Kältetechniken, die mir sehr vielversprechend erschienen, um die Natur eines neuen und sehr differenzierten Bereichs zu untersuchen. Das erste war der Helium-3/Helium-4 Mischungskryostat. Wenn man Helium-3, eine Mischung aus Helium-3 und Helium-4 herunterkühlt, entmischt sich das Helium-3 in die obere Region und man erhält eine Mischung von Helium-4 mit rund 6% Helium-3 darunter. Wenn man diesen Bereich nach oben pumpt, diffundieren tatsächlich mehr Helium-3-Atome durch diese Phasengrenzen hindurch. Und in dem Prozess besetzt jedes Atom ein größeres Volumen. Das bedeutet, dass es eine größere Entropie hat. Diese Entropie entsteht durch die Aufnahme von Wärme von außen. Das hier ist ein Bild meines Helium-3/Helium-4 Mischungskryostats, den ich im ersten Doktorandenjahr gebaut habe. Hier ist die Entropie von flüssigem Helium-3 dargestellt, die Linie dort. Und das hier ist festes Helium-3. Im festen Helium können die Kernspins entweder nach oben oder nach unten zeigen. Das ergibt R log 2, bis eine sehr tiefe Temperatur erreicht wird, wo man die Kernspinordnung sieht. Die latente Verfestigungswärme ist also negativ, was ziemlich merkwürdig ist. Und das war bereits von einem russischen Theoretiker, nämlich Isaak Pomeranchuk, vermutet worden. Und das hier ist im Grundsatz die von mir verwendete Technik, um die Temperaturen zu erreichen, bei denen flüssiges Helium-3 zu einem Suprafluid wird. Das ist ein Bild meiner Pomeranchuk-Zelle. Und das hier sind die ersten Daten. Der Streifenschreiber hat den Druckanstieg erfasst. Hier habe ich die Kapazitätsbrücke ausgeglichen. Der Druck steigt. Und dann trat diese sehr starke Abnahme in der Abkühlungsgeschwindigkeit auf. Ich war natürlich sehr beunruhigt und hoffte, dass dieses Phänomen verschwinden würde. Aber letztendlich war dies - und das realisierte ich mir dann - charakteristisch für einen Wärmekapazitätssprung im flüssigen Helium-3. Es war der Beginn der Supraleitfähigkeit im Helium-3. Hier können Sie diesen Übergang in der Abkühlung sehen. Und bei der Erwärmung war ein weiterer Übergang zu beobachten, ein Übergang zwischen suprafluiden Phasen. So hatte sich letztendlich herausgestellt, dass suprafluides Helium-3 ein sehr facettenreiches Untersuchungssystem ist. Zur Differenzierung der Flüssigkeit vom Feststoff erfand ich eine Vorform der MRI-Technik. Das war 1971/1972. Und ich weiß, dass Paul Lauterbur mein Papier dazu wirklich gelesen hat. Er war einer der wahren Architekten von MRI. Es ist irgendwie lustig, dass ich auch daran beteiligt war. Das hier ist ein Bild von einiger der Daten. Die großen Linien sind Feststoffe. Und das kleine Signal hier ist die Flüssigkeit. Das ist die Grundlinie. Und bei der Temperatur, die wir als B-Übergang bezeichnen, sank dieser winzige Punkt, den ich Ihnen gezeigt habe, das Flüssig-MMR-Signal, um einen Faktor von 2. So notierte ich in dieser Nacht um 2.40 Uhr in meinem Laborprotokoll: Ich lief dann durch das Kellergeschoss des Physikgebäudes, weil ich diese aufregenden Neuigkeiten mit jemandem teilen wollte. Leider war ich ganz allein im gesamten Physikgebäude. Deshalb rief ich um 2.00 Uhr morgens - vielleicht war es auch 2.40 Uhr oder ungefähr 3.00 Uhr - meinen Doktorvater Dave Lee an, der mich dann um 6.00 Uhr morgens zurückrief, weil er weitere Einzelheiten dazu erfahren wollte. Es ist irgendwie interessant, aber der Anruf aus Stockholm ging bei mir ungefähr genau zur gleichen Uhrzeit ein. Es war 2.30 Uhr morgens. Ich hab keine Aufzeichnungen dazu, aber tatsächlich lief das Telefonat ungefähr so ab: "Hallo, hallo. Ist dort Douglas Osheroff?" Ich antwortete: "Ja, es ist 2.30 Uhr morgens." Ich weiß nicht, ob jeder normale Mensch so geantwortet hätte. Natürlich wusste ich überhaupt nicht, worum es eigentlich ging. Hier hatten wir also, wie sich herausstellt, in der Tat die suprafluide Hochtemperaturphase entdeckt, die genau genommen eine enorme Frequenzverschiebung aufweist. Und hier habe ich die quadrierte Frequenz in der Flüssigkeit minus der quadrierten Frequenz im Festkörper dargestellt und alles kollabiert auf einer Linie. Und letztendlich erhielten wir 1996 den Nobelpreis. Hier sehen Sie meine Wenigkeit, meinen Doktorvater Dave Lee und Bob Richardson, die Person, die mich eigentlich ausgebildet hat. Tony Leggett war derjenige, der die Verschiebungen in den NMR-Frequenzen erklärte.Und so ... was ist das? Das ist 1996. Sieben Jahre später erhielt Tony Leggett seinen eigenen Nobelpreis, den er sich mit zwei russischen Physikern, nämlich Abrikosov und Ginzburg, teilte. Ich möchte Ihnen hier erneut dieses Bild meiner Apparatur zeigen und dort habe ich die Namen der beteiligten Menschen eingetragen. Und ich will sie nicht alle aufzählen und ihren Beitrag erwähnen. Aber ohne all diese Menschen hätte ich vermutlich wohl kaum diese Entdeckung machen können. So möchte ich meine Ausführungen mit der Aussage beenden, dass wissenschaftliche Fortschritte selten durch die Leistungen einzelner möglich werden. Sie resultieren vielmehr aus dem Fortschritt der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Durch das Stellen von Fragen, die Entwicklung neuer Techniken zur Beantwortung solcher Fragen und durch den Austausch von Ergebnissen und ihrer Interpretation mit anderen werden Fortschritte in der Wissenschaft möglich. Vielen Dank.

Douglas Osheroff (2012)

How Advances in Science are Made

Douglas Osheroff (2012)

How Advances in Science are Made

Abstract

How advances in science are made, and how they may come to benefit mankind at large are complex issues. The discoveries that most influence the way we think about nature seldom can be anticipated, and frequently the applications for new technologies developed to probe a specific characteristic of nature are also seldom clear, even to the inventors of these technologies. One thing is most clear: Seldom are such advances made by individuals alone. Rather, they result from the progress of the scientific community; asking questions, developing new technologies to answer those questions, and sharing their results and their ideas with others. However, there are indeed research strategies that can substantially increase the probability of one's making a discovery, and the speaker will illustrate some of these strategies in the context of a number of well known discoveries, including the work he did as a graduate student, for which he shared the Nobel Prize for Physics in 1996.

This is a very popular lecture. In it I describe how a number of discoveries were made, and how a few new technologies were developed and why. I spend quite a bit of time describing the development of NMR, as a specific example of how important new technologies often come from the world of basic research, and the developers of these technologies often haven't a clue as to what the ultimate value of their development will be. I also spend a bit of time talking about my discovery of superfluid 3He, as I know more about that discovery than any of the others.

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