אוטו שטרן הפך את אלומות האטומים לכלי ניסויי רב־עוצמה, היה שותף לאחד הניסויים המכוננים של תורת הקוונטים, עזב את גרמניה עם עליית הנאצים וזכה בפרס נובל על גילוי המומנט המגנטי של הפרוטון
אוטו שטרן, פיזיקאי ניסויי מבריק וחתן פרס נובל לפיזיקה, נולד ב־17 בפברואר 1888 כילדם הבכור של סוחר התבואה האמיד אוסקר שטרן ושל אשתו יוגניה, לבית רוזנטל, בעיר זוראו שבשלזיה העליונה – כיום ז׳ורי שבפולין. אוטו היה אחד מחמשת ילדי המשפחה: שני בנים ושלוש בנות.
בשנת 1892 עברה המשפחה לברסלאו, כיום ורוצלב שבפולין. בשנים 1897–1906 למד שטרן בגימנסיה ההומניסטית על שם יוהנס, ובסיומם קיבל תעודת בגרות.
לאחר בחינות הבגרות למד כימיה פיזיקלית במשך 12 סמסטרים באוניברסיטת ברסלאו. עצמאותו הכלכלית, בזכות עושרה של משפחתו, אפשרה לו ללמוד תקופות מסוימות גם באוניברסיטאות פרייבורג ומינכן. בשנת 1912 השלים בברסלאו דוקטורט בכימיה פיזיקלית.
שיחות עם איינשטיין
שטרן יצר קשר הדוק עם אלברט איינשטיין והצטרף אליו בפראג ולאחר מכן בציריך. לימים סיפר על השיחות ביניהם לעמיתו הצעיר, הפיזיקאי היהודי־אוסטרי אוטו רוברט פריש:
"דיברנו על התיאוריות החדשות ביותר. בפאבים היה רעש בלתי נסבל – מוזיקה, ריקודים, שירים וצעקות, ולפעמים גם קטטות. המקומות השקטים ביותר שמצאנו היו בתי הקפה שבבתי הבושת. ישבנו בשולחן בפינה, דיברנו, התווכחנו וכתבנו על מפיות ועל מפות. איש לא הפריע לנו. זרים היו יכולים לומר: איינשטיין ושטרן אינם יוצאים מבתי הבושת!"
בשנת 1913 עבר איינשטיין למכון הטכנולוגי הפדרלי בציריך, ושטרן המשיך לעבוד לצדו כחוקר צעיר.
עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה בשנת 1914 גויס שטרן לצבא הקיסרות הגרמנית ושירת, בין השאר, כמטאורולוג. בהמשך הועבר עם מדענים אחרים למעבדתו של חתן פרס נובל לכימיה ולטר נרנסט באוניברסיטת ברלין, שבה נערכו מחקרים עבור משרד המלחמה.
בברלין עבד שטרן לצד הפיזיקאים היהודים מקס בורן וג׳יימס פרנק, שניהם חתני פרס נובל לעתיד. בהשפעתו של פרנק, ניסיונאי מיומן, עבר שטרן בהדרגה מהעיסוק התאורטי לעבודה ניסויית.
אלומות של חלקיקים בלתי נראים
לאחר המלחמה התמנה מקס בורן למנהל המכון לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת פרנקפורט והזמין את שטרן לשמש עוזרו. בורן כתב עליו: "הצלחתי למצוא באוטו שטרן פריבט־דוצנט באיכות הגבוהה ביותר, אדם טוב לב ושמח, שהפך במהרה לחבר טוב שלנו."
שטרן החל לעסוק באימות ניסויי של תאוריית התנועה המולקולרית שפיתח ג׳יימס קלרק מקסוול במאה ה־19. על פי התאוריה, מולקולות גז נמצאות בתנועה אקראית מתמדת ומהירויותיהן מתפלגות בדרך הניתנת לחישוב.
שטרן פיתח מתקן המבוסס על אלומות מולקולריות. הוא יצר זרם צר של אטומים או מולקולות הנעים בחלל ריק, וכך היה יכול למדוד את תכונותיהם של חלקיקים שאינם נראים לעין. בשנת 1920 השתמש בשיטה כדי לבחון את התפלגות המהירויות המולקולריות ולספק לה אישוש ניסויי.
ניסוי שטרן–גרלך
בשנת 1921 עבר שטרן לאוניברסיטת רוסטוק. באותה תקופה הגה ניסוי שנועד לבדוק אם הכיוון של התנע הזוויתי האטומי יכול לקבל רצף של ערכים, כפי שמצופה בפיזיקה הקלאסית, או רק ערכים בדידים, בהתאם לתאוריה הקוונטית הישנה.
בשנת 1922 ביצעו שטרן והפיזיקאי ולטר גרלך את הניסוי שנודע מאז כניסוי שטרן–גרלך. הם חיממו כסף בתנור ויצרו אלומה של אטומי כסף ניטרליים. האלומה עברה דרך שדה מגנטי בלתי אחיד ופגעה בלוחית ששימשה גלאי.
לפי התחזית הקלאסית הייתה אמורה להיווצר על הלוחית התפלגות רציפה, שתשקף מגוון כיוונים של המומנטים המגנטיים. במקום זאת התפצלה אלומת האטומים לשני מסלולים נפרדים.
במונחי אותה תקופה נחשבה התוצאה לראיה ישירה לקוונטיזציה מרחבית. רק לאחר שהוצע מושג הספין בשנת 1925 התבררה המשמעות המודרנית של הפיצול: אטומי הכסף הופיעו בשני מצבים קוונטיים בדידים.
לניסוי קשור סיפור מפורסם. שכבת הכסף שהצטברה על הגלאי הייתה דקה מכדי להיראות היטב. שטרן היה מעשן כבד של סיגרים זולים ועשירים בגופרית. על פי העדות ההיסטורית, כאשר נשפו החוקרים על הלוחית, תרכובות גופרית מהבל הפה הגיבו עם הכסף ויצרו שכבה כהה של כסף גופרי. הסימן הדק נעשה לפתע גלוי, והפיצול הופיע לנגד עיניהם.
כך סייע סיגר גרוע לחשוף את אחד הממצאים החשובים בתולדות הפיזיקה.
מהספקנות הקוונטית אל פרס נובל
בשנים 1923–1933 היה שטרן פרופסור לכימיה פיזיקלית ומנהל המעבדה באוניברסיטת המבורג. בתחילת שנות השלושים השתמשו שטרן, אוטו פריש ועמנואל אסתרמן בשיטות משוכללות של אלומות מולקולריות למדידת המומנט המגנטי של הפרוטון – גודל קטן בהרבה מהמומנט המגנטי של האלקטרון.
פריש סיפר כי בשנת 1913 נשבעו שטרן ומקס פון לאואה שאם "האבסורד של בוהר" – המודל הקוונטי המוקדם, שסטה באופן קיצוני מהפיזיקה הקלאסית – יתברר כנכון, הם יפרשו מהפיזיקה. הגילויים הניסויים של שטרן עצמו שכנעו אותו לבסוף בנכונותה של התמונה הקוונטית.
כאשר עלו הנאצים לשלטון בשנת 1933 והחלו לסלק יהודים מהמדע הגרמני, היה שטרן זכאי בתחילה לפטור מחלק מהצעדים האנטישמיים בזכות שירותו במלחמת העולם הראשונה. למרות זאת התפטר מתפקידו באוגוסט 1933 ועזב את גרמניה.
התפטרותו הייתה קשורה גם לפיטורי עמיתו הוותיק עמנואל אסתרמן ולדרישה להסיר את דיוקנו של איינשטיין ממשרדו. לאחר הסתלקותו איבד המכון בהמבורג את הדמות המרכזית שהעניקה לו את כוחו המדעי.
עמיתו ג׳יימס פרנק היה מן המדענים הגרמנים הראשונים שהתפטרו מטעמים עקרוניים. ב־17 באפריל 1933 כתב לשר המדע והחינוך כי הסיבה להתפטרותו היא יחס הממשלה ליהודי גרמניה. גם פרנק, כוותיק מלחמת העולם הראשונה, לא היה חייב לפרוש מיד, אך סירב לפטר את עמיתיו ואת תלמידיו היהודים.
במכתב לרקטור האוניברסיטה כתב פרנק: "אלינו, הגרמנים ממוצא יהודי, מתייחסים כאל זרים וכאל אויבי המולדת. יש לצפות שילדינו יגדלו בידיעה שלעולם לא ייתנו להם להוכיח שהם גרמנים ראויים."
שטרן לא שב להתגורר בגרמניה. הוא הוזמן לכהן כפרופסור במכון קרנגי לטכנולוגיה בפיטסבורג שבפנסילבניה, לימים אוניברסיטת קרנגי מלון. ב־8 במרץ 1939 קיבל אזרחות אמריקנית, ובמהלך מלחמת העולם השנייה שימש יועץ למחלקת המלחמה של ארצות הברית.
בשנת 1943 הוענק לו פרס נובל לפיזיקה "על תרומתו לפיתוח שיטת האלומות המולקולריות ועל גילוי המומנט המגנטי של הפרוטון". בשנת 1945 נבחר לאקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית.
עוצמה מדעית במספר קטן של מאמרים
בשנת 1946 פרש שטרן ועבר לברקלי שבקליפורניה. שם חידש את קשריו עם הפיזיקאי היהודי־איטלקי אמיליו סגרה, חתן פרס נובל לפיזיקה. סגרה למד אצל שטרן בהמבורג בשנת 1930 במסגרת מלגה של קרן רוקפלר ובהמלצת מורו אנריקו פרמי.
שני הפיזיקאים נמלטו מהפשיזם האירופי לארצות הברית. בברקלי נפגשו בקביעות ושוחחו על תגליות באסטרופיזיקה ובפיזיקת החלקיקים עד מותו של שטרן.
בשנת 1973 פרסם סגרה זיכרונות על מורו וידידו: "שטרן היה אחד הפיזיקאים הגדולים ביותר של המאה העשרים. הוא כתב מספר קטן יחסית של מאמרים, אך איזו עוצמה יש באלה שכתב!"
סגרה תיאר את נחישותו המדעית יוצאת הדופן של שטרן, את יכולתו לזהות בעיות יסוד ולהתרכז בהן, וגם את אהבתו בשנותיו האחרונות למטבח משובח, לסיגרים טובים ולביקורים קבועים בקולנוע.
אוטו שטרן לקה בהתקף לב בעת צפייה בסרט ומת בברקלי ב־17 באוגוסט 1969, בגיל 81. הוא הותיר אחריו מורשת של ניסויים שהעניקו צורה מוחשית לעולם הקוונטי – עולם שהיה לפניו, במידה רבה, אוסף של רעיונות תאורטיים נועזים.
שאלות ותשובות
שאלה: מה הראה ניסוי שטרן–גרלך? תשובה: הניסוי הראה שאלומת אטומי כסף העוברת בשדה מגנטי בלתי אחיד מתפצלת למצבים בדידים במקום ליצור התפלגות רציפה. הוא סיפק ראיה ישירה לקוונטיזציה של התנע הזוויתי.
שאלה: האם שטרן וגרלך גילו את הספין? תשובה: לא במישרין. הניסוי נערך בשנת 1922, ואילו מושג הספין הוצע רק בשנת 1925. בדיעבד התברר כי תוצאת הניסוי מתאימה להתנהגות הספין של האלקטרון באטום הכסף.
שאלה: על מה קיבל אוטו שטרן את פרס נובל? תשובה: הפרס הוענק לו על פיתוח שיטת האלומות המולקולריות ועל גילוי המומנט המגנטי של הפרוטון, ולא במפורש על ניסוי שטרן–גרלך.
שאלה: מדוע עזב את גרמניה? תשובה: שטרן, שהיה יהודי, התפטר מאוניברסיטת המבורג בשנת 1933 על רקע מדיניות הנאצים, פיטורי עמיתיו היהודים והפגיעה בחופש המדעי.
לפרסום המקורי: פתיחת הפרסום המקורי
