Как сигареты Отто Штерна помогли открыть «пространственное квантование»

Отто Штерн (1888–1969) называл себя “экспериментальным теоретиком”. Великий американский физик Исидор Раби видел в Штерне, с которым сотрудничал в молодости, сочетание всех черт идеального ученого сразу. Тот был гениален, скромен и великодушен и вдобавок отличался превосходным, как писал Раби, “хорошим” вкусом в исследованиях: он безошибочно находил ответы к задачам первостепенной важности, поражая остроумием, а его экспериментальные работы выделялись “стилем и умом”.

Сначала Штерн решил посвятить себя теоретической физике и несколько лет проработал ассистентом у Альберта Эйнштейна, которому приходился родственником. Позже Штерн рассказывал, уже своему ассистенту, Отто Фришу, как они с Эйнштейном вместе ходили по борделям, поскольку это были тихие и спокойные места, где ничто не мешало говорить о физике. Одна из теоретических работ Штерна, которая ставила точку в давней нерешенной проблеме из области статистической механики, была опубликована во время Первой мировой войны с пометкой “Ломша, русская Польша” — это был грязный провинциальный городок, куда Штерна откомандировали стеречь метеостанцию, и избыток свободного времени он тратил на сверхсложные расчеты.

Позже, уже будучи профессором физической химии в Гамбурге, Штерн создал отдельный факультет и заставил своих сотрудников заниматься столь любимыми им атомными и молекулярными пучками — потоками атомов либо молекул, которые движутся по прямой в высоком вакууме и, как показал Штерн, дают возможность провести ряд фундаментальных измерений.

Метод Штерна заключался в том, чтобы приступать к эксперименту только после долгих размышлений. Как правило, он придумывал прибор, который поручал собрать своим ассистентам, студентам и лаборантам, и появлялся в лаборатории только тогда, когда прибор этот был готов: Штерн возникал на пороге, вслед за облаком сигарного дыма, и лично приступал к измерениям. Эксперимент заканчивался, статья выходила — и прибор разбирали, чтобы освободить место для следующего.

Штерн догадывался, что атомные пучки — удобный инструмент для обнаружения эффектов, предсказанных квантовой механикой, тогда только зародившейся и вызывавшей острые споры. Квантовая теория утверждала, что некоторые атомы — например, серебра — должны обладать магнитным моментом (и вести себя как магниты) из-за вращения одного-единственного электрона, который находится дальше всего от ядра. Замысел Штерна состоял в том, чтобы зафиксировать отклонение пучка атомов газообразного серебра, испаряющегося с поверхности серебряной проволоки, в сильном магнитном поле — так он надеялся измерить магнитный момент. Расхождение пучков при выключенном и включенном магнитном поле могло оказаться ничтож- ным, и оценить его наверняка будет трудно, если не невозможно, думал Штерн и решил обсудить перспективы опыта с коллегой, Вальтером Герлахом. “Может, нам всетаки стоит этим заняться? — спросил он и с готовностью сам себе ответил: — Ну так приступим!”.

Герлах учел все технические трудности, но после ряда неудач засомневался, можно ли судить о расхождении по слабому налету серебра, едва заметному на поверхности стеклянной пластинки. Он отнес пластинку к Штерну — посоветоваться, и, пока двое физиков внимательно ее разглядывали, полоса налета толщиной в волос почернела и на глазах разделилась на две, между которыми остался узкий зазор. Как догадался Штерн, четким изображением они были обязаны дешевой сигаре, которую он курил: прежде хорошо обеспеченный, Штерн в тот момент испытывал некие финансовые затруднения и вынужден был отказаться от табака известных марок в пользу более дешевого, с высоким содержанием серы. Вот сера с его сигареты и превратила серебро в черный сульфид серебра. Но на этом история не закончилась: тщательное разглядывание показало, что след отклоненного пучка тоже расщеплен надвое, но уже с зазором толщиной в волос.

Исчерпывающее объяснение появилось позже и разом изменило трактовку всей квантовой теории. Магнитный момент, определяемый (условно) скоростью вращения электрона, не бывает каким угодно: он квантован, то есть принимает только заданные значения (которые слегка отличаются друг от друга). Разные группы атомов с электронами в разных спиновых состояниях по-разному реагируют на магнитное поле, что и проявляется в расщеплении пучка. Этот результат считают моментом рождения “пространственного квантования”, новой и в то время поразительной области квантовой теории. Исидор Раби называл тот опыт “прославленным экспериментом Штерна — Герлаха”. Сам Штерн был обрадован не столько результатом, сколько тем, как он был получен.

В 1943 году за работы по атомным и молекулярным пучкам Отто Штерну вручили Нобелевскую премию. За 10 лет до этого он был изгнан из Германии и поселился в США. Там — и во время войны, и после — ему не удалось получить достаточного финансирования для своих научных проектов, и поэтому, не дожидаясь даже своего 60- летия, он ушел на пенсию и уехал в Калифорнию. Остаток дней Штерн посвятил радостям гастрономии и кино, к которым давно питал слабость. Он скончался 81- летним, в кинозале, куда пришел посмотреть новый фильм.

© Уолтер Гратцер, "Эврики и эйфории"