Отто Штерн

Отто Штерн (нем. Otto Stern; 17 февраля 1888, Зорау, Германская империя — 17 августа 1969, Беркли, Калифорния, США) — немецкий и американский физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии по физике 1943 года «за вклад в развитие молекулярно-лучевого метода и открытие магнитного момента протона». Один из основоположников экспериментальной атомной и ядерной физики, автор фундаментальных работ по молекулярным пучкам, дифракции частиц, квантовой теории и магнитным свойствам атомных ядер.

Биография

Ранние годы и образование

Отто Штерн родился 17 февраля 1888 года в городе Зорау (ныне Жары, Польша) в состоятельной еврейской семье. Его отец, Оскар Штерн, владел мельницей и зерноторговым предприятием. Мать, Эмма Штерн (урождённая Франк), происходила из семьи коммерсантов. Детство Отто прошло в Бреслау (ныне Вроцлав), куда семья переехала вскоре после его рождения.

В 1906 году Штерн поступил в Университет Фрайбурга, где изучал физическую химию. Затем продолжил обучение в Мюнхенском университете под руководством Арнольда Зоммерфельда, а в 1912 году получил докторскую степень в Университете Бреслау за диссертацию по кинетической теории газов. После защиты работал ассистентом у Альберта Эйнштейна в Цюрихском политехникуме (1912–1913), а затем — у Макса Борна в Гёттингенском университете (1913–1914).

Научная карьера в Европе

С началом Первой мировой войны Штерн был призван в германскую армию, где служил в метеорологической службе. После войны, в 1919 году, он стал ассистентом Макса фон Лауэ в Институте физики кайзера Вильгельма в Берлине. В 1921 году Штерн получил должность экстраординарного профессора теоретической физики в Университете Ростока, а в 1923 году — профессора физической химии в Гамбургском университете. Именно в Гамбурге он создал свою знаменитую экспериментальную лабораторию, где в 1920-е годы были выполнены ключевые работы по молекулярным пучкам.

В 1933 году, после прихода к власти нацистов, Штерн, будучи евреем, был вынужден покинуть Германию. Он эмигрировал в США, где получил должность профессора физики в Технологическом институте Карнеги (ныне Университет Карнеги — Меллон) в Питтсбурге. В 1939 году он перешёл в Калифорнийский университет в Беркли, где работал до выхода на пенсию в 1945 году.

Последние годы

После выхода на пенсию Штерн продолжал заниматься научной деятельностью, консультировал исследовательские группы и участвовал в научных дискуссиях. Он скончался 17 августа 1969 года в Беркли в возрасте 81 года.

Научные достижения

Молекулярно-лучевой метод

Основным вкладом Штерна в экспериментальную физику стала разработка и совершенствование метода молекулярных (атомных) пучков. Этот метод заключается в создании коллимированного пучка нейтральных атомов или молекул, движущихся в вакууме, и последующем изучении их взаимодействия с внешними полями. Штерн впервые применил этот подход для измерения магнитных моментов атомов, что позволило экспериментально проверить предсказания квантовой теории.

Опыт Штерна — Герлаха

В 1922 году совместно с Вальтером Герлахом Штерн поставил эксперимент, ставший классическим в квантовой механике. В опыте пучок атомов серебра пропускался через неоднородное магнитное поле. Согласно классической физике, магнитные моменты атомов должны были бы ориентироваться произвольно, что привело бы к размытию пятна на экране. Однако эксперимент показал расщепление пучка на два дискретных компонента, что доказало пространственное квантование магнитного момента — фундаментальное свойство квантовых систем. Этот результат стал одним из ключевых подтверждений квантовой теории и привёл к открытию спина электрона.

Магнитный момент протона

В 1933 году Штерн совместно с Иммануилом Эстерманом и Отто Фришем измерил магнитный момент протона. Ожидалось, что он равен одному ядерному магнетону, однако эксперимент показал аномально большое значение — примерно в 2,5 раза превышающее предсказание. Это открытие указало на сложную внутреннюю структуру протона и стало важным шагом к созданию современной теории сильных взаимодействий. За эту работу Штерн был удостоен Нобелевской премии по физике 1943 года (вручена в 1944 году).

Дифракция атомов и молекул

В 1929–1930 годах Штерн и его сотрудники (в частности, Иммануил Эстерман) экспериментально наблюдали дифракцию атомов гелия и водорода на кристаллических поверхностях. Это явление, предсказанное квантовой механикой, подтвердило волновую природу материи не только для электронов, но и для более тяжёлых частиц. Работы Штерна в этой области заложили основы атомной оптики и дифракции нейтральных частиц.

Другие работы

Штерн внёс вклад в теорию теплопроводности газов, исследовал эффект Зеемана в молекулярных пучках, изучал рассеяние атомов и молекул, а также разработал методы измерения скоростей атомов. Он также участвовал в ранних экспериментах по обнаружению нейтрона, хотя приоритет в этом открытии принадлежит Джеймсу Чедвику.

Признание и награды

• Нобелевская премия по физике (1943) — «за вклад в развитие молекулярно-лучевого метода и открытие магнитного момента протона».
• Член Национальной академии наук США (1945).
• Член Американской академии искусств и наук (1946).
• Член-корреспондент Гёттингенской академии наук (1928).
• Иностранный член Королевской академии наук и искусств Нидерландов (1950).

В честь учёного назван кратер на Луне (Штерн) и лаборатория молекулярных пучков в Гамбургском университете.

Критика и наследие

Работы Штерна не подвергались серьёзной научной критике, однако его метод молекулярных пучков первоначально не получил широкого признания из-за сложности экспериментальной техники. Лишь в 1950-е годы, с развитием вакуумной технологии, метод стал широко использоваться в физике атомных столкновений, спектроскопии и квантовой метрологии. В настоящее время метод молекулярных пучков применяется в атомных часах, лазерном охлаждении, квантовых вычислениях и прецизионных измерениях физических констант.

Штерн считается одним из величайших экспериментаторов XX века. Его работы заложили основы для понимания магнитных свойств атомных ядер и стимулировали развитие квантовой электродинамики и физики элементарных частиц. Опыт Штерна — Герлаха остаётся одним из самых наглядных демонстраций квантового поведения и входит в стандартные учебные курсы физики.

Интересные факты

• Штерн был известен своим скептическим отношением к теоретическим построениям, не имеющим экспериментального подтверждения. Он часто говорил: «Если вы не можете это измерить, это не физика».
• В 1933 году, покидая Германию, Штерн оставил всё своё имущество и лабораторное оборудование. В США он начал карьеру практически с нуля.
• Нобелевская премия была присуждена Штерну в 1943 году, но вручение состоялось только в 1944 году из-за Второй мировой войны. Сам Штерн не присутствовал на церемонии — премию за него получил шведский консул в Нью-Йорке.
• Штерн никогда не был женат и не имел детей. Он вёл замкнутый образ жизни, полностью посвящая себя науке.

Источники

• Nobel Lectures, Physics 1942–1962, Elsevier Publishing Company, 1964.
• Otto Stern: A Biographical Memoir by I. I. Rabi, National Academy of Sciences, 1974.
• Friedrich Hund, Geschichte der physikalischen Begriffe, Spektrum Akademischer Verlag, 1996.
• John S. Rigden, «Otto Stern and the Discovery of the Proton’s Magnetic Moment», Physics Today, 1986.
• Архив Нобелевского комитета по физике.