Штарк (Stark), Иоганнес

Немецкий физик Иоганнес Штарк родился в Шикенхофе (Бавария) в семье землевладельца. Учился в средних школах Байрейта и Регенсбурга, а в 1894 г. поступил в Мюнхенский университет, в котором в 1897 г. защитил докторскую диссертацию под названием «Исследования о саже». Той же осенью Штарк становится ассистентом Ойгена Ломмеля в Мюнхене. В 1900 г. Штарк переходит в Геттингенский университет ассистентом к Эдуарду Рикке и одновременно становится приват-доцентом (внештатным лектором) того же университета. В Геттингене Штарк проводит следующие шесть лет и успевает зарекомендовать себя талантливым физиком-экспериментатором и «колючей» личностью. Основной его научный интерес в то время – поведение ионов в электрических полях. В 1904 г. он основывает журнал «Ежегодник радиоактивности и электроники» ("Jahrbuch der Radioaktivitat und Electronik"), который редактирует на протяжении девяти лет.

В 1905 г. Штарк наблюдает доплеровский сдвиг в канальных лучах. Канальные лучи представляют собой поток положительных ионов (заряженных атомов), ускоренно движущихся в вакууме к электроду и проходящих сквозь отверстия (каналы) в нем. Как обнаружил Вильгельм Вин, также ионы разгоняются до необычайно высоких скоростей; движение ионов оказывает влияние на наблюдаемые частоты испускаемого ими света. Частоты понижаются, когда ионы движутся от наблюдателя, и повышаются, когда ионы движутся к наблюдателю. Это изменение частоты, или доплеровский эффект, хорошо известно из спектров звезд (спектр представляет собой серию цветных линий, возникающих при разделении света на образующие его частоты, или длины волн). Но Штарк был первым, кому удалось наблюдать эффект Доплера в излучении от земного источника.

В начале своей научной деятельности Штарк с симпатией относился к теориям, порывавшим с идеями классической физики. Когда Альберт Эйнштейн в 1905 г. предложил специальную теорию относительности, Штарк был среди ее первых сторонников, а поскольку теория относительности описывает поведение движущихся тел, он предложил свои наблюдения доплеровского эффекта в подтверждение теории относительности. В 1907 г. он обращается к Эйнштейну с просьбой предоставить для публикации в "Jahrbuch der Radioaktivitat und Electronik" статью по теории относительности и всячески отстаивает идею Эйнштейна о корпускулярной природе света (при определенных условиях свет ведет себя как поток частиц – корпускул, или порций энергии – квантов), которая отвергалась вплоть до 20-х гг.

В 1906 г. Штарк оставляет Геттинген, чтобы занять пост профессора в Техническом университете Ганновера. Однако на новом месте его трудный характер приводит к осложнениям в отношениях с его начальником, который неоднократно пытался уволить Штарка. Эти сложные отношения удалось разрешить только в 1909 г., когда с помощью физика-теоретика Арнольда Зоммерфельда Штарк становится полным (действительным) профессором Технического университета в Ахене. Однако вскоре Штарк ссорится с Зоммерфельдом по поводу природы рентгеновского излучения, испускаемого электронами при торможении. Первый утверждал. что для объяснения характерных особенностей этого явления требуется квантовая теория, тогда как второй считал, что для адекватного описания явления достаточно классического электромагнетизма. Спор сторон, который велся на страницах научной печати, закончился тяжелой размолвкой, и никогда больше они не возобновляли дружеских отношений.

В 1896 г. нидерландский физик Питер Зееман обнаружил, что магнитное поле, приложенное к светящемуся газу, расщепляет каждую из его спектральных линий на три или более линии, расположенных почти вплотную друг к другу (эффект Зеемана). В 1913 г. Штарк, воспользовавшись и на этот раз канальными лучами, осуществляет аналогичное расщепление спектральных линий водорода во внешнем электрическом поле. Это явление, известное под названием эффекта Штарка, безуспешно пытались воспроизвести другие ученые. В рамках классической электромагнитной теории эффект Штарка был необъясним.

Но в начале 1913 г. Нильс Бор предлагает квантовую теорию атома водорода. Согласно этой теории, электроны занимают вполне определенные орбиты, каждая из которых соответствует вполне конкретному энергетическому уровню. В теории Бора спектральные линии водорода возникают при переходах электронов с одной орбиты на другую. Каждый переход сопровождается излучением определенной длины волны. Как показали в 1916 г. Зоммерфельд и Пауль Эйнштейн, наложенное извне электрическое поле изменяет электронные орбиты в атоме. При этом возникают различные энергетические уровни и те самые кратные спектральные линии, которые наблюдал Штарк. Таким образом, открытие Штарка подтвердило модель атома Бора и квантовую теорию в целом.

В 1919 г. Штарк был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытие эффекта Доплера в канальных лучах и расщепления спектральных линий в электрических полях». Выступая на церемонии презентации лауреата, А.Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, заявил: «Открытие... оказалось эффективным средством доказательства того, что частицы канальных лучей являются светящимися атомами, или атомными ионами. Дальнейшее исследование эффекта Доплера в спектрах канальных лучей, осуществленное главным образом Штарком и его учениками, привело к необычайно важным результатам не только относительно самих канальных лучей, но и относительно природы различных спектров, которые может испускать в различных обстоятельствах один и тот же химический элемент».

После открытия эффекта, носящего ныне его имя, научные и политические взгляды Штарка становятся все более реакционными. Несмотря на то что его собственные работы явились важным подтверждением модели атома Бора, Штарк так и не принял выводов Бора. В Нобелевской лекции он утверждал, будто модель Бора противоречит «самому духу физики». Энтузиазм, с которым он некогда относился к теории Эйнштейна, бесследно исчез, и, хотя и квантовая теория, и теория относительности получали все большее научное обоснование, он отвергал обе теории. Штарк неприязненно относился и к политическим взглядам Эйнштейна (в годы первой мировой войны Эйнштейн придерживался пацифистских взглядов), и к его научным трудам. В 1917 г. Штарк намеревался занять пост профессора физики в Геттингенском университете, но получил отказ и принял предложение стать профессором физики Грейфевальдского университета, преподаватели которого придерживались консервативных научных и политических взглядов.

С недоверием относясь к демократическому веймарскому правительству, послевоенной Германии и к берлинским физикам, игравшим главную роль в Германском физическом обществе, Штарк в 1920 г. предпринимает попытку организовать независимую физическую ассоциацию в надежде на то, что ассоциация сможет выступить в роли консультанта правительства. Из этой затеи ничего не вышло: не пользующаяся поддержкой физиков ассоциация не могла оказывать никакого влияния на веймарское правительство. В том же 1920 г. Штарк принимает кафедру физики Вюрцбургского университета, но ссора с коллегами вынуждает его через два года подать в отставку. В бытность свою в Вюрцбурге он становится владельцем фарфоровой фабрики. Этот его шаг многие физики сочли неэтичным, так как значительная часть капитала была заимствована им из Нобелевской премии.

После провала затеи с фарфоровой фабрикой Штарк предпринимает попытку вернуться к академической деятельности. Он выдвигает свою кандидатуру на вакантный пост директора Государственного физико-технического института в Берлине, но не проходит по конкурсу и следующие несколько лет проводит в вынужденной отставке в семейном поместье неподалеку от Траунштейна в Баварии. Штарк рассчитывал занять еще несколько академических постов, но всякий раз его кандидатуру отвергали, по-видимому, потому, что он нажил слишком много врагов. Одним из немногих оставшихся союзников Штарка был Филипп фон Ленард, ревностный противник того, что сам Ленард назвал «еврейской догматической физикой». Штарк становится одним из ведущих апологетов арийской физики (по разъяснению самого Ленарда, под этим термином он подразумевал физику, «отвергающую высокоабстрактные теории, развиваемые еврейскими физиками»). Своим главным врагом сторонники арийской физики считали Эйнштейна.

Как уроженец южной Германии, Штарк был знаком с нацистской партией и поддерживал Адольфа Гитлера с начала 20-х гг. Когда в 1933 г. нацисты пришли к власти и пост директора Государственного физико-технического института вновь стал вакантным, партийные связи Штарка обеспечили ему этот пост. В качестве директора института он вынашивал амбициозные планы реорганизации всей немецкой науки. Штарк принял на себя и президентство в Германской исследовательской ассоциации. Однако из-за горячности, с которой он нападал на всех ученых (не обязательно евреев), осмеливавшихся выступать в защиту современной физики, в том числе на Зоммерфельда, Макса фон Лауэ и Вернера Гейзенберга, которых он называл «белыми евреями в науке», влияние его среди немецких физиков было невелико. Кроме того, Штарк нажил себе врагов в имперском министерстве образования, под эгидой которого действовала исследовательская ассоциация. Ни одному из его планов не суждено было сбыться, и в конце концов Штарк впал в немилость у нацистского идеолога Альфреда Розенберга. В 1936 г. после провала схемы добычи золота, которую он поддерживал, Штарк был вынужден подать в отставку. Однако вплоть до 1939 г. он продолжал оставаться на посту директора Государственного физико-технического института.

После 1939 г. Штарк уходит на покой и живет в своем имении, где строит для себя частную лабораторию. Последняя его попытка заняться самостоятельной научной деятельностью – предполагаемое открытие изгибания луча света в неоднородном электрическом поле – окончилась провалом. Штарк был женат на Луизе Юплер. От этого брака родилось пятеро детей. На досуге Штарк любил заниматься лесоводством и садоводством. Он умер 21 июня 1957 г.

Кроме Нобелевской премии, Штарк был удостоен премии Баумгартнера Венской академии наук, премии Фальбруха Геттингенской академии наук и золотой медали Маттеуччи Итальянской национальной академии наук. Он состоял членом академии наук Геттингена, Рима, Лейдена, Вены и Калькутты.