Путь к «Нобелевке»:Питер Зееман

В рамках нового выпуска рубрики «Путь к "Нобелевке"» рассказываем о Питере Зеемане — физике, который внес огромный вклад в изучение магнетизма и излучения. Рассказываем, как он опубликовался в Nature в 18 лет, учился у будущего партнера по Нобелевской премии и зачем к нему ездил Эйнштейн.Питер ЗееманРодился 25 мая 1865 года в Зоннемейре, Нидерланды. Умер 9 октября 1943 года в Амстердаме, Нидерланды.Нобелевская премия по физике 1902 года (совместно с Хендриком Лоренцом).Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания исключительных услуг, которые они оказали науке своими исследованиями влияния магнетизма на явления излучения» (in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena).Наш сегодняшний герой рос обычным провинциалом. Его отец, Катаринус Форандинус Зееман, был пастором Нидерландской Реформистской церкви (распространенная кальвинистская деноминация) в небольшой зеландской деревушке Зоннемейре.Интерес к физике, как и талант к ее изучению, у молодого человека возник довольно рано. В 1883 году над Нидерландами было видно эффектное полярное сияние. 18-летний Зееман, еще не закончивший среднюю школу, составил тщательное и подробное описание этого события, зарисовал его и отослал статью в Nature. Статья была опубликована с пометкой редактора «тщательные наблюдения профессора Зеемана в его обсерватории в Зоннермейре». А «профессор Зееман» продолжил ходить в школу.В том же 1883 году он закончил школу (кстати, учился он в городке Зиркзее, а не в родной деревушке, поскольку там, похоже, просто не было общеобразовательной школы, только начальная) и отправился в Делфт. Но не в Политехническую школу. В городе он пробыл два года и все это время учил латынь и греческий. Именно в Делфте Зееман познакомился с выдающимся физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, к которому мы еще вернемся, когда дойдем до Нобелевской премии 1913 года. Впрочем, тогда Камерлинг-Оннес еще только защитил свою докторскую, и получение первого жидкого кислорода, водорода и гелия, а также открытие сверхпроводимости были еще впереди.Хейке Камерлинг-Оннес. Wikimedia CommonsА тогда они встретились, поговорили о Максвелле (о чем еще было говорить в Делфте?), и Камерлинг-Оннес высоко оценил понимание Зееманом трактата Максвелла о теплоте. Вероятно, именно будущий первооткрыватель сверхпроводимости и стал проводником молодого человека в мир физики. Потому что уже в 1885 году Зееман поступил в Лейденский университет, где учился у того же Камерлинга-Оннеса и у Хендрика Антона Лоренца. Именно с Лоренцом Зееман разделил Нобелевскую премию по физике 1902 года.Пять лет спустя Зееман закончил университет, стал ассистентом Лоренца и начал работать над докторской диссертацией, посвященной эффекту Керра (диссертация была частью программы лаборатории Лоренца по изучению этого интереснейшего явления). Он был открыт за 15 лет до опытов Зеемана шотландцем Джоном Керром. Этот эффект (его еще называют магнитооптическим эффектом Керра; не нужно путать его с другим эффектом Керра, при котором в прозрачной среде под действием электрического поля возникает двойное лучепреломление) был одним из немногих на то время экспериментальных доказательств того, что свет представляет собой электромагнитную волну.Джон Керр, шотландский физик. Томас Эннан/Национальная портретная галереяВ чем его суть? Есть взять металлический магнит, до блеска отполировать его полюса, то при отражении поляризованного света от этих полированных полюсов, плоскость поляризации поворачивается.В работе Зеемана все отметили выдающееся экспериментальное мастерство Зеемана, которым потом отличались все его работы. В 1892 году она принесла ему золотую медаль Нидерландского хаарлемского научного общества, и год спустя он защитил диссертацию.После защиты докторской Зееман провел семестр в Страсбурге, в Институте Кольрауша, и вернулся в 1894 в ставший родным Лейден, где он продолжил эксперименты по взаимодействию магнетизма и излучения.В то время было известно всего два экспериментальных явления, связывающих магнетизм и оптику. Один Зееман уже тщательно изучил, второй был открыт еще раньше (вращение плоскости поляризации света при прохождении сред, помещенных в сильное магнитное поле). Но было понятно, что таких эффектов должно быть больше.Наш герой решил сфокусироваться не на самом излучении, а на его источнике. Если быть точным, на излучении, которое производят возбужденные атомы натрия, на его спектре.Хендрик Антон Лоренц. Wikimedia CommonsВ спектре натрия есть две яркие оранжевые линии, и Зееман надеялся, что магнитное поле что-нибудь сделает с «вибрациями частиц» в излучении. Зееман знал, что Фарадей проводил такой эксперимент и потерпел неудачу. Видимо, это знало и руководство Зеемана, наложив прямой запрет на «бесполезные» опыты Зеемана. Тем не менее слабый эффект расширения линий в магнитном поле пронаблюдать удалось. Впрочем, руководство в ответ на нарушение приказа уволило Зеемана. В 1897 году ему пришлось перейти в Университет Амстердама, лектором. В субботу 31 октября 1896 года бывший патрон Зеемана, Лоренц, и еще один преподаватель, Камерлинг-Оннес, услышали (первыми среди серьезных ученых) о результатах Зеемана от своего бывшего ученика на конференции Королевской Нидерландской академии искусств и наук.Уже в понедельник 2 ноября 1896 года Лоренц вызвал Зеемана к себе и рассказал, что может объяснить эффект с точки зрения его собственной теории электромагнитного излучения.Лоренц предсказал, что магнитное поле заставит электрически заряженные частицы материи «вибрировать» по-другому, с частотами, слегка отличающимися от соответствующих частот для частиц, не подвергшихся такому воздействию. Так, он ожидал, что спектральная линия не просто расширится, но расщепится на три различные линии. Он предсказал также, что излучаемый свет будет поляризован определенным образом в соответствии с изменившимся движением частиц. Зееман сумел обнаружить предсказанную поляризацию, и после кропотливых опытов с пламенем при сгорании других веществ, таких как кадмий, ему удалось расщепить расширившиеся линии спектра на отдельные компоненты.Он повторял свой опыт вновь и вновь, поскольку он был очень труден экспериментально, а установка была очень чувствительна к вибрации. Зееман даже уезжал в провинциальный Гронинген, где ему не мешали проезжающие мимо повозки.Зарисовки эффекта Зеемана, сделанные рукой первооткрывателя. Wikimedia CommonsСтоль точные измерения позволили Зееману сделать еще одно важное открытие — измерить отношение заряда «вибрирующей» и вызывающей излучение частицы к массе. И не только. Именно Зееман предположил, что та самая «вибрирующая частица», вызывающая появление спектра, — это тот самый открытый профессором Томсоном в катодной трубке электрон. Сейчас отношение заряда электрона к массе — одна из фундаментальных констант в физике.На соискание Нобелевской премии по физике 1902 года было выдвинуто 25 номинаций. Уже выдвигали Пьера и Мари Кюри, дважды выдвинули того самого шотландца Джона Керра, с эффекта которого и началась научная карьера Зеемана. Хендрик Лоренц был выдвинут шесть раз. Питер Зееман — один раз (Сванте Аррениусом). Но, в отличие от скандального случая с премией по физиологии и медицине, где Рональд Росс «запинал» потенциально второго лауреата так, что в итоге премию присудили ему одному, в области физики все получилось справедливо: премию, впервые в истории, разделили двое: Зееман, открывший эффект, и Лоренц, его объяснивший. Ученик и учитель.На торжественной церемонии Хьялмар Теель, член Шведской королевской академии наук, сказал, что эффект Зеемана «представляет собой одно из наиболее важных экспериментальных достижений за последние десятилетия», и добавил, что «последствия открытия Зеемана обещают существенно повысить наши знания о строении спектров и о молекулярном строении материи».Теель был полностью прав. До сих пор эффект Зеемана — один из важнейших источников наших знаний, например о звездах, а точнее, об их магнитных полях.После Нобелевской премии Зееман прожил еще четыре десятка лет. Он так и остался в Амстердаме, его лабораторию часто посещали великие физики (например, Эйнштейн, поскольку изучения в области магнитооптики напрямую касались Специальной теории относительности). Одним из первых Зееман занимался и таким новым методом, как масс-спектрометрия.Эйнштейн во время посещения амстердамской лаборатории Зеемана. Слева направо: Питер Зееман, Альберт Эйнштейн, Пауль Эренфест. Wikimedia CommonsКак вспоминают о Зеемане ученики и его студенты, он был очень открытым и скромным ученым, всегда был готов поговорить о работе молодого ученого. Как и полагалось, в возрасте семидесяти лет он ушел в отставку со всех постов. Увы, он умер в не самое приятное время, в оккупированном Германией Амстердаме, и был похоронен в Хаарлеме.Проект реализуется в рамках инициативы «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.