Сэмюэл Абрахам Гаудсмит

Сэмюэл Гаудсмит

Samuel Goudsmit

Дата рождения

11 июля 1902 года

Место рождения

Гаага, Нидерланды

Дата смерти

4 декабря 1978 года

Место смерти

Рино, США

Награды и премии

Сэмюэл Абрахам Гаудсмит (англ. Samuel Abraham Goudsmit) — американский физик-теоретик, один из авторов понятия спина, руководитель миссии «Алсос» (сбора информации о немецком ядерном проекте), член Американского ядерного общества, Американского физического общества, Американского философского общества, Американской академии искусств и наук, член-корреспондент Королевской Нидерландской академии наук.

Ранние годы

Родился 11 июля 1902 года в Гааге. Еврей. Отец, Исаак, торговал оборудованием для ванных комнат, а мать Марианна Гомперс владела модным магазином дамских шляп.

Увлёкся физикой в 11 лет.

В 1919 году окончил школу, затем в поступил в Лейденский университет, где его руководителем вскоре стал Пауль Эренфест.

В начале 1920 года сопровождал своего отца в деловой поездке в Ройтлинген и по рекомендации Эренфеста посетил соседний Тюбинген, где встретился с Фридрихом Пашеном, который заинтересовал молодого человека нерешенными проблемами спектроскопии.

Летом 1921 года снова приехал к Пашену, который познакомил его с техническими подробностями спектроскопических исследований.

Карьера

В 1921 году опубликовал в престижном журнале Die Naturwissenschaften свою первую работу, посвященную попытке релятивистского объяснения дублетов щелочных металлов. В последующие несколько лет он продолжал заниматься особенностями сложных спектров и эффекта Зеемана, опубликовав ряд статей, в том числе в соавторстве с Дирком Костером и Ральфом Кронигом. Между тем Эренфест, по словам Гаудсмита, посчитал, что из него «не выйдет настоящего теоретика», и устроил его в лабораторию Питера Зеемана в Амстердаме. Там Гаудсмит работал половину недели, а 2 половину проводил в Лейдене. Летом 1925 года из Рима вернулся Джордж Уленбек, работавший там несколько лет учителем сына голландского посла. Эренфест предложил им поработать вместе. Совместная работа много дала обоим молодым учёным: Уленбек узнал о проблемах квантовой теории спектров, а Гаудсмит смог взглянуть на них с точки зрения более общих физических соображений. Итогом этого сотрудничества стало открытие Уленбеком и Гаудсмитом спина электрона.

В октябре 1925 года вместе с Джорджем Уленбеком ввел в физику концепцию спина: на базе анализа спектроскопических данных они предложили рассматривать электрон как «вращающийся волчок», обладающий собственным механическим моментом, равным $\hbar /2$, и собственным магнитным моментом, равным магнетону Бора. Схожие идеи приходили в голову многим физикам, однако не были сформулированы с достаточной отчетливостью. Ещё в 1921 году Артур Комптон, пытаясь объяснить магнитные свойства вещества, высказал мысль об электроне, вращающемся «подобно миниатюрному гироскопу». Позже Вольфганг Паули в знаменитой работе, посвященной принципу запрета, был вынужден приписать электрону «двузначность, не описываемую классически». В начале 1925 года Ральф Крониг предположил, что эту двузначность можно объяснить вращением электрона вокруг оси, однако вскоре он столкнулся с серьёзными трудностями (согласно расчетам, скорость на поверхности электрона должна превышать скорость света). Эта гипотеза встретила негативную реакцию со стороны Паули, Хендрика Крамерса и Вернера Гейзенберга, и Крониг решил не публиковать её. Данная двузначность (четвертая степень свободы, или квантовое число, электрона) была также исходным пунктом работы Уленбека и Гаудсмита, и они также решили связать её с вращением электрона вокруг своей оси. Они изучили старые работы Макса Абрагама, посвященные вращению заряженной сферы, но вскоре столкнулись с теми же трудностями, что и Крониг. Однако, они сообщили о своей гипотезе Эренфесту, которому она понравилась и отослал их статью в печать.

Кроме прочих затруднений, к которым приводило представление о вращении электрона, оставалась нерешенной проблема лишнего множителя 2, появлявшегося в выражении для сверхтонкой структуры водородного спектра. Поэтому поначалу отношение к спину было скептическим. Решающей оказалась позиция Нильса Бора, который с воодушевлением воспринял появление этой гипотезы, открывавшей новые возможности для описания атома. Бор предложил Уленбеку и Гаудсмиту ещё раз изложить свои доводы в статье для журнала Nature и сопроводил её своими замечаниями. Верность идеи о спине стала ясна весной 1926 года, когда расчеты спин-орбитального взаимодействия, проведенные Ллевеллином Томасом и Яковом Френкелем с учётом релятивистских эффектов (так называемая томасовская прецессия), позволили объяснить тонкую структуру спектров (в том числе избавиться от лишнего множителя) и аномальный эффект Зеемана.

В 1926 году Гаудсмит получил Рокфеллеровскую стипендию и провел несколько месяцев в Институте Нильса Бора в Копенгагене, а также в очередной раз посетил Тюбинген, где вместе с Эрнстом Баком изучал расщепление спектральных линий в сильных магнитных полях (эффект Пашена — Бака).

К 1927 году, когда пришло время писать докторскую диссертацию, Гаудсмит уже был признанным специалистом в области атомной спектроскопии. 7 июля 1927 года защитил диссертацию в Лейдене.

К этому времени Уленбек и Гаудсмит приняли предложение занять место Оскара Клейна в Мичиганском университете в Энн Арборе. Ещё весной Эренфест уговорил Уолтера Колби, занимавшегося поиском подходящих кандидатур в Европе, взять на это место сразу двух человек, «чтобы им было с кем поговорить». В конце августа вместе с жёнами они отплыли из Европы. В Нью-Йоркском порту их встретил Роберт Оппенгеймер и после нескольких дней у него в гостях в начале сентября они прибыли поездом в Энн Арбор.

В Энн Арборе учёный продолжал заниматься спектроскопической тематикой, опубликовав ряд работ по сверхтонкой структуре спектров. Вместе со своим аспирантом Робертом Бэчером он разработал методику расчета уровней энергии неизвестных состояний атома на основе линейных соотношений между известными уровнями атомов и ионов. В 1933 году они опубликовали монографию, в которой сделали первую попытку обобщения информации об уровнях энергии атомов, полученной из спектроскопических исследований. За 3 года до этого вышла книга по теории линейчатых спектров, в основу которой была положена докторская диссертация Гаудсмита. Книга была написана в соавторстве с Лайнусом Полингом.

Одним из первых осознал, что спектроскопические данные могут быть использованы для определения спинов и магнитных моментов ядер и в 1933 году провёл расчёт этих величин для различных элементов периодической таблицы.

С середины 1930-х годов участвовал в ряде теоретических и экспериментальных работ, посвящённых новой проблеме диффузии, рассеяния и замедления нейтронов. Кроме того, теоретически изучал рассеяние электронов.

С началом Второй мировой войны и ещё до вступления в неё США учёный, будучи убежденным антифашистом, перешел на временную должность в Гарвардском университете, надеясь, что здесь сможет принести бо́льшую пользу в военных вопросах.

В 1941 году Гаудсмит присоединился к Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, где проводилась работа по радарной тематике. Принимал участие в координации исследований с английскими учеными, заведовал составлением важных технических отчётов и документации.

В мае 1944 года был назначен научным руководителем секретной миссии «Алсос», целью которой было определение, как далеко продвинулись немецкие ученые в разработке ядерного оружия. Хотя он сам признавался, что не знает, почему военные выбрали именно его на эту должность, по-видимому, сыграло свою роль его личное знакомство практически со всеми заметными физиками Европы. Кроме того, поскольку Гаудсмит не участвовал в разработке американской атомной бомбы, он не мог разгласить никакой секретной информации в том случае, если бы был взят в плен. В задачу Гаудсмита и его сотрудников входило посещение немецких исследовательских лабораторий в течение первых часов после освобождения от нацистов и сбор информации непосредственно на месте, вывоз документации и оборудования. Вывод, к которому пришла миссия, состоял в том, что немецкие ученые под руководством Вернера Гейзенберга находились очень далеко от поставленной цели: им даже не удалось приблизиться к критическим условиям развития цепной ядерной реакции, тогда как в США первый работающий ядерный реактор был создан Энрико Ферми ещё в 1942 году. Результаты своего расследования Гаудсмит изложил в популярной форме в книге «Алсос», вышедшей в 1947 году и выдержавшей несколько переизданий.

Родители учёного погибли в одном из немецких концлагерей.

Принимал участие в определении списка немецких учёных, которые были арестованы его миссией и интернированы в сельском доме Фарм-Холл близ Лондона, где содержались в течение шести месяцев. За это время состоялись атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, а Гейзенберг и его коллеги выдвинули тезис о том, что их неудача в создании атомной бомбы объясняется их моральным противостоянием гитлеровскому режиму. Учёный неоднократно выступал против этой версии, поскольку обладал достаточно полной информацией, чтобы обосновать объективные причины провала немецкого атомного проекта (разобщенность усилий учёных, бюрократические препоны, недостаток материалов и т. д.).

После окончания своей миссии в Европе принял предложение Северо-Западного университета.

В 1948 году он присоединился к недавно созданной Брукхейвенской национальной лаборатории и переехал на Лонг-Айленд.

С конца 1940-х годов занимался в основном административной и общественной деятельностью, работал одно время консультантом правительства по вопросам секретности, был одним из организаторов Федерации ученых-атомщиков, выступал в защиту Роберта Оппенгеймера в ходе слушаний по его делу.

В 1951 году Американское физическое общество назначило Гаудсмита редактором ведущего американского физического журнала Physical Review и его спутника Reviews of Modern Physics.

В 1952—1960 годах возглавлял физическое отделение Брукхейвенской национальной лаборатории.

В 1958 году учёный выступил инициатором основания нового журнала Physical Review Letters, который быстро стал одним из самых престижных физических изданий благодаря необычайной скорости публикации, достигнутой при помощи новых технических средств.

В 1966—1974 годах — главный редактор всей серии изданий Американского физического общества.

Награды: 1938 — Стипендия Гуггенхайма, 1946 — Президентская медаль Свободы, 1948 — Орден Британской империи, 1958 — Почетный доктор Института Кейза, 1964 — Медаль имени Макса Планка, 1972 — Почетный доктор университета Юты и Чикагского университета, 1974 — Медаль имени Карла Комптона за выдающееся управление в науке, 1975 — Почетный доктор Северо-Западного университета, 1977 — Национальная медаль науки США, 1977 — Орден Оранж-Нассау.

Семья

Был дважды женат, от которой имел дочь Эстер, ставшую биологом.

Последние годы

После отставки принял приглашение стать почетным профессором университета Невады в Рино.

Скончался 4 декабря 1978 года на территории университетского кампуса.

См. также

• Евреи в физике