20.02.2019

Почему младшим быть не всегда плохо, как неудачи других могут помочь сделать нобелевское открытие, кому обязаны своими нобелевскими премиями Фейнман и Швингер и почему провалы и сдвиги иногда приносят большие успехи, расскажет новый выпуск нашей постоянной рубрики «Как получить Нобелевку».

Уиллис Юджин Лэмб 
Родился 12 июля 1913 года, Лос-Анджелес, Калифорния, СШАУмер 15 мая 2008 года, Тусон, Аризона, США
Нобелевская премия по физике 1955 года (1/2 премии, вторую половину получил Поликарп Куш). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода» (for his discoveries concerning the fine structure of the hydrogen spectrum).

Начало квантовой электодинамики

Сегодняшний герой рубрики «Как получить Нобелевку» всю свою жизнь был младшим. Даже тогда, когда разменял десятый десяток (Лэмб прожил почти 95 лет). Дело в том, что отца будущего лауреата 1955 года звали точно так же: Уиллис Юджин Лэмб. Лэмб-старший был телефонным техником, его супруга, Мария Хелен Меткалф – учительницей. Уже в средней школе Лэмб-младший проявлял недюжинные способности – правда, не к физике, а к химии. Именно в этой области он получил бакалавра в Калифорнийском университете в Беркли в 1934 году. В Беркли он начал изучать особенности теории поля для ядер, связанные с небольшим отклонением вида поля протона от кулоновского (формулировка темы дана самим Лэмбом в Нобелевской лекции).

Как видите, уже тогда он занимался не химией, а, по сути, квантовой физикой – тем более его научным руководителем был создатель Манхэттенского проекта, великий Роберт Оппенгеймер. Кстати, забавная деталь: поскольку Лэмб никогда не был чисто теоретиком, его теоретическая диссертация сопровождалась экспериментами – и только отсутствие на тот момент компьютеров не позволило ему открыть эффект резонансного поглощения и испускания гамма-лучей без отдачи. В 1961 году за это открытие, сделанное в 1957 году, немец Рудольф Мессбауэр получит Нобелевскую премию по физике.

После 1938 года Лэмб стал работать в тесном контакте с Исидором Раби, первооткрывателем ядерного магнитного резонанса – и примерно в той же тематике. Кстати, тогда же он нашел и свое личное счастье: в 1939 году он женился на немецкой студентке Урсуле Шэфер, которая впоследствии станет ученым-историком, признанным специалистом по Латинской Америке. (В скобках отметим, что после ее смерти Лэмб женился вторично – в 1996 году на 78-летней экс-сотруднице Эйнштейна Брурии Кауфман, а затем еще успел развестись и в возрасте 90 лет жениться еще раз. Потрясающий старик был!)

«Мое внимание привлекали эксперименты с метастабильными атомами в связи с предполагаемыми опытами с атомными пучками. Во время войны в Колумбийской радиационной лаборатории я непосредственно познакомился с микроволновым радаром и техникой производства вакуумных трубок. Тогда темами работ лаборатории было определение коэффициента поглощения сантиметровых волн атмосферными парами воды и мой интерес привлекло то, что впоследствии стало областью активных работ микроволновой спектроскопии после войны», – вспоминал Лэмб. Так чисто прикладные исследования на военную тему (авиационные радары и как их сигнал поглощается облаками) подготовили Лэмба к его открытию.

Отправной точкой стал 1945 год. Но не победа в войне, а летняя школа по атомной физике. На ней, роясь в книгах, Лэмб узнал, что в 1932-1935 годах ученые пытались измерить спектр поглощения коротких радиоволн в газовом разряде атомного водорода. Но потом физик понял что причина неудачи – не в несовершенной аппаратуре.

Напомним, что еще в 1928 году Поль Дирак вывел известное уравнение, описывающее все свойства электрона и позволяющеее предсказать с большой точностью энергетические уровни атома водорода.

В частности, из уравнения Дирака выводилась эквивалентность двух особых уровней, один из которых метастабилен: эти уровни соответствуют различным состояниям, но тем не менее с одной и той же энергией. Лэмб умел создавать пучок атомов водорода в метастабильном состоянии. Атомы водорода могут пребывать в этом состоянии достаточно долго, что позволяло с удобством экспериментировать. В 1947 году Лэмб вместе со своим ассистентом Ризерфордом (речь не о нобелевском лауреате и учителе Петра Капицы, который Rutherford, а о молодом человеке Robert Curtis Retherford) подверг пучок микроволновому излучению во внешнем магнитном поле. Некоторые из атомов поглощали излучение и переходили в короткоживущее состояние. Это означало, что два соответствующих энергетических уровня не тождественны, а разделены небольшой разностью энергий. Эта энергия, проявляющаяся на тонкой структуре спектра водорода, открытой еще в 1887 году Майкельсоном и Морли, отличалась от предсказанной уравнением Дирака. Объяснить такой сдвиг, получивший название сдвига Лэмба, смогла теория квантовой электродинамики, которая и выросла из классического эксперимента Лэмба-Ризерфорда. Так что Джулиан Швингер и Ричард Фейнман своими успехами и Нобелевскими премиями тоже немножко обязаны Лэмбу, который получил своего Нобеля всего через восемь лет после эксперимента.

Когда в кабинет Лэмба (на мобильник, как вы понимаете, позвонить тогда не могли) вбежали университетские с сообщением, что он получил Нобелевскую премию, Лэмб встал и пошел – в аудиторию, где начинался семинар по квантовой механике. Провел семинар – и лишь потом вышел к собравшейся прессе. Преподавать он любил больше, чем давать интервью.

Забавный факт: в своей Нобелевской лекции, которую наш герой прочел 12 декабря 1955 года, Лэмб не преминул вставить шпильку Нобелевскому комитету. Не откажем себе в удовольствии процитировать язвительного нобелевского лауреата: «Когда в 1901 году впервые была присуждена Нобелевская премия, физики немного знали лишь о двух физических объектах – электронах и протонах, которые называются теперь элементарными частицами. Множество других «элементарных» частиц открыто после 1930 года: нейтроны, нейтрино, мезоны, пи-мезоны, тяжелые мезоны и различные гипероны. Я слышал, как говорили, что открывшему новую элементарную частицу обычно присуждают Нобелевскую премию, хотя за такое открытие следует наказывать штрафом в 10 000 долларов».

После премии Лэмб, которому на тот момент было всего 42 – самый расцвет для физика, прожил еще 53 года и занимался очень многими вещами, в основном сдвигаясь в область квантовой оптики. Как только появились лазеры и мазеры, Лэмб занялся этими универсальными инструментами. В 1963 году (лазеры тогда еще находятся совсем в яслях, выражаясь терминами взросления человека, – первый квантовый генератор оптического диапазона заработал в лаборатории Теодора Меймана всего три года назад) Лэмб предсказывает и в том же году открывает эффект резонансного падения выходной мощности газового лазера в центре линии усиления. Теперь этот очень важный эффект в лазерной физике называется провалом Лэмба.

Об авторитете нашего героя в среде лазерщиков говорит и такой факт: в 1998 году, за десять лет до смерти Лэмба, в его честь назвали премию по лазерной физике и квантовой оптике. Среди лауреатов – два наших будущих героя, Рой Глаубер и Жерар Муру, лауреаты 2005 и 2018 года соответственно. А еще первым лауреатом премии Лэмба (точнее – одной из трех первых лауреатов) стала наша соотечественница, работающая в США – Ольга Анатольевна Кочаровская. Кстати, еще один наш соотечественник, работающий и в России, и в США, Михаил Лукин, тоже может стать лауреатом Нобелевской премии – как-никак, он один из первых в мире людей, которые смогли остановить свет. Впрочем, это уже совсем другая история…

Источник: «Индикатор»