Могучий ягненок и двигающиеся линии
Уилер знал Лэмба очень хорошо и с большим уважением относился к его работе.
Вскоре после того как тот в 1939 году защитил диссертацию в Беркли, они в соавторстве опубликовали статью о том, как атомы атмосферы подвергаются воздействию космического излучения.
Сыплющиеся из космоса электроны, вынужденные из-за сопротивления воздуха отдать часть собственной энергии, нередко распадаются на другие частицы, и этот процесс именуется «каскадом».
Уилер и Лэмб рассчитали, как атомы атмосферы влияют на порождение частиц (в 1956 году они нашли ошибку в оригинальных вычислениях, пересмотрели все и опубликовали новую статью).
Но самый известный эксперимент Лэмба имел место весной 1947-го, когда ученого уже пригласили на Шелтер-Айленд. В компании магистранта Роберта Резерфорда он испытал новый способ зондирования атома водорода и показал, что одно из предсказаний Дирака не оправдывается.
В частности, Дирак рассчитал, что два электронных состояния водорода, технически известные как 2S1/2 и 2P1/2, должны иметь один и тот же уровень энергии. Эксперимент Лэмба – Резерфорда обнаружил маленькое, но заметное расхождение в структуре водорода, небольшой сдвиг в спектральных линиях, обозначающий, что имеется разница в энергии двух упомянутых состояний.
Открытие, что использовавшаяся ранее модель была не совсем верной, позволило теоретикам двинуть вперед квантовую электродинамику.
После работы для военных, проведенной в лаборатории излучения Колумбийского университета, Лэмб стал экспертом в обращении с концентрированными, сравнительно высокочастотными микроволнами. Более короткие, чем радиоволны, они позволяли точнее оценить цель, заметить мельчайшие отклонения в уровне энергии. После войны Лэмб решил приложить свои умения к атомной отрасли, в особенности он хотел разобраться с тем, корректно ли модель Дирака предсказывает спектр водорода.
26 апреля, после нескольких попыток применить микроволновое тестирование к атомам водорода, Лэмб и Резерфорд достигли успеха. Они обнаружили, что если использовать сигнал примерно в 1000 мегациклов (миллионов циклов) в секунду, то они могут перевести электрон из состояния 2P1/2 в 2S1/2.
Но в соответствии с квантовыми принципами, установленными еще Максом Планком и Альбертом Эйнштейном, определенная частота соотносилась с определенным крошечным количеством энергии. Так что Лэмб и Резерфорд доказали существование небольшого, но заметного различия в энергии. Оно получило имя «Лэмбовского сдвига».
По поводу этого открытия поползли слухи, и Лэмб начал готовить отчет для надвигающейся конференции на Шелтер-Айленд. В изучении электронов внутри атома он добился куда большей точности, чем когда-либо удавалось другим исследователям, и сумел обнаружить такие крохотные различия в уровне энергии, о каких ранее и не мечтали.
Вайскопф базировался только на собственных вычислениях, но у него было подозрение по поводу энергетического различия двух состояний. Он думал, что взаимодействия между электронами и квантовый вакуум могут создавать такую «щель». Но он ждал экспериментальных результатов и поэтому не торопился публиковать свои выводы.
Позже он пожалел о своей медлительности и счел, что она стоила ему Нобелевской премии.
Презентация Лэмба со всей откровенностью продемонстрировала то, на что Вайскопф, Крамерс и другие только намекали – квантовая электродинамика Дирака отчаянно нуждалась в пересмотре. Много позже, на шестьдесят пятый день рождения Лэмба, физик Фримен Дайсон сказал: «Ваша работа по тонкой структуре сдвинула с места прогресс в квантовой электродинамике… Те годы, когда Лэмбовский сдвиг был центральной темой в физике, стали золотым временем для ученых моего поколения. Именно вы оказались первым, кто увидел, что крохотный сдвиг, незаметный, сложный для обнаружения, может прояснить наши фундаментальные взгляды на частицы и поля»55.
