Вілліс Лемб

Фотографія Вілліс Лемб (photo Willis Lamb)

Willis Lamb

  • День народження: 12.07.1913 року
  • Вік: 94 року
  • Місце народження: Лос-Анджелес, США
  • Дата смерті: 20.05.2008 року
  • Громадянство: США

Біографія

Американський фізик Вілліс Юджин Лемб народився в Лос-Анджелесі (штат Каліфорнія). Його батько і тезка був інженером-телефоністом, а мати Марі Елен (Меткалф) Лемб – вчителькою. Л. навчався в початкових школах Окленда і Лос-Анджелеса. Закінчив він лос-анджелеське середню школу, де виявив неабиякі здібності до хімії. Ступінь бакалавра наук з хімії Л. отримав у 1934 р. в Каліфорнійському університеті в Берклі і залишився там для роботи над дисертацією під керівництвом Дж. Роберта Оппенгеймера, за яку у 1938 р. йому було присуджено докторський ступінь. Дисертація була присвячена електромагнітних властивостей ядерних частинок. В ній передбачалося, що через кінцевих розмірів протона його електричне поле повинно трохи відрізнятися від поля точкової частинки, наприклад електрона.

Протягом усієї своєї наукової кар’єри Л. викладав фізику в різних університетах: Колумбійському (1938…1951), Станфордском (1951…1956), Гарвардському (1953…1954), Оксфордському (1956…1962), Єльському (1962…1974). В університеті штату Арізона в 1974 р. він був призначений професором фізики та оптики. Його ставлення до обов’язків педагога яскраво проявилося в такому епізоді: дізнавшись про присудження йому Нобелівської премії, Л. відправився в аудиторію, щоб провести черговий семінар з квантової механіки, і лише потім зустрівся з представниками преси.

З 1942 по 1952 р. Л. працював за сумісництвом в радіаційній лабораторії Колумбійського університету над проектами, финансировавшимися військ зв’язку армії США, Управлінням наукових досліджень військово-морських сил і Департаментом наукових досліджень і винаходів. Його роботи були пов’язані головним чином з радарної і мікрохвильовою технікою.

Працюючи разом з В. А. і Заради групою, що займалася молекулярними пучками, Л. зацікавився метастабільними станами атомів. Зазвичай порушена, або високоенергетичне, стан атома швидко розпадається, і атом, випускаючи випромінювання, переходить в стан з меншою енергією. Найбільш сильно збуджені стани розпадаються з випусканням одного фотона, або кванта світла, приблизно за 10-8 секунди. Метастабільні стани існують набагато довше. Наприклад, час життя так званого другого збудженого стану атома водню приблизно в 700 млн. раз перевищує час життя збуджених станів. Причина такого «довголіття» полягає в тому, що атом у другому збудженому стані не може випустити один фотон. Закони збереження кутового моменту і властивості, званого парністю, вимагають, щоб атом одночасно випускав два фотона. Такий процес менш вірогідний і тому відбувається набагато повільніше.

Спочатку Л. був фізиком-теоретиком, але його найбільш відомі роботи пов’язані з серією надзвичайно тонких експериментів, більшість з яких було виконано у співпраці з Робертом К. Резерфордом в Колумбійському університеті. По мірі розширення сфери своїх досліджень в роки війни увагу Л. залучили поглинання і випущення мікрохвильового випромінювання атомами. Знаючи з літератури про зроблені в 30-х рр. безуспішних спробах виявити поглинання мікрохвильового випромінювання в газі, що складається з збуджених атомів водню, Л. спочатку відніс невдачу за рахунок неадекватною мікрохвильової техніки. Але згодом він дійшов до висновку, що виявити поглинання заважав метод, який експериментатори обрали для збудження атомів. Л. вирішив скористатися вдосконаленої мікрохвильовій технікою для того, щоб уточнити спектроскопічні вимірювання різних енергетичних рівнів атома водню.

В атомі водню один-єдиний електрон рухається навколо ядра по одній з серії орбіт. Перебуваючи на орбіті, електрон має цілком певною енергією. Для того, щоб він перейшов на більш високу орбіту, атом повинен поглинути фотон, енергія якого в точності відповідає різниці енергій між орбітами. Те ж саме відбувається і при переході електрона на більш низьку орбіту – атом повинен випустити фотон, що володіє відповідною енергією. Такі переходи породжують спектр атомарного водню, що складається з окремих чітких ліній.

Багато лінії в спектрі водню володіють «тонкою структурою». Якщо розглядати їх з великим збільшенням, стає видно, що вони складаються з двох чи більшого числа близько розташованих ліній. Це свідчить про те, що орбітальні енергетичні рівні також розщеплюються на близько розташовані підрівні. Переходи між сусідніми рівнями тонкої структури вимагають поглинання або випромінювання випромінювання в мікрохвильовому діапазоні довжин хвиль.

У 1928 р. англійський фізик Поль А. Моріс Дірак вивів рівняння, яке описувало всі відомі властивості електрона: його хвильові властивості, електричний заряд, спін, магнітний момент і релятивістську залежність маси від швидкості. В якості основи значної частини квантової механіки рівняння Дірака дозволило з великою точністю прогнозувати енергетичні рівні атома водню. Зокрема, з рівняння Дірака виводилася еквівалентність двох особливих рівнів, один з яких метастабилен: ці рівні відповідають різним станам, але тим не менше з однією і тією ж енергією. Л. приготував пучок атомів водню в метастабильном стані. Атоми перебували в цьому стані досить довго, що дозволяло зручно експериментувати. Потім він піддав пучок мікрохвильового випромінювання у зовнішньому магнітному полі. Деякі з атомів поглинали випромінювання і переходили в коротко-живе стан. Це означало, що два відповідних енергетичних рівня не тотожні, а розділені невеликою різницею енергій, що отримала назву лэмбовского зсуву. Відкриття Л. спонукало Юліана С. Швингера, Син’ітіро Томонагу і Річарда Фейнмана переглянути теорію електрона Дірака і сформулювати нову теорію, що одержала назву квантової електродинаміки, яка з чудовою точністю передбачила лэмбовский зрушення. Сам Л. у співпраці з Норманом М. Кроллом теоретично розрахував ефект, відкритий ним експериментально.

Л. був удостоєний Нобелівської премії з фізики 1955 р. «за відкриття, пов’язані з тонкою структурою спектра водню». Премію Л. розділив з Полікарпом Кушем, виконали незалежно аналогічні експерименти, і також в Колумбійському університеті. Звертаючись до двом лауреатам з вітальною промовою, Івар Валлер з Шведської королівської академії сказав: «Ваші відкриття привели до переоцінки і переформулировке теорії взаємодії електронів і електромагнітного випромінювання квантової електродинаміки, тим самим поклавши початок новому етапу розвитку, який мав першорядне значення для багатьох фундаментальних понять фізики».

За багато років науково-дослідної діяльності Л. встиг попрацювати в різних галузях фізики. Він займався такими проблемами, як теорію бета-розпаду, довжина пробігу осколків поділу атомного ядра, флуктуація в космічних зливах, випущення електронів метастабільними атомами, польові теорії структури ядра, теорії взаємодії нейтронів і речовини, теорія і проектування магнетронних генераторів і діамагнітні поправки в експериментах з ядерного резонансу. Він вніс істотний вклад у створення теорії лазерів.

З 1939 р. Л. одружений на Урсулі Шеф, історика. У години відпочинку він займається плаванням, вітрильним спортом, шахами і фотографією.

Л. складається членом Національної академії наук США, Американського фізичного товариства, почесним членом Лондонського фізичного інституту і Единбурзького королівського товариства. У числі нагород, яких він удостоєний, медаль Румфорда Американської академії наук і мистецтв (1953) і нагорода «За наукові заслуги» Дослідницької корпорації Америки (1955). Л. почесний доктор університетів Пенсільванії, Ієшиви і коледжу Густава Адольфа.