ออตโต สเติร์น นักฟิสิกส์ผู้บุกเบิกการทดลองสเติร์น-เกอร์ลาคและโมเลกุลาร์บีม

ออตโต สเติร์น (Otto Stern; 17 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1888 – 17 สิงหาคม ค.ศ. 1969) เป็นนักฟิสิกส์เชิงทดลองชาวเยอรมัน-อเมริกัน ผู้มีบทบาทสำคัญในการวางรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ผลงานที่โดดเด่นที่สุดของเขาคือการพัฒนาวิธีการลำแสงโมเลกุล (Molecular beam method) และการค้นพบโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1943

สเติร์นเป็นหนึ่งในบุคคลที่ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลโนเบลมากที่สุดในประวัติศาสตร์ โดยได้รับการเสนอชื่อถึง 82 ครั้งในช่วงปี ค.ศ. 1925 ถึง 1945

ประวัติและการศึกษา

ออตโต สเติร์น เกิดเมื่อวันที่ 17 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1888 ในเมืองโซเรา (Sohrau) ซึ่งปัจจุบันคือเมืองโซรี (Żory) ประเทศโปแลนด์ ในครอบครัวชาวยิว ต่อมาในปี ค.ศ. 1892 เขาและครอบครัวได้ย้ายไปอยู่ที่เมืองเบรสเลา (Breslau) ซึ่งปัจจุบันคือเมืองวรอตสวัฟ (Wrocław) ประเทศโปแลนด์

สเติร์นศึกษาในหลายสถาบัน ได้แก่ เมืองไฟรบวร์ก อิม ไบรส์เกา, มิวนิก และเบรสเลา จนกระทั่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านเคมีกายภาพจากมหาวิทยาลัยเบรสเลาในปี ค.ศ. 1912 โดยทำวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ของแรงดันออสโมติกในสารละลายเข้มข้น

เส้นทางวิชาการในยุโรป

หลังจบการศึกษา สเติร์นได้ติดตาม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ไปยังมหาวิทยาลัยชาร์ลส์ในกรุงปราก และต่อมาในปี ค.ศ. 1913 ได้ย้ายไปยัง ETH Zurich ในสวิตเซอร์แลนด์ โดยดำรงตำแหน่ง Privatdozent ด้านเคมีกายภาพ จากนั้นในปี ค.ศ. 1914 เขาได้ย้ายไปที่มหาวิทยาลัยแฟรงก์เฟิร์ต อัม ไมน์ เพื่อสอนวิชาฟิสิกส์ทฤษฎี

ในปี ค.ศ. 1921 เขาได้รับแต่งตั้งเป็นรองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยรอสต็อก และในปี ค.ศ. 1923 ได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านเคมีกายภาพและผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยฮัมบูร์ก

การลี้ภัยและการทำงานในสหรัฐอเมริกา

ในช่วงทศวรรษ 1930 สเติร์นมีความสัมพันธ์อันดีกับคณาจารย์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (UC Berkeley) และได้รับปริญญา LL.D. กิตติมศักดิ์จากสถาบันแห่งนี้ในปี ค.ศ. 1930

อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 1933 เมื่อพรรคนาซีเข้ายึดอำนาจในเยอรมนี สเติร์นซึ่งเป็นชาวยิวจึงต้องลาออกจากตำแหน่งที่มหาวิทยาลัยฮัมบูร์กและลี้ภัยไปยังสหรัฐอเมริกา โดยเขาได้เข้าดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลยีคาร์เนกี (Carnegie Institute of Technology) ในเมืองพิตต์สเบิร์ก

ผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ

การทดลองสเติร์น-เกอร์ลาค (Stern–Gerlach Experiment)

ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 1922 สเติร์นได้ร่วมมือกับ วอลเทอร์ เกอร์ลาค (Walther Gerlach) ทำการทดลองที่สมาคมฟิสิกส์ (Physikalischer Verein) ในเมืองแฟรงก์เฟิร์ต การทดลองนี้เป็นการส่งลำแสงของอะตอมเงินผ่านสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมมีการ ควอนไทเซชัน (Quantization) หรือมีค่าที่จำกัด ไม่ได้กระจายตัวอย่างต่อเนื่อง การค้นพบนี้เป็นหลักฐานสำคัญที่นำไปสู่การเข้าใจเรื่อง สปิน (Spin) ของอิเล็กตรอนในเวลาต่อมา

วิธีการลำแสงโมเลกุลและโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน

สเติร์นและผู้ร่วมงานตลอดชีวิตของเขาคือ อิมมานูเอล เอสเทอร์มันน์ (Immanuel Estermann) ได้พัฒนา วิธีการลำแสงโมเลกุล (Molecular beam method) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในการศึกษาคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลในสภาวะสุญญากาศระดับสูง เทคนิคนี้ไม่เพียงแต่ช่วยพิสูจน์ธรรมชาติความเป็นคลื่นของอะตอมและโมเลกุล แต่ยังนำไปสู่การวัดโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมได้อย่างแม่นยำ

ผลงานที่สำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งคือการค้นพบโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอน ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างภายในของนิวเคลียส ผลนอกจากนี้ เทคนิคการใช้ลำแสงโมเลกุลยังเป็นต้นแบบให้กับเทคโนโลยีสมัยใหม่อย่าง การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (Molecular Beam Epitaxy - MBE) ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน

บั้นปลายชีวิต

สเติร์นเกษียณอายุจากสถาบันเทคโนโลยีคาร์เนกีในปี ค.ศ. 1945 และย้ายกลับไปอยู่ที่เบิร์กลีย์ รัฐแคลิฟอร์เนีย โดยเขายังคงมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับชุมชนวิชาการที่ UC Berkeley จนกระทั่งเสียชีวิตด้วยอาการหัวใจวายเมื่อวันที่ 17 สิงหาคม ค.ศ. 1969 ในวัย 81 ปี

การรำลึกถึง

เพื่อเป็นเกียรติแก่ผลงานของเขาและเกอร์ลาค สมาคมฟิสิกส์เยอรมัน (German Physical Society) ได้จัดตั้ง เหรียญสเติร์น-เกอร์ลาค (Stern–Gerlach Medal) เพื่อมอบให้แก่นักฟิสิกส์เชิงทดลองที่มีผลงานโดดเด่น