Как создатель химического оружия порекомендовал молодого физика Эйнштейну, кто поспособствовал тому, что из теоретика получился блестящий экспериментатор, и как можно воочию увидеть квантовые эффекты, рассказывает рубрика «Как получить Нобелевку».

Отто Штерн

Родился 17 февраля 1888 года, Зорау, Королевство Пруссия, Германская империя

Умер 17 августа 1969 года, Беркли, Калифорния, США

Нобелевская премия по физике 1943 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За вклад в развитие метода молекулярных пучков и за открытие магнитного момента протона» (for his contribution to the development of the molecular ray method and his discovery of the magnetic moment of the proton).

За нобелевского лауреата по физике 1943 года мы должны сказать спасибо Жорам. Не тем Жорам, который «он же Гоша, он же Гога, он же Георгий», а городу Жоры (иногда пишут Зори, но все же Żory), который сейчас расположен в Силезском воеводстве Польши. Впрочем, на момент 17 февраля 1888 года город Жоры (Зорау) входил в Германскую империю. Как и Бреслау (ныне польский Вроцлав), в котором Отто Штерн потом учился.

Отто был старшим из пяти детей в семье, которую создали Оскар Штерн и Евгения Розенталь. Обе семьи, из которых происходили родители нобелевского лауреата, не были бедными: они держали мельницы и торговлю зерном. Именно поэтому детство, отрочество и юность Штерна были безоблачными. В четыре года семья переехала в Бреслау, папа с мамой всячески поощряли развитие сына. Он учился в хороших школах, потом переезжал из университета в университет, не заботясь о том, что нужно зарабатывать деньги. Фрейбург, Мюнхен, снова Бреслау. Именно в Университете Бреслау Штерн защитил свою докторскую диссертацию по физической химии.

Уже тогда стало понятно, что Отто Штерн станет талантливым и, что важно, самостоятельным ученым. Правда, еще не было понятно каким. Физиком? Химиком? Теоретиком? Экспериментатором? Он слушал Арндольда Зоммерфельда, Отто Луммера, Эрнста Прингсхейма, Отто Сакура… Последний стал его научным руководителем в докторской (фактически выпускной) работе, которая была защищена в 1912 году, и сыграл важнейшую роль в дальнейшем становлении Штерна в науке.

Дело было так: Сакур был другом будущего нобелевского лауреата по химии 1918 года Фрица Габера (помимо всего прочего, создателя химического оружия). Габер был другом еще одного будущего нобелиата, получившего свою премию в 1921 году, — Альберта Эйнштейна (помимо всего прочего, одного из создателей атомной бомбы). Сакур попросил Габера, а Габер попросил Эйнштейна взять Штерна в свои сотрудники. В 1912 году Штерн поехал к Эйнштейну в Прагу, затем они отправились в Цюрих, выпустив совместную статью. Правда, поработать с величайшим физиком Штерну удалось всего два года: начавшая в 1914 году Первая мировая война перекроила карьеры почти всех великих физиков того времени.

Штерна призвали в германскую армию. Впрочем, воевать на передовой физику не пришлось: его послали в Польшу в составе метеорологического отряда, наблюдать за погодой. Поэтому одним глазом наш герой наблюдал за барометром и термометром, а другим смотрел в письма Вальтера Нернста (создателя огнемета), с котором продолжал начатую теоретическую работу по физической химии. А после Нернст и вовсе «выдернул» товарища к себе в Берлин. Штерн продолжил работать на военное ведомство, однако уже в столице Германской империи — далеко от выстрелов и разрывов снарядов.

Здесь, помимо Нернста, Штерну довелось поработать с еще двумя будущими нобелевскими лауреатами: Джеймсом Франком (еще одним создателем атомной бомбы) и Максом Борном (одним из создателей Пагуошского движения за разоружение). Эти два великих ученых тоже сильно повлияли на его карьеру. По сути, Франк сделал из неплохого Штерна-теоретика великого Штерна-экспериментатора, а Борн просто дал ему работу и независимость. Став директором Института теоретической физики Франкфуртского университета, Борн пригласил Штерна стать его ассистентом.

Первая работа Борна и Штерна была посвящена поверхностной энергии твердых тел, однако затем Штерн решил взяться за крупные формы и экспериментально подтвердить молекулярно-кинетическую теорию, а именно распределение скоростей молекул газов. Так появился классический опыт Штерна.

В 1920 году Штерн взял два цилиндра разного радиуса с совпадающей осью. Вокруг цилиндров был откачан воздух, а ось представляла собой платиновую проволоку, покрытую слоем серебра. Через проволоку пропускали ток, серебро начинало испаряться. Во внутреннем цилиндре прорезали щель, которая становилась источником равномерного потока пучков атомов. Поскольку внешний цилиндр охлаждался, то, попадая на него, атомы серебра оседали, образуя темную и четкую узкую полоску. Затем оба цилиндра начинали достаточно быстро вращать, в результате чего происходило две вещи. Во-первых, полоса налета смещалась в сторону, противоположную вращению. Это неудивительно: пока атомы серебра летели от цилиндра к цилиндру, большой цилиндр успевал сместиться. Штерн легко рассчитал среднюю скорость полета атомов — 584 метра в секунду, что совпадало с предсказанием теории. Во-вторых, полоса не только смещалась, но и размывалась. Это означало, что скорости атомов были неодинаковы и имели некоторое распределение: какие-то быстрее, какие-то медленнее средней скорости. Изящный эксперимент подтвердил правоту Джеймса Клерка Максвелла.

Штерн понял, что весьма грубыми средствами можно наблюдать достаточно тонкие свойства материи. И вместе с коллегой Вальтером Герлахом провел еще более изящный эксперимент, который наглядно показал пространственное квантование магнитных моментов атомов. То, что у атомов должен быть свой собственный магнитный момент, было понятно, поскольку в них постоянно движутся электроны. Однако было неясно, может ли у атомов быть какое угодно направление магнитного момента или нет.

Снова в дело вступили молекулярные пучки. И снова атомов серебра. Эксперимент Штерна — Герлаха выглядел так: пучок атомов серебра проходил через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, и это поле вызывало отклонение атомов. Классическая теория предсказывала, что отклонение атомов с различными направлениями магнитного момента будет распределено непрерывно, что приведет к расширению узкого пучка. Квантовая теория предсказывала, что атомы будут отклоняться только одним из двух способов, то есть пучок расщепится на два. Так и вышло у Штерна и Герлаха. То есть опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов.

Любопытный факт: в 1921 год немецкие ученые фактически открыли то, что предскажет в 1924 году Вольфганг Паули — собственный квантовый момент импульса электрона (или двухвариантная квантовая степень свободы, по определению самого Паули). Или спин.

Именно за эти эксперименты Штерн и был удостоен Нобелевской премии по физике 1943 года. Правда, к тому времени он уже бежал из Германии. Хотя его, в знак уважения к службе в германской армии в Первую мировую, и не уволили из Франкфуртского университета за еврейское происхождение, однако уволили всех его коллег. Штерн ушел сам и, пока не стало поздно, уехал в США, став профессором Технологического университета Карнеги, а к 1939 году и американским гражданином.

Саму премию Штерну присудили в 1944 году, вместе с Исидором Раби, который получил премию за 1944 год, а представление лауреатов, которое сделал 9 ноября 1944 года профессор Эрик Хултен, пришлось делать по радио.