Otto Stern

Otto Stern (ur. 17 lutego 1888 w Żorach, zm. 17 sierpnia 1969 w Berkeley w stanie Kalifornia) – niemiecki fizyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 1943 za wkład w rozwój metody wiązki molekularnej i odkrycia momentu magnetycznego protonu.

Otto Stern
Otto Stern.
Źródło: Wikimedia Commons

Rodzina

  • Ojciec: Oscar Stern (1850–1919), właściciel młyna w Żorach i handlarz zbożem;
  • Matka: Eugenie z domu Rosenthal (1863–1907);
  • Rodzeństwo: 3 siostry i brat, doktor filozofii Kurt (1892–1938), pracował w frankfurckim Institut für die physikalischen Grundlagen der Medizin. Po zwolnieniu z pracy przez narodowych socjalistów (1933) i przymusowej sprzedaży domu oraz konfiskacie aparatury naukowej wyemigrował w latach 1934/35 przez Paryż do USA (Nowy Jork), gdzie 19 grudnia 1938 roku odebrał sobie życie.
  • Otto Stern był kawalerem.

Biografia

Otto Stern pochodził z zamożnej rodziny żydowskiej. Jego ojciec, Oscar Stern (1850–1919), był właścicielem młyna w Żorach i handlował zbożem. Matka, Eugenie z domu Rosenthal (1863–1907), pochodziła z Rawicza. Był najstarszy z piątki rodzeństwa. W 1892 roku rodzina przeprowadziła się do Wrocławia, gdzie uczęszczał do wielowyznaniowego gimnazjum Johannes–Gymnasium (obecnie Zespół Szkół Ekonomiczno-Administracyjnych im. Marii Dąbrowskiej), w którym zdał maturę w 1906 roku. Następnie studiował matematykę, fizykę i chemię na uniwersytetach w Fryburgu Bryzgowijskim, Monachium i Wrocławiu, między innymi u fizykochemika Richarda Abegga (1869-1910), chemika Adolfa von Baeyera (1835-1917), fizyka Arnolda Sommerfelda (1868-1951) i chemika Otto Sackura (1880-1914). Doktoryzował się w 1912 roku we Wrocławiu u Otto Sackura pracą „Zur kinetischen Theorie des osmotischen Druckes konzentrierter Lösungen und über die Gültigkeit des Henryschen Gesetzes für konzentrierte Lösungen von Kohlendioxyd in organischen Lösungsmitteln bei tiefen Temperaturen“ („O kinetycznej teorii ciśnienia osmotycznego roztworów stężonych oraz o ważności prawa Henry'ego dla stężonych roztworów dwutlenku węgla w rozpuszczalnikach organicznych w niskich temperaturach”).

W tym samym roku został współpracownikiem naukowym Alberta Einsteina (1879-1955) na Uniwersytecie Karola w Pradze, a w 1913 roku podążył za nim na Politechnikę Federalną do Zurychu. Z Einsteinem, który na początku kariery fizyka uchodził za specjalistę od termodynamiki, prowadził intensywne dyskusje nad termodynamicznymi i kwantowymi zagadnieniami teoretycznymi. Einstein – jak twierdził Stern – dał mu wgląd w to, jakie „istotne i mniej istotne problemy fizyczne zajmowały fizykę” i jakie „eksperymenty należało przeprowadzić” [cyt. z Immanuel Estermann w: Bethge/Klein (eds.): Physiker u. Astronomen 1989, s. 47]. Razem opublikowali pracę o energii punktu zerowego (niem. Nullpunktenergie) ciał („Einige Argumente für die Annahme einer Molekularen Agitation beim absoluten Nullpunkt”, 1913),w której zasugerowali jako pierwsi możliwość istnienia energii, którą mają wszystkie oscylatory kwantowe w temperaturze zera bezwzględnego. W Zurychu Otto Stern habilitował się w 1913 roku z zakresu chemii fizycznej pracą o entropii absolutnej jednoatomowego gazu pt. „Zur kinetischen Theorie des Dampfdrucks einatomiger Gase” („O kinetycznej teorii ciśnienia pary gazów jednoatomowych”). Po wybuchu pierwszej wojny światowej Stern przerwał wykłady prowadzone w Zurychu, wziął urlop i zgłosił się jako ochotnik do niemieckiego wojska. Do połowy 1915 roku stacjonował na lotniku Luftschiffhafen am Rebstock (dzielnica Frankfurtu nad Menem), a następnie po przeszkoleniu jako meteorolog trafił na front wschodni do Łomży, gdzie powstała jego praca, w której obliczył energię układu sprzężonych punktów masowych.

Dzięki Einsteinowi poznał w Zurychu Maxa von Laue (1879 – 1960), który od 1914 roku był profesorem fizyki teoretycznej na  Uniwersytecie Zuryskim. Już w listopadzie 1914 roku Stern został przez Laue sprowadzony na Uniwersytet Frankfurcki jako pierwszy Privatdozent fizyki, gdzie podczas wojny prowadził wykłady, między innymi o teorii molekularnej i kwantowej. Jedynie dzięki rodzinnej zamożności mógł Stern piastować nieopłacane stanowisko Privatdozenta. Po wojnie i krótkim okresie działalności w zimie 1918/19 w Instytucie Fizyki w Berlinie, kierowanym przez Walthera Nernsta (1864-1941), wrócił w lutym 1919 roku do Frankfurtu nad Menem, gdzie poświęcił się fizyce eksperymentalnej. Mimo ciasnoty panującej w instytucie oraz ograniczonych zasobów spowodowanych skutkami wojny i kryzysów gospodarczych Otto Stern zapisał się w historii fizyki swoimi przełomowymi eksperymentami. W swoich badaniach czynnie był wspierany przez Maxa Borna (1882 – 1970), następcę Maxa von Laue. Przy praktycznej realizacji aparatury doświadczalnej Stern, który skrupulatnie planował swoje eksperymenty, współpracował z mechanikiem instytutowym Adolfem Schmidtem. Stosując tak opracowaną metodę wiązki atomowej lub molekularnej, Otto Stern mógł wyznaczyć prędkość atomów srebra w próżni i w ten sposób doświadczalnie potwierdzić rozkład prędkości Maxwella.

We Frankfurcie kulminacyjny punkt badań stanowił przeprowadzony w nocy z 7 na 8 lutego 1922 roku „eksperyment Sterna–Gerlacha”, który z powołanym na Privatdozenta w październiku 1920 roku do Instytutu Fizyki Eksperymentalnej Waltherem Gerlachem (1889 – 1979) zaprojektował już początkiem 1921 roku. Na tle dyskusji nad modelem atomu Bohra i początków fizyki kwantowej Stern chciał doświadczalnie obalić, wysuniętą przez Arnolda Sommerfelda (1868 – 1951) i Petera Debye'a (1884 – 1966) w 1916 roku, teorię kierunkowego skwantowania momentów magnetycznych atomów w zewnętrznym polu magnetycznym dla wyjaśnienia efektu Zeemana (tj. rozszczepienia linii widmowych przez pole magnetyczne). W oparciu o metodę wiązki molekularnej, atomy srebra zostały wystawione na działanie niejednorodnego pola magnetycznego w próżni. Wynik pokazał jednak kwantowanie kierunkowe, ale w postaci rozszczepionej, dwubiegunowej wiązki srebra na płytce zbierającej, czyli rozszczepienie dubletu, czego spodziewał się również Niels Bohr. Otto Stern i Walther Gerlach początkowo interpretowali to jako potwierdzenie teorii Bohra. Dopiero później okazało się, że efekt ten opiera się na elektronowym stycznym momencie pędu (odkrytym jako spin elektronu w 1925 roku przez George'a Uhlenbecka (1900 – 1988) i Samuela Abrahama Goudsmita (1902 – 1978). Sternowi i Gerlachowi udało się wyznaczyć podczas eksperymentu i kolejnych pomiarów wiosną 1922 roku dodatkowo moment magnetyczny atomu srebra. Mimo początkowych błędnych interpretacji, udany eksperymentalny dowód kwantowania kierunkowego Sterna i Gerlacha wyznacza przejście od klasycznej teorii atomu do nowoczesnej teorii kwantowej.

W czasie eksperymentu Stern–Gerlach Otto Stern był już od jesieni 1921 roku profesorem nadzwyczajnym fizyki teoretycznej w Rostocku, ponieważ odmówiono mu tego tytułu we Frankfurcie nad Menem. Przypuszcza się, że spowodowane to było antysemityzmem Richarda Wachsmutha (1868 – 1941), dyrektora Physikalisches Institut, który miał istotny wpływ na powoływanie docentów.

Początkiem 1923 roku Otto Stern przeniósł się do Hamburga jako profesor zwyczajny chemii fizycznej i został dyrektorem Instytutu Chemii Fizycznej. W ciągu kolejnych dziesięciu lat w Hamburgu dalej rozwijał metodę wiązki molekularnej i uczynił tamtejszy uniwersytet uznanym na całym świecie instytutem w dziedzinie fizyki atomowej, molekularnej i jądrowej. W ten sposób jemu i jego współpracownikom udało się eksperymentalnie zmierzyć długość fali de Broglie'a i tym samym dostarczyć dowód na falową naturę cząstek. Równocześnie dokonał udanych pomiarów momentów magnetycznych protonu i deuteronu w cząsteczkach wodoru. W 1929 roku odrzucił propozycję objęcia stanowiska profesora chemii fizycznej we Frankfurcie nad Menem, po tym jak udało mu się wprowadzić w Hamburgu liczne ulepszenia (m.in. nowy budynek instytutu). Do jego najważniejszych współpracowników w Hamburgu należeli Immanuel Estermann (1900-1973), Isidor Isaac Rabi (1898-1988), Emilio Segrè (1905-1989) i Otto Robert Frisch (1904-1979).

W czerwcu 1933 roku Otto Stern złożył dymisję, którą przyjęto 1 października 1933 roku. Opuścił Niemcy i wyjechał do Stanów Zjednoczonych Ameryki, gdzie został profesorem w Carnegie Institute of Technology w Pittsburghu (Pensylwania). Oprócz badań, które nie nawiązywały do jego sukcesów we Frankfurcie i Hamburgu, poświęcił się wspieraniu licznych emigrantów z Niemiec. Podczas wojny uczestniczył w badaniach nad technologią wojskową i pełnił funkcję doradcy Departamentu Wojny USA. W 1944 roku otrzymał Nagrodę Nobla za rok 1943 w uznaniu „za wkład w rozwój metody wiązki molekularnej i odkrycie momentu magnetycznego protonu”. Rezonansowa metoda obserwacji właściwości magnetycznych jąder atomowych (Isidor Isaac Rabi), zegar atomowy (Norman Ramsey), nowoczesna technologia laserowa i wiele innych prac nagrodzonych Noblem opierają się na fundamentalnych odkryciach i badaniach Otto Sterna.

Po przejściu na emeryturę Stern osiadł w 1946 roku w Berkeley, gdzie mieszkała rodzina siostry. W następnych latach regularnie podróżował do Europy, zwłaszcza do Szwajcarii, spotykał się z wcześniejszymi kolegami z Niemiec, którym też dostarczał towarów, których brakowało w Niemczech. Jednak po wojnie nigdy nie odwiedził Niemcy oficjalnie, nawet wówczas gdy jego droga od czasu do czasu przebiegała przez ziemię niemiecką. Odrzucił też prawie wszystkie zaproszenia na konferencje naukowe (z wyjątkiem konferencji noblistów w Lindau w 1968 roku) i odmówił też przyjęcia renty zaproponowanej przez uniwersytet w Hamburgu.

Otto Stern zmarł 17 sierpnia 1969 roku na zawał serca w Berkeley, gdzie też został pochowany.

Literatura

  • Martius, Sebastian: Stern, Otto (1888-1969). W: Frankfurter Personenlexikon (online).
  • Piotr Greiner: Otto Stern(1888-1969) : noblista z Żor, Katowice : Towarzystwo Zachętów Kultury, 1994.
  • Dieter Hoffmann: Stern, Otto w: Neue Deutsche Biographie 25 (2013), s. 281-282 (online).