Το βραβείο Νόμπελ του 1955 για τη μέτρηση της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου στον Polykarp Kusch

Άρθρο, Νοέμβριος 2002

Το 1955 δύο Αμερικανοί κέρδισαν από κοινού το βραβείο Νόμπελ Φυσικής. Ο ένας ήταν ο Willis Lamb, που ανακάλυψε μια πολύ μικρή διαφορά - μια υπέρλεπτη υφή - στην ενέργεια δύο καταστάσεων του ατόμου του υδρογόνου. Το φαινόμενο αυτό, στο οποίο δόθηκε το όνομα μετατόπιση Lamb, εξηγήθηκε πλήρως με την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική. Ο άλλος  Αμερικανός (Γερμανικής καταγωγής) ήταν ο Polykarp Kusch (1911-1993), που βραβεύτηκε για τον ακριβή προσδιορισμό της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου.

Η μελέτη του σπιν του ηλεκτρονίου συνέχιζε για πολύ καιρό να ανοίγει νέους ορίζοντες στη φυσική. Νέες και ακριβείς μέθοδοι αναπτύσσονταν, κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του '30 και '40, για τον προσδιορισμό της μαγνητικής ορμής των σωματιδίων με σπιν, των ατόμων και πυρήνων (αναφέρουμε τους Stern, Rabi, Bloch και Purcell).

Το 1947 είχαν φθάσει σε τέτοιο βαθμό ακρίβειας, που ο Polykarp Kusch, με τη βοήθεια της μεθόδου των μοριακών δεσμών του Rabi,  υπολόγισε ότι η ενδογενής μαγνητική ορμή του ηλεκτρονίου δεν είχε ακριβώς τη τιμή που προέβλεπε η θεωρία του Dirac, αλλά διέφερε από αυτή κατά ένα μικρό ποσό.

Εκείνη την εποχή επίσης έφθασε και ο Willis E. Lamb στην ανακάλυψη της υπέρλεπτης υφής του φάσματος του υδρογόνου, μελετώντας τη δομή του οπτικού φάσματος κατά το συντονισμό του ατόμου με τη βοήθεια ραδιοσυχνοτήτων.

Αυτά τα αποτελέσματα, και των δύο επιστημόνων, προκάλεσαν την επανεξέταση των βασικών ιδεών πίσω από την εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας στον ηλεκτρομαγνητισμό. Ένα πεδίο που είχε ξεκινήσει με τους Dirac, Heisenberg και Pauli αλλά ακόμη δοκιμαζόταν από σοβαρές ανεπάρκειες.

Ο Polykarp Kusch εργάστηκε, στο Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις, πάνω στα προβλήματα της οπτικής μοριακής φασματοσκοπίας και στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότας στον τομέα της φασματοσκοπίας μαζών κατά τη διάρκεια του 1936-1937.

Από το 1937 ο Kusch συνδέθηκε με το τμήμα φυσικής του Πανεπιστημίου Κολούμπια, της Νέας Υόρκης, αλλά διέκοψε την εποχή του Πολέμου. Τότε δούλεψε πάνω στην έρευνα και την ανάπτυξη γεννητριών μικροκυμάτων στην ηλεκτρική εταιρία Westinghouse, τα τηλεφωνικά εργαστήρια Bell και το Πανεπιστήμιο της Κολούμπια. Η εμπειρία του ήταν σημαντική όχι μόνο γιατί απέκτησε εμπειρία στις μεθόδους παραγωγής μικροκυμάτων, αλλά γιατί πρότεινε την εφαρμογή λαμπτήρων κενού, σε μια μεγάλη σειρά  εφαρμογών στην πειραματική φυσική αλλά και σε στρατιωτικές χρήσεις.

Από το 1949 ο Kusch ήταν καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια. Από τις πρώτες ημέρες του στο Κολούμπια, είχε συνδεθεί στενά με τον καθηγητή Isidor Rabi -ένας Νομπελίστας της Φυσικής το 1944 για τις εργασίες του πάνω στη μέθοδο συντονισμού των πυρήνων - πάνω στο πρόγραμμα των πειραμάτων φασματοσκοπίας ραδιοσυχνοτήτων με τη χρήση ατομικών και μοριακών ακτίνων. Η έρευνα του Kusch κατευθύνθηκε κυρίως στις μικρές λεπτομέρειες των αλληλεπιδράσεων των μορίων και των ατόμων με εξωτερικά εφαρμοσμένα πεδία.

Η καθιέρωση της πραγματικότητας της ανώμαλης μαγνητικής ορμής του ηλεκτρονίου και του προσδιορισμού με ακρίβεια του μεγέθους της, ήταν μέρος ενός εντατικού προγράμματος της μεταπολεμικής έρευνας με τις ατομικές και μοριακές ακτίνες. Το 1947 βρήκε ότι υπήρχε μια απόκλιση περίπου 0.1% μεταξύ της παρατηρούμενης τιμής και της προβλεφθείσης από τη θεωρία.

Αν και η απόκλιση ήταν πολύ μικρή, αυτή η ανωμαλία είχε μεγάλη σπουδαιότητα για τις θεωρίες των αλληλεπιδράσεων των ηλεκτρονίων και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (που είναι σήμερα γνωστή σαν QED -quantum electrodynamics).