Уиллис Лэмб

Биография

Американский физик Уиллис Юджин Лэмб родился в Лос-Анджелесе (штат Калифорния). Его отец и тезка был инженером-телефонистом, а мать Мари Элен (Меткалф) Лэмб – учительницей. Л. учился в начальных школах Окленда и Лос-Анджелеса. Окончил он лос-анджелесскую среднюю школу, где проявил незаурядные способности в химии. Степень бакалавра наук по химии Л. получил в 1934 г. в Калифорнийском университете в Беркли и остался там для работы над диссертацией под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера, за которую в 1938 г. ему была присуждена докторская степень. Диссертация была посвящена электромагнитным свойствам ядерных частиц. В ней предсказывалось, что из-за конечных размеров протона его электрическое поле должно слегка отличаться от поля точечной частицы, например электрона.

На протяжении всей своей научной карьеры Л. преподавал физику в различных университетах: Колумбийском (1938...1951), Станфордском (1951...1956), Гарвардском (1953...1954), Оксфордском (1956...1962), Йельском (1962...1974). В университете штата Аризона в 1974 г. он был назначен профессором физики и о

птики. Его отношение к обязанностям педагога ярко проявилось в таком эпизоде: узнав о присуждении ему Нобелевской премии, Л. отправился в аудиторию, чтобы провести очередной семинар по квантовой механике, и лишь потом встретился с представителями прессы.

С 1942 по 1952 г. Л. работал по совместите

льству в радиационной лаборатории Колумбийского университета над проектами, финансировавшимися войсками связи армии США, Управлением научных исследований военно-морских сил и Департаментом научных исследований и изобретений. Его работы были связаны главным образом с радарной и микроволновой техникой

Работая вместе с И.А. Ради и группой, занимавшейся молекулярными пучками, Л. заинтересовался метастабильными состояниями атомов. Обычно возбужденное, или высокоэнергетическое, состояние атома быстро распадается, и атом, испуская излучение, переходит в состояние с более низкой энергией. Наиболее

сильно возбужденные состояния распадаются с испусканием одного фотона, или кванта света, примерно за 10–8 секунды. Метастабильные состояния существуют гораздо дольше. Например, время жизни так называемого второго возбужденного состояния атома водорода примерно в 700 млн. раз превышает время жизни д

ругих возбужденных состояний. Причина такого «долголетия» заключается в том, что атом во втором возбужденном состоянии не может испустить один фотон. Законы сохранения углового момента и свойства, называемого четностью, требуют, чтобы атом одновременно испускал два фотона. Такой процесс менее вероят

ен и поэтому происходит гораздо медленнее.

Первоначально Л. был физиком-теоретиком, но его наиболее известные работы связаны с серией необычайно тонких экспериментов, большинство из которых было выполнено в сотрудничестве с Робертом К. Резерфордом в Колумбийском университете. По мере расширения с

феры своих исследований в годы войны внимание Л. привлекли поглощение и испускание микроволнового излучения атомами. Зная из литературы о предпринятых в 30-х гг. безуспешных попытках обнаружить поглощение микроволнового излучения в газе, состоящем из возбужденных атомов водорода, Л. сначала отнес не

удачу за счет неадекватной микроволновой техники. Но впоследствии он пришел к выводу, что обнаружить поглощение мешал метод, который экспериментаторы избрали для возбуждения атомов. Л. решил воспользоваться усовершенствованной микроволновой техникой для того, чтобы уточнить спектроскопические измере

ния различных энергетических уровней атома водорода.

В атоме водорода один-единственный электрон движется вокруг ядра по одной из серии орбит. Находясь на своей орбите, электрон обладает вполне определенной энергией. Для того чтобы он перешел на более высокую орбиту, атом должен поглотить фотон,

энергия которого в точности соответствует разности энергий между орбитами. То же самое происходит и при переходе электрона на более низкую орбиту – атом должен испустить фотон, обладающий соответствующей энергией. Такие переходы порождают спектр атомарного водорода, состоящий из отдельных четких лин

ий.

Многие линии в спектре водорода обладают «тонкой структурой». Если рассматривать их с большим увеличением, становится видно, что они состоят из двух или большего числа близко расположенных линий. Это свидетельствует о том, что орбитальные энергетические уровни также расщепляются на близко рас

положенные подуровни. Переходы между соседними уровнями тонкой структуры требуют поглощения или испускания излучения в микроволновом диапазоне длин волн.

В 1928 г. английский физик Поль А. Морис Дирак вывел уравнение, которое описывало все известные свойства электрона: его волновые свойства, элек

трический заряд, спин, магнитный момент и релятивистскую зависимость массы от скорости. В качестве основы значительной части квантовой механики уравнение Дирака позволило с большой точностью предсказать 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. Л. приготовил пучок атомов водорода в метастабильном состоянии. Атомы пребывали в этом состоянии достаточно долго, что позволяло с удобством экспериментироват

ь. Затем он подверг пучок микроволновому излучению во внешнем магнитном поле. Некоторые из атомов поглощали излучение и переходили в коротко-живущее состояние. Это означало, что два соответствующих энергетических уровня не тождественны, а разделены небольшой разностью энергий, получившей название лэ

мбовского сдвига. Открытие Л. побудило Юлиана С. Швингера, Синъитиро Томонагу и Ричарда Фейнмана пересмотреть теорию электрона Дирака и сформулировать новую теорию, получившую название квантовой электродинамики, которая с замечательной точностью предсказала лэмбовский сдвиг. Сам Л. в сотрудничестве

с Норманом М. Кроллом теоретически рассчитал эффект, открытый им экспериментально.

Л. был удостоен Нобелевской премии по физике 1955 г. «за открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода». Премию Л. разделил с Поликарпом Кушем, выполнившим независимо аналогичные эксперименты, и также в

Колумбийском университете. Обращаясь к двум лауреатам с приветственной речью, Ивар Валлер из Шведской королевской академии сказал: «Ваши открытия привели к переоценке и переформулировке теории взаимодействия электронов и электромагнитного излучения квантовой электродинамики, тем самым положив начало

новому этапу развития, имевшему первостепенное значение для многих фундаментальных понятий физики».

За многие годы научно-исследовательской деятельности Л. успел поработать в различных областях физики. Он занимался такими проблемами, как теории бета-распада, длина пробега осколков деления атомно

го ядра, флуктуация в космических ливнях, испускание электронов метастабильными атомами, полевые теории структуры ядра, теории взаимодействия нейтронов и вещества, теория и проектирование магнетронных генераторов и диамагнитные поправки в экспериментах по ядерному резонансу. Он внес существенный вкл

ад и в создание теории лазеров.

С 1939 г. Л. женат на Урсуле Шеф, историке. В часы отдыха он занимается плаванием, парусным спортом, шахматами и фотографией.

Л. состоит членом Национальной академии наук США и Американского физического общества, почетным членом Лондонского физического института

и Эдинбургского королевского общества. В числе наград, которых он удостоен, медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1953) и награда «За научные заслуги» Исследовательской корпорации Америки (1955). Л. почетный доктор университетов Пенсильвании, Йешивы и колледжа Густава Адольфа.