Нобелевские лауреаты: Отто Штерн

Как создатель химического оружия порекомендовал молодого физика Эйнштейну, кто поспособствовал тому, что из теоретика получился блестящий экспериментатор, и как можно грубыми средствами воочию увидеть квантовые эффекты, рассказывает рубрика «Как получить Нобелевку». Отто Штерн Родился 17 февраля 1888 года, Зорау, Королевство Пруссия, Германская империя Умер 17 августа 1969 года, Беркли, Калифорния, США Нобелевская премия по физике 1943 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За вклад в развитие метода молекулярных пучков и за открытие магнитного момента протона (for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton)». За нобелевского лауреата по физике 1943 года мы должны сказать спасибо Жорам. Не тем Жорам, который «он же Гоша, он же Гога, он же Георгий», а городу Жоры (иногда пишут Зори, но все же – Żory), который расположен ныне в Силезском воеводстве Польши. Впрочем, на момент 17 февраля 1888 года город Жоры (Зорау) входил в Германскую империю. Как и Бреслау (ныне польский Вроцлав), в котором Отто Штерн потом учился. Отто был старшим из пяти детей в семье, которую создали Оскар Штерн и Евгения Розенталь. Обе семьи, из которых происходили родители нобелевского лауреата, не были бедными: они «держали» мельницы и торговлю зерном. Именно поэтому детство, отрочество и юность Штерна были безоблачными: в четыре года семья переехала в Бреслау, папа с мамой всячески поощряли развитие сына. Он учится в хороших школах, потом переезжает из университета в университет, не заботясь о том, что нужно зарабатывать деньги. Фрейбург, Мюнхен, снова Бреслау. Именно в Университете Бреслау Штерн защитит свою докторскую диссертацию по физической химии. Уже тогда стало понятно, что Отто Штерн станет талантливым и, что важно, самостоятельным ученым. Правда, тогда еще было непонятно, каким. Физиком? Химиком? Теоретиком? Экспериментатором? Он слушал Арндольда Зоммерфельда, Отто Луммера, Эрнста Прингсхейма, Отто Сакура… Последний стал его научным руководителем в докторской (фактически – выпускной) работе, которая была защищена в 1912 году, и сыграл важнейшую роль в дальнейшем становлении Штерна в науке. Дело было так: Сакур был другом будущего нобелевского лауреата по химии 1918 года Фрица Габера (помимо всего прочего, создателя химического оружия). Габер был другом еще одного будущего нобелиата, получившего свою премию в 1921 году, – Альберта Эйнштейна (помимо всего прочего, одного из создателей атомной бомбы). Сакур попросил Габера, Габер попросил Эйнштейна взять Штерна в свои сотрудники. В 1912 году Штерн едет к Эйнштейну в Прагу, затем они вместе едут в Цюрих, выпустив совместную статью. Правда, поработать с величайшим физиком удалось всего два года: начавшая в 1914 году Первая мировая перекроила карьеры почти всех великих физиков того времени. Штерна призвали в германскую армию. Впрочем, воевать на передовой физику не пришлось: его послали в Польшу в составе метеорологического отряда, наблюдать за погодой. Поэтому одним глазом наш герой наблюдал за барометром и термометром, а другим смотрел в письма Вальтера Нернста (создателя огнемета), с котором продолжал начатую теоретическую работу по физической химии. А после Нернст и вовсе «выдернул» товарища к себе в Берлин. Штерн продолжил работать на военное ведомство, однако уже в столице Германской империи – далеко от выстрелов и разрывов снарядов. Здесь, помимо Нернста, Штерну довелось поработать с еще двумя будущими нобелевскими лауреатами: Джеймсом Франком (еще одного создателя атомной бомбы), и Максом Борном (одного из создателей Пагуошского движения за разоружение). Эти два великих ученых тоже сильно повлияли на его карьеру. По сути, Франк сделал из Штерна-теоретика (неплохого) Штерна-экспериментатора (великого). А Борн просто дал ему работу и независимость. Став директором Института теоретической физики Франкфуртского университета, Борн пригласил Штерна стать его ассистентом. Первая работа Борна и Штерна была посвящена поверхностной энергии твердых тел. Однако затем Штерн решил взяться за крупные формы и экспериментально подтвердить молекулярно-кинетическую теорию. А именно – распределение скоростей молекул газов. Так появился классический опыт Штерна. В 1920 году Штерн взял два цилиндра разного радиуса с совпадающей осью. Вокруг цилиндров был откачан воздух, а ось представляла собой платиновую проволоку, покрытую слоем серебра. Через проволоку пропускали ток, серебро начинало испаряться. Во внутреннем цилиндре прорезали щель, которая становилась источником равномерного потока пучков атомов. Поскольку внешний цилиндр охлаждался, то, попадая на него, атомы серебра оседали, образуя темную и четкую узкую полоску. А затем оба цилиндра начинали вращать. Достаточно быстро. В результате происходило две вещи: во-первых, полоса налета смещалась в сторону, противоположную вращению. Это неудивительно: пока атомы серебра летели от цилиндра к цилиндру, большой цилиндр успевал сместиться. Штерн легко рассчитал среднюю скорость полета атомов – 584 метра в секунду, что совпадало с предсказанием теории. А вот дальше получалось интересно: полоса не только смещалась, но и размывалась. Это означало, что скорости атомов неодинаковы и имеют некоторое распределение – какие-то быстрее, какие-то медленнее средней скорости. Изящный эксперимент подтвердил правоту Джеймса Клерка Максвелла. Штерн понял, что весьма грубыми средствами можно наблюдать достаточно тонкие свойства материи. И вместе с коллегой Вальтером Герлахом провел еще более изящный эксперимент, который наглядно показал пространственное квантование магнитных моментов атомов. То, что у атомов должен быть свой собственный магнитный момент, было понятно: в них постоянно движутся электроны. Однако было непонятно, может ли у атомов быть какое угодно направление магнитного момента или нет? Снова в дело вступили молекулярные пучки. И снова атомов серебра. Эксперимент Штерна-Герлаха выглядел так: пучок атомов серебра проходил через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом. Это поле вызывало отклонение атомов. Классическая теория предсказывала, что отклонение атомов с различными направлениями магнитного момента будет распределено непрерывно, что приведет просто к расширению узкого пучка. Квантовая теория предсказывала, что атомы будут отклоняться только одним из двух способов, то есть пучок расщепится на два. Так и вышло у Штерна и Герлаха. То есть опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов. Любопытный факт: в 1921 году, фактически, немецкие ученые открыли то, что предскажет в 1924 году Вольфганг Паули: собственный квантовый момент импульса электрона (или двухвариантная квантовая степень свободы – по определению самого Паули). Или спин. Именно за эти эксперименты Штерн и был удостоен Нобелевской премии по физике 1943 года. Правда, к тому времени он уже бежал из Германии. Причины были понятны – его хоть и не уволили за еврейское происхождение из Франкфуртского университета, в знак уважения к службе в германской армии в Первую мировую, однако уволили всех его коллег. Штерн уволился сам, и, пока не стало поздно, уехал в США, став профессором Технологического университета Карнеги, а к 1939 году и американским гражданином. Саму премию Штерну присудили в 1944 году, вместе с Исидором Раби, который получил премию за 1944 год, а представление лауреатов, которое сделал 9 ноября 1944 года профессор Эрик Хултен, пришлось делать по радио. Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще. Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.