Нобелови лауреати – 1955 година - Физика - Уилис Лам (Willis Lamb) (12 юли 1913 г. – 21 май 2008 г.)

Заедно с Поликарп Куш

За откритията му, свързани с "тънката структура" на водородния спектър.

Американският физик Уилис Юджийн Лам е роден в Лос Анджелис (щат Калифорния). Баща му, който носи същото име, е телефонен инженер, а майка му Мери Хелън (Меткалф) Лам е учителка. Ламб учи в начални училища в Окланд и Анджелис. Завършва средното си образование в лосанджелиско училище, където проявява извънредни способности по химия. Степента бакалавър на науките по химия получава през 1934 г. в Калифорнийския университет в Бъркли и остава да работи там над дисертация под ръководството на Дж. Робърт Опенхаймер, за която през 1938 г. му е присъдена докторска степен. Дисертацията разглежда електромагнитните свойства на ядрените частици. В нея се предсказва, че заради крайните размери на протона неговото електрическо поле би трябвало да се различава малко от полето на точковите частици като електрона.

През цялата си научна кариера Лам преподава физика в различни университети: Колумбийския (1938-1951), Станфордския (195-1956), Харвардския (1953-1954), Оксфордския (1956-1962) и Йейлския (1962-1974). В университета на щата Аризона е назначен през 1974 г. за професор по физика и оптика. Отношението към задълженията му на педагог се проявява ярко при следния епизод: когато разбира, че му е присъдена Нобелова награда, Лам отива в аудиторията, за да проведе поредния семинар по квантова механика, и едва след това се среща с представители на пресата.

От 1942 до 1952 г. Лам работи по съвместителство в радиационната лаборатория на Колумбийския университет над проекти, финансирани от свързочните войски на американската армия, Управлението за научни изследвания на военноморските сили и Департамента за научни изследвания и изобретения. Неговите изследвания са свързани преди всичко с радарната и микровълновата техника.

Работейки заедно с И. А. Ради и група, занимаваща се с молекулярните лъчи, Лам започва да се интересува от метастабилните състояния на атомите. Обикновеното възбудено (високоенергетично) състояние на атома се разпада бързо и атомът, излъчвайки, преминава в състояние с по-ниска енергия. Най-силно възбудените състояние се разпадат с излъчването на един фотон (квант светлина) за около 10^–8 секунди. Метастабилните състояния съществуват много по-дълго. Например времето на живот на така нареченото второ възбудено състояние на водородния атом е около 700 милиона пъти по-голямо от времето на живот на другите възбудени състояния. Причината за това "дълголетие" се състои в това, че атомът във второ възбудено състояние не може да излъчи един фотон. Законът за запазването на ъгловия момент и законът за четността изискват атомът да излъчва едновременно два фотона. Такъв процес е по-малко вероятен и затова протича много по-бавно.

Първоначално Лам е физик-теоретик, но най-известните му изследвания са свързани със серия необичайно прецизни експерименти, повечето от които са осъществени заедно с Робърт К. Ръдърфорд в Колумбийския университет. Като разширява сферата на своите изследвания по време на войната, Лам е привлечен от микровълновото поглъщане и излъчване на атомите. Като знае от литературата за предприетите през 30-те години безуспешни опити да се открие поглъщането на микровълновото излъчване в газ, състоящ се от възбудени водородни атоми, Лам отначало вижда неуспеха в неадекватната микровълнова техника. Но по-късно стига до извода, че за откриването на поглъщането пречи методът, който експериментаторите са избрали за възбуждане на атомите. Лам решава да използва усъвършенствана микровълнова техника, за да уточни спектроскопичните измерения на различните енергетични равнища на водородния атом.

В атома на водорода един-единствен електрон се движи около ядрото по една от серия възможни орбити. Намирайки се на своята орбита, електронът има напълно определена енергия. За да премине на по-висока орбита, атомът трябва да погълне фотон, чиято енергия съответства точно на разликата от енергиите на орбитите. Същото става и при преминаването на електрона на по-ниска орбита – атомът трябва да излъчи фотон, притежаващ съответната енергия. Тези преходи създават спектъра на атомарния водород, състоящ се от отделни ясно очертани линии.

Много линии в спектъра на водорода имат "тънка структура". Ако бъдат разгледани с голямо увеличение, става ясно, че се състоят от две или повече близко разположени линии. Това свидетелства, че орбиталните енергетични равнища също се делят на близко разположени подравнища. Преходите между съседните равнища на тънката структура изискват поглъщане или излъчване в микровълновия диапазон на дължината на вълната.

През 1928 г. английският физик Пол А. Морис Дирак извежда уравнение, което описва всичките известни свойства на електрона: вълновите му свойства, електрическия му заряд, спина, магнитния момент и релативната зависимост на масата му от скоростта. Като основа за значителна част от квантовата механика уравнението на Дирак позволява да се предскажат с голяма точност енергетичните равнища на водородния атом. По-специално от уравнението на Дирак се извежда еквивалентността на две равнища, едното от които е метастабилно: тези равнища съответстват на различни състояния, но въпреки всичко са с една и съща енергия. Лам поставя лъч водородни атоми в метастабилно състояние. Атомите се задържат в това състояние достатъчно дълго, за да позволят удобно експериментиране. След това ги подлага на микровълново излъчване във външно магнитно поле. Някои от атомите поглъщат излъчването и преминават в кратко състояние на съществуване. Това означава, че две съответстващи си енергетични равнища не са тъждествени, а са разделени от малка разлика в енергията, получила названието изместване на Лам. Откритието на Лам подтиква Джулиан Швингър, Шиничиро Томонага и Ричард Фейман да преразгледат теорията за електрона на Дирак и да формулират нова теория, получила названието квантова електродинамика, която предсказва със забележителна точност изместването на Лам. А Лам в сътрудничество с Норман М. Крол изчислява теоретично ефекта, който е открил експериментално.

За многото години научно-изследователска дейност Лам успява да работи в различни области на физиката. Той се занимава с проблеми като теорията на бета-разпадането, дължината на пробега на частите от деленето на атомното ядро, флуктуацията във космическите дъждове, излъчването на електрони от метастабилни атоми, полевите теории за структурата на ядрото, теорията за взаимодействието на неутроните с веществата, теорията за магнетронните генератори и диамагнитните поправки в експериментите с ядрения резонанс. Има значителен принос и за създаването на теорията за лазерите.

През 1939 г. Лам се жени за Урсула Шеф, историчка. В свободните си часове се занимава с плуване, ветроходство, шах и фотография.

Лам е член на Националната академия на науките на САЩ и на Американското физическо дружество, почетен член е на Лондонския физически институт и на Единбургското кралско дружество. Сред наградите, с които е удостоен, е медалът Ръмфорд на Американската академия на науките и изкуствата (1953 г.) и наградата "За научни заслуги" на Изследователската корпорация на Америка (1955 г.). Почетен доктор е на университета в Пенсилвания и на колежа "Густав Адолф".

Превод от руски: Павел Б. Николов