Штерн (Stern), Отто

Немецко-американский физик Отто Штерн родился в Сорау (ныне Зори, Польша) и был старшим из пяти детей Оскара Штерна и Евгении Штерн (в девичестве Розенталь). Родители Штерна происходили из богатых семей, составивших состояния на мукомольном деле и торговле зерном. Когда мальчику исполнилось четыре года, семья переехала в Бреслау (Вроцлав). Там же, в Бреслау, Отто оканчивает государственную начальную и среднюю школу. Мальчик учится легко, жадно усваивая знания, родители всячески поощряют его к чтению. По окончании школы Штерн, будучи финансово независимым благодаря состоянию его родителей, проводит несколько лет, изучая естественные науки под руководством преподавателей из Фрейбургского, Мюнхенского и других университетов. Докторскую диссертацию по физической химии Штерн защищает в 1912 г. в университете Бреслау.

Еще в годы учебы Штерн устанавливает контакты с отдельными ведущими физиками и химиками того времени. Лекции Арнольда Зоммерфельда обостряют его интерес к теоретической физике, а лекции Отто Луммера и Эрнста Прингсхейма – к физике экспериментальной. Однако чтение работ Людвига Больцмана, Рудольфа Клаузиуса и Вальтера Нернста по молекулярной теории, статистической механике и термодинамике производит на него столь сильное впечатление, что он избирает для своих исследований область физической химии, тем более что любимые профессора физико-химического факультета университета Бреслау, Отто Сакур и другие, вели активные исследования именно в этой области.

Пользуясь связью Сакура с Фрицем Габером, другом Альберта Эйнштейна, Штерн в 1912 г. заручается согласием последнего стать руководителем его аспирантской работы в Пражском университете. От Эйнштейна он узнает немало нового о последних событиях в физике, и они вместе пишут статью. Когда Эйнштейн на следующий год переезжает в Цюрих, Штерн следует за ним. Работая с Эйнштейном, он становится приват-доцентом (внештатным лектором) федерального училища в Цюрихе. С началом первой мировой войны Штерна призывают в германскую армию и посылают в Польшу в составе метеорологического отряда, занимавшегося наблюдениями за погодой. Необременительные обязанности позволяют ему продолжать теоретические исследования, в частности работу, начатую совместно с Нернстом. Он применяет квантовую теорию и статистическую механику к проблемам термодинамики и даже публикует статью. Позднее во время войны Штерн и ряд других ученых были переведены в лабораторию Нернста в Берлинском университете, где выполняли различные исследования по поручению военного министерства. В Берлине Штерн работает с Максом Борном, Джеймсом Франком, Максом Фольмером и другими. Под влиянием бесед с искусными экспериментаторами Франком и Фольмером интересы Штерна перемещаются из области теоретических исследований с сферу эксперимента.

После войны Борн становится директором Института теоретической физики Франкфуртского университета и приглашает Штерна на должность своего ассистента. Штерн публикует вместе с Борном теоретическую работу о поверхностной энергии твердых тел, но вскоре его захватывает проблема экспериментального подтверждения теории молекулярного движения, развитой еще в середине XIX в. Известный шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, исходя из теоретических соображений, показал, что молекулы газа находятся в непрерывном хаотическом движении, и вывел форму для распределения их скоростей. Результаты Максвелла получили всеобщее признание, но не были непосредственно подтверждены экспериментально. Штерн решает воспользоваться методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе в 1911 г.

Спроектированная Штерном экспериментальная установка состояла из небольшой печи, испарявшей атомы серебра из металлического образца (молекулы паров серебра содержат лишь по одному атому), щели, через которую атомы, двигавшиеся в направлении разреза, попадали в вакуумную камеру, и еще одной щели, расположенной дальше от выходного отверстия печи в створе с первой щелью и позволявшей еще более диафрагмировать поток атомов, вырезав из него тонкий пучок. Расположив в створе две щели, отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, Штерн тем самым создал условия, при которых атомы, прошедшие через обе щели, имели одно и то же направление скорости, а разреженность газа в вакуумной камере уменьшала вероятность столкновений, а тем самым отклонение атомов и рассеяние пучка. Скорости атомов, прошедших сквозь вторую щель, и количество атомов, имевших ту или иную скорость, измерялись различными способами. Один из методов, хотя и не самый точный, состоял в том, чтобы поместить на пути пучка зубчатые колеса. При вращении колес атомы, успевшие проскочить между зубцами первого колеса, могли пройти между зубцами второго колеса только в том случае, если зазор между этими зубцами оказывался на линии их полета. Зная ширину зазора, скорость вращения и расстояние между колесами, Штерн мог вычислить скорость атомов, проходящих между ними. Измерения, завершенные в 1920 г. (и уточненные в последующие годы), подтвердили теоретические предсказания.

Метод Штерна оказался мощным средством наблюдения невидимых частиц с помощью сравнительно грубых лабораторных приборов, но требовал искуснейшего мастерства от экспериментатора. Он обратился к своему коллеге по Франкфурту Вальтеру Герлаху с просьбой помочь исследовать с помощью того же метода магнитные моменты атомов. Поскольку атомы содержат движущиеся электрически заряженные частицы, а движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток, то атомы ведут себя как крохотные магниты (как ток в катушке, создающей магнитное поле в электромагните). Магнитный момент определяет интенсивность и направление магнитного поля. Классическая физика считает, что магнитный момент может иметь любое направление. Зоммерфельд, исходя из квантовой теории, предсказал, что магнитный момент может иметь относительно внешнего поля только два направления: совпадать с направлением внешнего поля или быть направленным в противоположную сторону. В известном ныне эксперименте Штерна – Герлаха молекулярный пучок проходит между полюсами неоднородного магнита, который вызывал отклонение пучка. 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, т.е. пучок расщепится на два. Опыт Штерна – Герлаха, выполненный в 1921 г., со всей определенностью подтвердил справедливость квантовой теории.

В 1921 г. Штерн назначается профессором физики Ростокского университета, а в 1923 г. становится полным (действительным) профессором Гамбургского университета. В Гамбурге, имея в своем распоряжении лабораторию, специально построенную для исследований методом молекулярных пучков, он использует этот метод для проверки предсказания, сделанного Луи де Бройлем в 1924 г. И квантовая теория, и эксперимент показали, что электромагнитное излучение, например свет, обладает как корпускулярными (кванты), так и волновыми свойствами. Несмотря на скептицизм многих физиков, де Бройль, предположив, что частицы должны обладать волновыми свойствами, высказался еще более радикально, указав соответствующие им длины волн. В 1927 г. Клинтон Дж. Дэвиссон и Лестер Джермер экспериментально доказали (отчасти случайно) существование волн де Бройля для электрона. За их экспериментом последовали подкрепляющие его опыты Дж.П. Томсона. Несколькими годами позже Штерн направляет пучок атомов гелия через зубчатые колеса (чтобы измерить скорость частиц, от которой зависит длина волны де Бройля) на поверхность кристалла фторида лития и наблюдает дифракцию – волновое явление. Зная расстояние между атомами в кристалле, он определяет длину волны для частиц гелия. Она согласуется с формулой де Бройля. Доказательство существования волновых свойств столь крупных частиц, как атомы, представляется еще более убедительным, чем в случае электронов, и опыт Штерна сыграл важную роль в дальнейшем развитии квантовой механики. В последующие годы Штерн вместе с Иммануэлем Эстерманом и О.Р. Фришем измеряют магнитный момент протона (ядра атома водорода) и, к своему удивлению (и удивлению всех физиков), обнаруживают, что он вдвое больше предсказанного П.А.М. Дираком.

Вскоре после того, как Гитлер становится канцлером Германии в 1933 г., Эстермана и других ученых-евреев увольняют из Франкфуртского университета на основании нацистских антисемитских законов о гражданских правах. Хотя Штерн был евреем, его на какое-то время защищает от расистских законов служба в германской армии во время первой мировой войны. Однако в знак протеста он подает в отставку и вместе с Эстерманом принимает приглашение физического факультета Технологического института Карнеги. Там, занимая должность профессора-исследователя, он помогает создать лабораторию молекулярных пучков. В 1939 г. Штерн получает американское гражданство и, когда Соединенные Штаты вступают во вторую мировую войну, служит консультантом министерства обороны США.

В 1943 г. Нобелевская премия не присуждалась, но на следующий год Штерн был удостоен Нобелевской премии по физике 1943 г. «за вклад в развитие метода молекулярных пучков и открытие и измерение магнитного момента протона». Из-за условий военного времени обычная церемония вручения премии не проводилась, и премия была передана Штерну во время завтрака, организованного Американо-скандинавским фондом в отеле Уол-Дорф-Астория в Нью-Йорке. Нобелевскую лекцию «Метод молекулярных пучков», Штерн прочитал только в 1946 г.

После ухода из Технологического института Карнеги в 1946 г. Штерн переезжает в Беркли (штат Калифорния), где поселились две его сестры. Продолжая поддерживать контакты с физическим сообществом и следить за развитием событий в физике элементарных частиц, он живет в относительной изоляции. Регулярно нанося визиты в Европу, Штерн отказывается ступить на землю Германии и получать пенсию от германского правительства.

В последние годы жизни Штерн, никогда не вступавший в брак, обретает вкус к изысканному столу и сигарам. Он охотно ходит в кино. Смерть от сердечного приступа настигает его в одном из кинотеатров Беркли. По словам Эмилио Сегре, «Штерн был одним из величайших физиков XX в. Он написал сравнительно мало статей, но зато какую силу имеют те, которые он написал!». Член американской Национальной академии наук и Американского философского общества, Штерн был почетным доктором Калифорнийского университета и Швейцарского федерального технологического института.