Сэмюэл Абрахам Гаудсмит (; 11 июля 1902, Гаага — 4 декабря 1978, Рино, Невада) — американский голландского происхождения. Член Национальной академии наук США (1947). Научные работы посвящены квантовой механике, атомной и ядерной физике, вопросам спектроскопии. Наибольшую известность приобрёл благодаря открытию спи́на электрона, совершённому совместно с Джорджем Уленбеком. На протяжении многих лет являлся редактором журналов Американского физического общества.
Биография
Образование и начало научной карьеры Сэмюэл Гаудсмит родился в Гааге в семье еврейских бизнесменов: его отец Исаак торговал оборудованием для ванных комнат, а мать Марианна Гомперс владела модным магазином дамских шляп. Сэмюэл увлёкся физикой в одиннадцатилетнем возрасте, когда вычитал где-то, что при помощи спектроскопических методов можно определять состав Солнца и других звезд. После окончания школы в 1919 году он поступил в Лейденский университет, где его руководителем вскоре стал Пауль Эренфест. В начале 1920 года Гаудсмит сопровождал своего отца в деловой поездке в Ройтлинген и по рекомендации Эренфеста посетил соседний Тюбинген, где встретился с Фридрихом Пашеном, который заинтересовал молодого человека нерешёнными проблемами спектроскопии. Летом 1921 года Гаудсмит вновь приехал к Пашену, который познакомил его с техническими подробностями спектроскопических исследований.
Уже в 1921 году, в 19-летнем возрасте, Гаудсмит 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. Здесь Гаудсмит работал половину недели, а вторую половину проводил в ЛейденеС. Гаудсмит. Открытие спина электрона. С. 154..
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. Как вспоминал впоследствии сам Гаудсмит,
Непредубеждённость и свежесть восприятия Уленбека, когда он занялся атомными проблемами, множество его скептических замечаний и умных вопросов привели нас к ряду новых существенных результатов… <> …как физики мы с Уленбеком мало походили друг на друга. Это лучше всего объяснить на следующем упрощенном примере. Когда я ему рассказал о -факторах Ланде, то он спросил, к моему большому удивлению: «Кто такой Ланде?» Когда же он упомянул четыре степени свободы электрона, то я спросил его: «А что такое степень свободы?»С. Гаудсмит. Открытие спина электрона. С. 155.
Итогом этого сотрудничества стало открытие Уленбеком и Гаудсмитом спина электрона.
Открытие спина электрона
В октябре 1925 года Гаудсмит совместно с Джорджем Уленбеком ввел в физику концепцию спина: на основе анализа спектроскопических данных они предложили рассматривать электрон как «вращающийся волчок», обладающий собственным механическим моментом, равным , и собственным магнитным моментом, равным магнетону Бора. Схожие идеи приходили в голову многим физикам, однако не были сформулированы с достаточной отчётливостью. Так, 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 расчётам, скорость на поверхности электрона должна превышать скорость света). Кроме того, эта гипотеза встретила негативную реакцию со стороны Паули, Хендрика Крамерса и Вернера Гейзенберга, и Крониг решил не публиковать её.
По-видимому, эта 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. Тем не менее, они сообщили о своей гипотезе Эренфесту, которому она понравилась. Он предложил своим ученикам написать небольшую заметку для журнала Die Naturwissenschaften и показать её Хендрику Лоренцу. Лоренц произвел ряд вычислений электромагнитных свойств вращающегося электрона и продемонстрировал нелепость выводов, к которым приводит эта гипотезаА. Пайс. Джордж Юджин Уленбек. С. 377—379.. Уленбек и Гаудсмит посчитали за лучшее не публиковать свою статью, однако было поздно: Эренфест уже отослал её в печать. По этому поводу он заметил:
Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость!М. Джеммер. Эволюция понятий квантовой механики. С. 152—153.
Появление статьи Уленбека и Гаудсмита породило бурное обсуждение гипотезы спина в научных кругах. Помимо отмеченных 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 весьма 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. Окончательно правильность идеи о спине стала ясна весной 1926 года, когда расчёты 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 ЗееманаМ. Джеммер. Эволюция понятий квантовой механики. С. 154—155..
Идея спина буквально витала в воздухе: помимо уже упомянутых учёных, схожие мысли высказывали Гарольд Юри (для электрона), Шатьендранат Бозе (для фотона) и тот же Паули (для атомного ядра). По этой причине однозначно определить приоритет в вопросе открытия спина не представляется возможным. Видимо, это и стало основной причиной того, что открытие спина так и не было удостоено Нобелевской премииА. Пайс. Джордж Юджин Уленбек. С. 382—383..
К 1927 году, когда пришло время писать докторскую диссертацию, Гаудсмит уже был признанным специалистом в области атомной спектроскопии. В 1926 году он 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)B. Bederson. Samuel Abraham Goudsmit (1902—1978). P. 10.. Защита диссертации состоялась в Лейдене 7 июля 1927 года (в тот же день защитился и Уленбек)А. Пайс. Джордж Юджин Уленбек. С. 385—386..
К этому времени Уленбек и Гаудсмит уже приняли предложение занять место Оскара Клейна в Мичиганском университете в Анн-Арборе. Ещё весной Эренфест уговорил мистера 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 женами они отплыли из Европы. В Нью-Йоркском порту их встретил Оппенгеймер и после нескольких дней у него в гостях в начале сентября они прибыли поездом в Анн-АрборА. Пайс. Джордж Юджин Уленбек. С. 387—388.. Гаудсмит был женат на Jaantje Logher, от которой имел дочь Эстер, ставшую биологом. Спустя много лет, в 1960 году, они развелись. Второй женой Гаудсмита была Irene BejachB. Bederson. Samuel Abraham Goudsmit (1902—1978). P. 7..
Мичиганский университет
Несмотря на провинциальный статус Мичиганского университета, к этому времени здесь сформировалась небольшая компания талантливых молодых теоретиков: помимо вновь прибывших Уленбека и Гаудсмита здесь работали Отто Лапорте, ученик Арнольда Зоммерфельда, и Дэвид Деннисон, ученик Клейна. Вскоре самым важным событием в жизни университета стали ежегодные летние школы: благодаря связям Уленбека и Гаудсмита в Мичиган с лекциями приезжали многие ведущие физики (Эренфест, Крамерс, Ферми, Паули, Зоммерфельд, Дирак и др.)А. Пайс. Джордж Юджин Уленбек. С. 392—393.
В Анн-Арборе Гаудсмит продолжал заниматься спектроскопической тематикой, опубликовав ряд работ по сверхтонкой структуре спектров. Вместе со своим аспирантом Робертом Бэчером он разработал методику расчёта 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 исследованийСм. воспоминания Бэчера о совместной работе с Гаудсмитом: . За три 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, с которым Гаудсмит познакомился во время одного из своих визитов в КопенгагенB. Bederson. Samuel Abraham Goudsmit (1902—1978). P. 9..
Гаудсмит одним из первых осознал, что спектроскопические данные могут быть использованы для определения спинов и магнитных моментов ядер и в 1933 году провел расчёт этих величин для различных элементов периодической таблицы. С середины 1930-х годов он принимал участие в ряде теоретических и экспериментальных работ, посвященных новой проблеме диффузии, рассеяния и замедления нейтронов. Он также теоретически изучал рассеяние электроновB. Bederson. Samuel Abraham Goudsmit (1902—1978). P. 11..
Вторая мировая война. Миссия «Алсос» После начала Второй мировой войны и ещё до вступления в неё Соединённых Штатов Гаудсмит, будучи убеждённым антифашистом, перешел на временную должность в Гарвардском университете, надеясь, что здесь сможет принести бо́льшую пользу в военных вопросах. В 1941 году он присоединился к Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, где проводилась работа по радарной тематике. Он участвовал в координации исследований с английскими учёными, заведовал составлением важных технических отчётов и документацииB. Bederson. Samuel Abraham Goudsmit (1902—1978). P. 12—13..
В мае 1944 года Гаудсмит был назначен научным руководителем секретной миссии «Алсос», целью которой было определение, как далеко продвинулись немецкие учёные в разработке ядерного оружия. Хотя он сам признавался, что не знает, почему военные выбрали именно его на эту должность, вероятно, сыграло свою роль его личное знакомство практически со всеми заметными физиками Европы. Кроме того, поскольку Гаудсмит не принимал участия 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 учёные 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.