Нобелови лауреати – 1943 година

Ото Щерн (Otto Stern)

17 февруари 1888 г. – 17 август 1969 г.

Нобелова награда за физика

(За приноса му в развитието на метода на молекулярните лъчи и откритието и измерването на магнитния момент на протона.)

Немско-американският физик Ото Щерн е роден в Зорау (днес Жари, Полша) и е най-голямото от петте деца на Оскар Щерн и Евгения (Розентал) Щерн. Родителите на Щерн произлизат от богати семейства, чието състояние се дължи на мелничарство и на търговия със зърно. Когато момчето става на четири години, семейството се премества в Бреслау (днес Вроцлав, Полша). Там, в Бреслау, Ото завършва държавното начално и средно училище. Момчето учи без затруднения, усвоява жадно знанията, родителите му го поощряват по всякакъв начин да чете. След завършването на училището Щерн, който е независим финансово благодарение на състоянието на родителите си, прекарва няколко години, като изучава естествени науки под ръководството на преподаватели от Фрайбургския, Мюнхенския и други университети. Докторска дисертация Щерн защитава през 1912 година в университета в Бреслау.

Още по време на учението си Щерн се свързва с отделни водещи физици и химици по това време. Лекциите на Арнолд Зомерфелд засилват интереса му към теоретичната физики, а лекциите на Ото Лумер и Ернст Прингсхейм - към експерименталната физика. Но запознаването с изследванията на Лудвиг Болцман, Рудолф Клаузиус и Валтер Нернст в областта на молекулярната теория, статистическата механика и термодинамиката му правят толкова силно впечатление, че избира за своите изследвания физическата химия, още повече че любимите му професори от физико-химическия факултет в университета в Бреслау, Ото Сакур и други, се занимават с активна изследователска дейност именно в тази област.

Като използва връзката на Сакур с Фриц Хабер, приятел на Алберт Айнщайн, Щерн получава през 1912 г. неговото съгласие да стане ръководител на аспирантската му работа в Пражкия университет. От Айнщайн той научава не малко нови неща за последните събития във физиката и заедно пишат статия. Когато на следващата година Айнщайн се мести в Цюрих, Щерн отива също там. Работейки с Айнщайн, той става приват-доцент (нещатен лектор) във федералното училище в Цюрих. В началото на Първата световна война Щерн е призован в германската армия и е изпратен в Полша в състава на метеорологичен отряд, занимаващ се с наблюдения на времето. Необременителните задължения му позволяват да продължи теоретическите си изследвания, по-специално работата, започната заедно с Нернст. Той прилага квантовата теория и статистическата механика към проблемите на термодинамиката и даже публикува статия. По-късно по време на войната Щерн и редица други учени са преместени в лабораторията на Нернст в Берлинския университет, където се занимават с различни изследвания по поръчение на военното министерство. В Берлин Щерн работи с Макс Борн, Джеймс Франк, Макс Фолмер и други. Под влиянието на разговорите с изкусните експериментатори Франк и Фолмер интересите на Щерн се преместват от областта на теоретичните изследвания в сферата на експериментите.

След войната Борн става директор на Института за теоретична физика към Франкфуртския университет и кани Щерн за свой асистент. Заедно с Борн той публикува теоретична разработка за повърхностната енергия на твърдите тела, но скоро го завладява проблемът за експерименталното потвърждение на теорията за движението на молекулите, развита още в средата на XIX век. Известният шотландски физик Джеймс Кларк Максуел, опирайки се на теоретични съображения, доказва, че молекулите на газа се намират в непрекъснато хаотично движение и извежда формула за разпределението на техните скорости. Резултатите на Максуел получават всеобщо признание, но не са потвърдени експериментално. Щерн решава да използва метода на молекулярните лъчи, изнамерени от френския физик Луи Дюнойе през 1911 г.

Проектираната от Щерн експериментална установка се състои от малка пещ, изпаряваща сребърни атоми от метален образец (молекулите на сребърните пари съдържат само по един атом), процеп, през който атомите попадат във вакуумна камера и още един процеп, разположен по-далече от изходното отверстие на печката на една линия с първото отверстие и позволяващо още повече да се диафрагмира потока от атоми, като се изреже от него тънък лъч. Като поставя на една линия два процепа, намиращи се един от друг на известно разстояние, Щерн създава условия, при които атомите, преминали през двата процепа, имат едно и също направление на скоростта, а разредеността на газа във вакуумната камера намалява вероятността от сблъсъци, съответно от отклоняване на атомите и от разсейване на лъча. Скоростта на атомите, преминали през втория процеп, и количеството на атомите, имащи една или друга скорост, се измерва по различни начини. Един от методите, макар и не най-точния, се състои в това да се поставят на пътя на лъча зъбчати колелета. При въртенето на колелетата атомите, които успяват да преминат през зъбците на първото колело, могат да преминат през зъбците на второто колело само тогава, когато отворът между зъбците се окаже на линията на тяхното движение. Като знае ширината на отвора, скоростта на въртене и разстоянието между колелата, Щерн успява да изчисли скоростта на атомите, преминаващи между тях. Измеренията, завършени през 1920 г. (и доуточнени през следващите години) потвърждават теоретичните предсказания.

Методът на Щерн се оказва значително средство за наблюдение на невидимите частици с помощта на сравнително груби лабораторни прибори, но изисква изкусно майсторство от експериментатора. Щерн се обръща към своя колега във Франкфурт Валтер Герлах с молба да му помогне да изследва с помощта на същия метод магнитните моменти на атомите. Понеже атомите съдържат движещи се електрически заредени частици, а движението на заредените частици е електрически ток, атомите имат поведение на миниатюрни магнити (както е с тока в бобината, който създава магнитно поле в електромагнита). Магнитният момент определя интензивността и посоката на магнитното поле. Класическата физика смята, че магнитният момент може да има всякаква посока. Зомерфелд, опирайки се на квантовата теория, предсказва, че магнитният момент може да има по отношение на външното поле само две посоки: да съвпада с посоката на външното поле или да бъде насочен в противоположно направление. В известния днес експеримент на Щерн-Герлах молекулярният лъч преминава между полюсите на нееднороден магнит, който отклонява лъча. Класическата теория предсказва, че отклонението на атомите с различни посоки на магнитния момент ще бъде разпределяно непрекъснато, което просто ще доведе до разширение на тесния лъч. А квантовата теория предсказва, че атомите ще се отклоняват само по единия от двата начина, иначе казано - лъчът ще се разцепи на два. Опитът на Щерн-Герлах, осъществен през 1921 г., съвсем определено потвърждава справедливостта на квантовата теория.

През 1921 г. Щерн е назначен за професор по физика в Ростокския университет, а през 1923 г. става пълен (действителен) професор в Хамбургския университет. В Хамбург, където има лаборатория, специално построена за изследвания по метода на молекулярните лъчи, той използва този метод, за да потвърди предвиждането, направено от Луи дьо Бройл през 1924 г. И квантовата теория, и експериментът доказват, че електромагнитното излъчване, например светлината, има както корпускулярни (квантови), така и вълнови свойства. Въпреки скептицизма на много физици, дьо Бройл, като предполага, че частиците трябва да имат вълнови свойства, се изказва още по-радикално, като посочва съответстваща им дължина на вълната. През 1927 г.Клинтън Дж. Дейвисън и Лестър Джърмър доказват експериментално (отчасти случайно) съществуването на вълните на дьо Бройл при електроните. След техния експеримент следват подкрепящите го опити на Дж. П. Томсън. Няколко години по-късно Щерн насочва лъч хелиеви атоми през зъбчати колелета (за да измери скоростта на частиците, от които зависи дължината на вълната на дьо Бройл) към повърхността на кристал литиев флуорид и наблюдава дифракция - вълново явление. Като знае разстоянието между атомите в кристала, той определя дължината на вълната за частиците на хелия. Тя се съгласува с формулата на дьо Бройл. Доказателството за съществуване на вълнови свойства за големи частици като атомите изглежда още по-убедително от доказателството за електроните и опитът на Щерн изиграва важна роля за по-нататъшното развитие на квантовата механика. В следващите години Щерн заедно с Имануел Естерман и О. Р. Фриш измерва магнитния момент на протона (ядрото на атом водород) и за свое учудване (и учудването на всички физици) открива, че е двойно по-голям от предвиждането на Пол Дирак.

Скоро след като Хитлер става канцлер на Германия през 1933 г., Естерман и други учени-евреи са уволнени от Франкфуртския университет въз основа на нацистките антисемитски закони за гражданските права. Макар че Щерн е евреин, за известно време го защитава от расистките закони службата му в германската армия по време на Първата световна война. Но в знак на протест той подава оставка и заедно с Естерман приема поканата на физическия факултет към Технологическия институт "Карнеги" да работи там. В института, като заема длъжността професор-изследовател, той помага да се създаде лаборатория за молекулярни лъчи. През 1939 г. Щерн получава американско гражданство и когато Съединените щати влизат във Втората световна война, служи като консултант в министерството на отбраната.

След като напуска Технологичния институт "Карнеги" през 1946 г., Щерн се премества в Бъркли (щат Калифорния), където се настаняват да живеят двете му сестри. Като продължава да държи връзка с физическото общество и да следи развитието на физиката на елементарните частици, той живее в относителна изолация. Редовно посещава Европа, но отказва да отиде в Германия и да получи пенсия от германското правителство.

В последните години от живота си Щерн, който никога не се е женил, оформя вкус към изисканата трапеза и пурите. Той ходи с удоволствие на кино. Смъртта от сърдечен пристъп го настига в един от киносалоните на Бъркли. Емилио Сегре казва: "Щерн беше един от най-големите физици на ХХ в. Той написа сравнително малко статии, но затова пък каква сила имат тези, които е написал!".

Щерн е член на американската Национална академия на науките и на Американското философско дружество, той е почетен доктор на Калифорнийския университет и на Швейцарския федерален технологически институт.

Превод от руски: Павел Б. Николов