Исидор Исаак Раби: Жизнь и научные достижения

Введение

Американский физик (1898–1988)

Исидор Исаак Раби (англ. Isidor Isaac Rabi; род. 29 июля 1898 – 11 января 1988) — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1944 году за открытие ядерного магнитного резонанса, который используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Он также был одним из первых ученых в Соединенных Штатах, работавших над полостным магнитроном, применяемым в микроволновых радарах и микроволновых печах. Родившийся в традиционной польской еврейской семье в Риманове, Галиция, Раби прибыл в Соединенные Штаты в младенчестве и вырос в Нижнем Ист-Сайде Нью-Йорка. В 1916 году он поступил в Корнеллский университет на факультет электротехники, но вскоре перешел на химию. Позже он увлекся физикой. Он продолжил обучение в Колумбийском университете, где получил докторскую степень за диссертацию о магнитной восприимчивости определенных кристаллов. В 1927 году он отправился в Европу, где познакомился и работал со многими выдающимися физиками того времени. В 1929 году Раби вернулся в Соединенные Штаты, где Колумбийский университет предложил ему должность преподавателя. В сотрудничестве с Грегори Брейтом он разработал уравнение Брейта — Раби и предсказал, что эксперимент Штерна — Герлаха можно модифицировать для подтверждения свойств атомного ядра. Его методы использования ядерного магнитного резонанса для определения магнитного момента и ядерного спина атомов принесли ему Нобелевскую премию по физике в 1944 году. Ядерный магнитный резонанс стал важным инструментом для ядерной физики и химии, а последующее развитие магнитно-резонансной томографии на его основе также сделало его важным в медицине. Во время Второй мировой войны он работал над разработкой радаров в Лаборатории излучения (RadLab) Массачусетского технологического института (MIT) и участвовал в Манхэттенском проекте. После войны он служил в Генеральном консультативном комитете (ГКК) Комиссии по атомной энергии и был его председателем с 1952 по 1956 год. Он также работал в Научных консультативных комитетах (SAC) Управления мобилизации обороны и Баллистической исследовательской лаборатории армии, а также был научным советником президента Дуайта Д. Эйзенхауэра. Он принимал участие в создании Брукхейвенской национальной лаборатории в 1946 году, а позже, как представитель Соединенных Штатов в ЮНЕСКО, в создании ЦЕРН в 1952 году. Когда в 1964 году в Колумбийском университете была учреждена должность университетского профессора, Раби стал первым, кто ее получил. В 1985 году в его честь была учреждена специальная кафедра. Он ушел из преподавания в 1967 году, но оставался активным в университете и до самой смерти сохранял звание профессора университета на пенсии и специального лектора.

Isidor Isaac Rabi ('/r//ɑː//b//i/; born Israel Isaac Rabi, July 29, 1898 – January 11, 1988) was an American physicist who won the Nobel Prize in Physics in 1944 for his discovery of nuclear magnetic resonance, which is used in magnetic resonance imaging (MRI). He was also one of the first scientists in the United States to work on the cavity magnetron, which is used in microwave radar and microwave ovens. Born into a traditional Polish Jewish family in Rymanów, Galicia, Rabi came to the United States as an infant and was raised in New York's Lower East Side. He entered Cornell University as an electrical engineering student in 1916, but soon switched to chemistry. Later, he became interested in physics. He continued his studies at Columbia University, where he was awarded his doctorate for a thesis on the magnetic susceptibility of certain crystals. In 1927, he headed for Europe, where he met and worked with many of the finest physicists of the time. In 1929, Rabi returned to the United States, where Columbia offered him a faculty position. In collaboration with Gregory Breit, he developed the Breit–Rabi equation and predicted that the Stern–Gerlach experiment could be modified to confirm the properties of the atomic nucleus. His techniques for using nuclear magnetic resonance to discern the magnetic moment and nuclear spin of atoms earned him the Nobel Prize in Physics in 1944. Nuclear magnetic resonance became an important tool for nuclear physics and chemistry, and the subsequent development of magnetic resonance imaging from it has also made it important to the field of medicine. During World War II he worked on radar at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) Radiation Laboratory (RadLab) and on the Manhattan Project. After the war, he served on the General Advisory Committee (GAC) of the Atomic Energy Commission, and was chairman from 1952 to 1956. He also served on the Science Advisory Committees (SACs) of the Office of Defense Mobilization and the Army's Ballistic Research Laboratory, and was Science Advisor to President Dwight D. Eisenhower. He was involved with the establishment of the Brookhaven National Laboratory in 1946, and later, as United States delegate to UNESCO, with the creation of CERN in 1952. When Columbia created the rank of university professor in 1964, Rabi was the first to receive that position. A special chair was named after him in 1985. He retired from teaching in 1967, but remained active in the department and held the title of University Professor Emeritus and Special Lecturer until his death.

Ранние годы

Израиль Исаак Раби родился 29 июля 1898 года в польской еврейской ортодоксальной семье в Риманове, Галиция, который в то время входил в состав Австро-Венгрии, а ныне является частью Польши. Вскоре после его рождения его отец, Давид Раби, эмигрировал в Соединенные Штаты. Младший Раби и его мать, Шейндель, присоединились к нему несколько месяцев спустя, и семья переехала в двухкомнатную квартиру на Нижнем Ист-Сайде Манхэттена. Дома в семье говорили на идише. Когда Раби поступил в школу, Шейндель назвала его Иззи, а сотрудник школы, полагая, что это сокращение от Исидора, записал его имя именно так. С тех пор это стало его официальным именем. Позже, в ответ на антисемитизм, он стал писать свое имя как Исидор Исаак Раби и был известен в профессиональной среде как И. И. Раби. Большинство его друзей и родственников, включая его сестру Гертруду, родившуюся в 1903 году, знали его просто по фамилии. В 1907 году семья переехала в Браунсвилл, Бруклин, где открыла продуктовый магазин. В детстве Раби проявлял интерес к науке. Он читал научные книги, взятые в публичной библиотеке, и собрал свой собственный радиоприемник. Его первая научная работа, посвященная конструкции радиоконденсатора, была опубликована в журнале Modern Electrics, когда он учился в начальной школе. После прочтения о гелиоцентрической системе Коперника он стал атеистом. «Всё очень просто», – сказал он родителям, добавив: «Зачем нам Бог?» В качестве компромисса с родителями, для его бар-мицвы, которая проходила дома, он произнес речь на идише о принципе работы электрической лампочки. Он посещал среднюю школу с техническим уклоном в Бруклине, которую окончил в 1916 году. Позже в том же году он поступил в Корнеллский университет на факультет электротехники, но вскоре перешел на химию. После вступления Америки в Первую мировую войну в 1917 году он присоединился к Студенческому армейскому тренировочному корпусу при Корнелле. В качестве темы для дипломной работы он исследовал степени окисления марганца. Он получил степень бакалавра наук в июне 1919 года, но поскольку в то время евреям было трудно найти работу в химической промышленности и академических кругах, он не получил ни одного предложения о работе. Он непродолжительное время работал в лабораториях Lederle, а затем бухгалтером.

Israel Isaac Rabi was born on July 29, 1898, into a Polish Jewish Orthodox family in Rymanów, Galicia, in what was then part of Austria Hungary but is now Poland. Soon after he was born, his father, David Rabi, emigrated to the United States. The younger Rabi and his mother, Sheindel, joined David there a few months later, and the family moved into a two room apartment on the Lower East Side of Manhattan. At home the family spoke Yiddish. When Rabi was enrolled in school, Sheindel said his name was Izzy, and a school official, thinking it was short for Isidor, put that down as his name. Henceforth, that became his official name. Later, in response to anti Semitism, he started writing his name as Isidor Isaac Rabi, and was known professionally as I. I. Rabi. To most of his friends and family, including his sister Gertrude, who was born in 1903, he was known simply by his last name. In 1907, the family moved to Brownsville, Brooklyn, where they ran a grocery store. As a boy, Rabi was interested in science. He read science books borrowed from the public library and built his own radio set. His first scientific paper, on the design of a radio condenser, was published in Modern Electrics when he was in elementary school. After reading about Copernican heliocentrism, he became an atheist. "It's all very simple", he told his parents, adding, "Who needs God?" As a compromise with his parents, for his Bar Mitzvah, which was held at home, he gave a speech in Yiddish about how an electric light works. He attended the Manual Training High School in Brooklyn, from which he graduated in 1916. Later that year, he entered Cornell University as an electrical engineering student, but soon switched to chemistry. After the American entry into World War I in 1917, he joined the Student Army Training Corps at Cornell. For his senior thesis, he investigated the oxidation states of manganese. He was awarded his Bachelor of Science degree in June 1919, but since at the time Jews were largely excluded from employment in the chemical industry and academia, he did not receive any job offers. He worked briefly at the Lederle Laboratories, and then as a bookkeeper.

Образование

В 1922 году Раби вернулся в Корнелл в качестве аспиранта по химии и начал изучать физику. В 1923 году он познакомился и начал ухаживать за Хелен Ньюмарк, студенткой летнего семестра в Хантер-колледже. Чтобы быть рядом с ней, когда она вернется домой, он продолжил учебу в Колумбийском университете, где его научным руководителем был Альберт Уиллс. В июне 1924 года Раби получил должность репетитора на неполный рабочий день в Городском колледже Нью-Йорка. Уиллс, специализировавшийся на магнетизме, предложил Раби написать докторскую диссертацию о магнитной восприимчивости паров натрия. Эта тема не привлекала Раби, но после того, как Уильям Лоуренс Брэгг выступил с семинаром в Колумбии об электрической восприимчивости определенных кристаллов, называемых солями Тюттона, Раби решил исследовать их магнитную восприимчивость, и Уиллс согласился быть его научным руководителем. Измерение магнитного резонанса кристаллов начиналось с их выращивания – простой процедуры, которую часто выполняют даже школьники младших классов. Затем кристаллы необходимо было подготовить, искусно разрезая их на секции с гранями, ориентация которых отличалась от внутренней структуры кристалла, и тщательно измерять их реакцию на магнитное поле. Пока его кристаллы росли, Раби читал «Трактат об электричестве и магнетизме» Джеймса Клерка Максвелла (1873), который вдохновил его на более простой метод. Он опускал кристалл на стеклянном волокне, прикрепленном к торсионным весам, в раствор, магнитную восприимчивость которого можно было изменять между двумя магнитными полюсами. Когда восприимчивость раствора совпадала с восприимчивостью кристалла, магнит можно было включать и выключать, не нарушая равновесия кристалла. Новый метод требовал гораздо меньше усилий и давал более точные результаты. 16 июля 1926 года Раби отправил свою диссертацию под названием «Об основных магнитных восприимчивостях кристаллов» в журнал Physical Review. На следующий день он женился на Хелен. Статья не вызвала особого резонанса в академических кругах, хотя ее прочитал Кариаманикам Шриниваса Кришнан, который использовал этот метод в своих собственных исследованиях кристаллов. Раби пришел к выводу, что ему необходимо не только публиковать свои работы, но и продвигать их. Как и многие другие молодые физики, Раби внимательно следил за важными событиями, происходившими в Европе. Он был поражен экспериментом Штерна — Герлаха, который убедил его в правоте квантовой механики. Вместе с Ральфом Кронигом, Фрэнсисом Биттером, Марком Земански и другими он приступил к расширению уравнения Шрёдингера на симметричные верхние молекулы и определению энергетических состояний такой механической системы. Проблема заключалась в том, что ни одному из них не удавалось решить полученное уравнение – дифференциальное уравнение второго порядка. Раби нашел решение в книге Людвига Шлезингера «Введение в теорию дифференциальных уравнений», в которой описывался метод, первоначально разработанный Карлом Густавом Якоби. Уравнение имело вид гипергеометрического уравнения, для которого Якоби уже нашел решение. Крониг и Раби оформили свой результат и отправили его в Physical Review, который опубликовал его в 1927 году.

In 1922 Rabi returned to Cornell as a graduate chemistry student, and began studying physics. In 1923 he met, and began courting, Helen Newmark, a summer semester student at Hunter College. To be near her when she returned home, he continued his studies at Columbia University, where his supervisor was Albert Wills. In June 1924 Rabi landed a job as a part time tutor at the City College of New York. Wills, whose specialty was magnetism, suggested that Rabi write his doctoral thesis on the magnetic susceptibility of sodium vapor. The topic did not appeal to Rabi, but after William Lawrence Bragg gave a seminar at Columbia about the electric susceptibility of certain crystals called Tutton's salts, Rabi decided to research their magnetic susceptibility, and Wills agreed to be his supervisor. Measuring the magnetic resonance of crystals first involved growing the crystals, a simple procedure often done by elementary school students. The crystals then had to be prepared by skillfully cutting them into sections with facets that had an orientation different from the internal structure of the crystal, and the response to a magnetic field had to be painstakingly measured. While his crystals were growing, Rabi read James Clerk Maxwell's 1873 A Treatise on Electricity and Magnetism, which inspired an easier method. He lowered a crystal on a glass fiber attached to a torsion balance into a solution whose magnetic susceptibility could be varied between two magnetic poles. When it matched that of the crystal, the magnet could be turned on and off without disturbing the crystal. The new method not only required much less work, it also produced a more accurate result. Rabi sent his thesis, entitled On the Principal Magnetic Susceptibilities of Crystals, to Physical Review on July 16, 1926. He married Helen the next day. The paper attracted little fanfare in academic circles, although it was read by Kariamanickam Srinivasa Krishnan, who used the method in his own investigations of crystals. Rabi concluded that he needed to promote his work as well as publish it. Like many other young physicists, Rabi was closely following momentous events in Europe. He was astounded by the Stern–Gerlach experiment, which convinced him of the validity of quantum mechanics. With Ralph Kronig, Francis Bitter, Mark Zemansky and others, he set out to extend the Schrödinger equation to symmetric top molecules and find the energy states of such a mechanical system. The problem was that none of them could solve the resulting equation, a second order partial differential equation. Rabi found the answer in Ludwig Schlesinger's Einführung in die Theorie der Differentialgleichungen, which describes a method originally developed by Carl Gustav Jacob Jacobi. The equation had the form of a hypergeometric equation to which Jacobi had found a solution. Kronig and Rabi wrote up their result and sent it to Physical Review, which published it in 1927.

Европа

В мае 1927 года Раби был назначен стипендиатом Барнарда. Это сопровождалось выплатой стипендии в размере 1500 долларов (в долларах США) за период с сентября 1927 года по июнь 1928 года. Он немедленно подал заявление на годичный отпуск в Городском колледже Нью-Йорка, чтобы продолжить обучение в Европе. Когда ему отказали, он уволился. По прибытии в Цюрих, где он надеялся работать с Эрвином Шрёдингером, он встретил двух соотечественников, Джулиуса Адамса Страттона и Линуса Полинга. Они узнали, что Шрёдингер покидает свой пост, поскольку был назначен главой Теоретического института при Университете Фридриха Вильгельма в Берлине. Поэтому Раби решил обратиться к Арнольду Зоммерфельду в Мюнхенском университете. В Мюнхене он встретил ещё двух американцев, Говарда Перси Робертсона и Эдварда Кондона. Зоммерфельд принял Раби в качестве постдокторанта. Немецкие физики Рудольф Пайерльс и Ганс Бете также работали с Зоммерфельдом в то время, но особенно близки стали именно три американца. По совету Уиллса Раби отправился в Лидс на 97-е ежегодное собрание Британской ассоциации содействия развитию науки, где услышал доклад Вернера Гейзенберга о квантовой механике. После этого Раби переехал в Копенгаген, где предложил свои услуги Нильсу Бору. Бор находился в отпуске, но Раби сразу же приступил к расчёту магнитной восприимчивости молекулярного водорода. После возвращения Бора в октябре он организовал продолжение работы Раби и Ёсио Нишины с Вольфгангом Паули в Гамбургском университете. Хотя Раби приехал в Гамбург для работы с Паули, он обнаружил, что там работает Отто Штерн с двумя англоговорящими постдокторантами, Рональдом Фрейзером и Джоном Брэдшоу Тейлором. Раби быстро подружился с ними и заинтересовался их экспериментами с молекулярными пучками, за которые Штерн получил Нобелевскую премию по физике в 1943 году. Их исследования были связаны с неоднородными магнитными полями, которыми было сложно управлять и которые трудно было точно измерить. Раби предложил использовать вместо этого однородное поле, направив молекулярный луч под скользящим углом, чтобы атомы отклонялись подобно свету, проходящему через призму. Это было бы проще в использовании и давало бы более точные результаты. Поощрённый Штерном и получив значительную помощь от Тейлора, Раби сумел реализовать свою идею. По совету Штерна Раби написал письмо о своих результатах в журнал Nature, который опубликовал его в феврале 1929 года, а затем статью под названием «Zur Methode der Ablenkung von Molekularstrahlen» («О методе отклонения молекулярных пучков») в Zeitschrift für Physik, где она была опубликована в апреле. К этому времени стипендия Барнарда истекла, и Раби с Хелен жили на 182 доллара в месяц, выделяемые Фондом Рокфеллера (в долларах США). Они покинули Гамбург и отправились в Лейпциг, где он надеялся работать с Гейзенбергом. В Лейпциге он встретил Роберта Оппенгеймера, своего земляка из Нью-Йорка. Это стало началом долгой дружбы. В марте 1929 года Гейзенберг отправился в турне по Соединённым Штатам, поэтому Раби и Оппенгеймер решили поехать в Цюрихский политехнический институт, где Паули в то время был профессором физики. Образование Раби в области физики было обогащено общением с ведущими специалистами, которых он там встретил, включая Пола Дирака, Вальтера Гейтлера, Фрица Лондона, Фрэнсиса Уилера Лумиса, Джона фон Неймана, Джона Слейтера, Лео Силарда и Юджина Вигнера.

In May 1927, Rabi was appointed a Barnard Fellow. This came with a stipend of $1,500 ($ in dollars) for the period from September 1927 to June 1928. He immediately applied for a year's leave of absence from the City College of New York so he could study in Europe. When this was refused, he resigned. On reaching Zürich, where he hoped to work for Erwin Schrödinger, he met two fellow Americans, Julius Adams Stratton and Linus Pauling. They found that Schrödinger was leaving, as he had been appointed head of the Theoretical Institute at Friedrich Wilhelm University in Berlin. Rabi therefore decided to seek a position with Arnold Sommerfeld at the University of Munich instead. In Munich, he found two more Americans, Howard Percy Robertson and Edward Condon. Sommerfeld accepted Rabi as a postdoctoral researcher. German physicists Rudolf Peierls and Hans Bethe were also working with Sommerfeld at the time, but the three Americans became especially close. On Wills' advice, Rabi traveled to Leeds for the 97th annual meeting of the British Association for the Advancement of Science, where he heard Werner Heisenberg present a paper on quantum mechanics. Afterwards, Rabi moved to Copenhagen, where he volunteered to work for Niels Bohr. Bohr was on vacation, but Rabi went straight to work on calculating the magnetic susceptibility of molecular hydrogen. After Bohr returned in October, he arranged for Rabi and Yoshio Nishina to continue their work with Wolfgang Pauli at the University of Hamburg. Although he came to Hamburg to work with Pauli, Rabi found Otto Stern working there with two English speaking postdoctoral fellows, Ronald Fraser and John Bradshaw Taylor. Rabi soon made friends with them, and became interested in their molecular beam experiments, for which Stern would receive the Nobel Prize in Physics in 1943. Their research involved non uniform magnetic fields, which were difficult to manipulate and hard to measure accurately. Rabi devised a method of using a uniform field instead, with the molecular beam at a glancing angle, so the atoms would be deflected like light through a prism. This would be easier to use, and produce more accurate results. Encouraged by Stern, and greatly assisted by Taylor, Rabi managed to get his idea to work. On Stern's advice, Rabi wrote a letter about his results to Nature, which published it in February 1929, followed by a paper entitled Zur Methode der Ablenkung von Molekularstrahlen ("On the method of deflection of molecular beams") to Zeitschrift für Physik, where it was published in April. By this time the Barnard Fellowship had expired, and Rabi and Helen were living on a $182 ($ in dollars) per month stipend from the Rockefeller Foundation. They left Hamburg for Leipzig, where he hoped to work with Heisenberg. In Leipzig, he found Robert Oppenheimer, a fellow New Yorker. It would be the start of a long friendship. Heisenberg departed for a tour of the United States in March 1929, so Rabi and Oppenheimer decided to go to the ETH Zurich, where Pauli was now the professor of physics. Rabi's education in physics was enriched by the leaders in the field he met there, which included Paul Dirac, Walter Heitler, Fritz London, Francis Wheeler Loomis, John von Neumann, John Slater, Leó Szilárd and Eugene Wigner.

Лаборатория молекулярного луча

26 марта 1929 года Раби получил предложение о должности лектора в Колумбийском университете с годовой зарплатой в 3000 долларов. Декан физического факультета Колумбийского университета, Джордж Б. Пеграм, искал теоретика для преподавания статистической механики и продвинутого курса по квантовой механике, и Гейзенберг рекомендовал Раби. Хелен была беременна, поэтому Раби нужна была постоянная работа, и эта работа была в Нью-Йорке. Он согласился и вернулся в Соединенные Штаты в августе, став единственным преподавателем еврейского происхождения в Колумбийском университете в то время. Раби был не самым лучшим преподавателем. Леон Ледерман вспоминал, что после лекции студенты шли в библиотеку, чтобы попытаться понять, о чем говорил Раби. Ирвинг Каплан оценивал Раби и Гарольда Юри как "худших учителей, которых я когда-либо знал". Норман Рамси считал лекции Раби "вполне ужасными", а Уильям Ниренберг полагал, что он был "просто отвратительным лектором". Несмотря на свои недостатки как лектора, его влияние было огромным. Он вдохновил многих своих студентов на карьеру в физике, и некоторые из них стали знаменитыми. Первая дочь Раби, Хелен Элизабет, родилась в сентябре 1929 года. В 1934 году родилась вторая дочь, Маргарет Джоэлла. Между преподавательской деятельностью и семьей у него оставалось мало времени для исследований, и он не опубликовал ни одной статьи в свой первый год в Колумбийском университете, но, тем не менее, в конце года был повышен до ассистент-профессора. В 1937 году он стал профессором. В 1931 году Раби вернулся к экспериментам с пучками частиц. В сотрудничестве с Грегори Брейтом он разработал уравнение Брейта-Раби и предсказал, что эксперимент Штерна-Герлаха можно модифицировать для подтверждения свойств атомного ядра. Следующим шагом было это сделать. С помощью Виктора В. Коэна Раби построил установку с молекулярным пучком в Колумбийском университете. Их идея заключалась в использовании слабого магнитного поля вместо сильного, с помощью которого они надеялись обнаружить ядерный спин натрия. Когда эксперимент был проведен, было обнаружено четыре пучка, из которых они вывели ядерный спин, равный 3/2. Молекулярно-лучевая лаборатория Раби начала привлекать других, в том числе Сидни Миллмана, аспиранта, изучавшего литий для получения докторской степени. Другим был Джеррольд Захариас, который, полагая, что ядро натрия будет слишком сложным для понимания, предложил изучить самый простой из элементов – водород. Его изотоп дейтерий был недавно обнаружен в Колумбийском университете в 1931 году Юри, который получил Нобелевскую премию по химии за эту работу в 1934 году. Юри смог предоставить им тяжелую воду и газообразный дейтерий для их экспериментов. Несмотря на свою простоту, группа Стерна в Гамбурге заметила, что водород ведет себя не так, как ожидалось. Юри также помог другим способом: он дал Раби половину своей премии для финансирования Молекулярно-лучевой лаборатории. Среди других ученых, чья карьера началась в Молекулярно-лучевой лаборатории, были Норман Рамси, Джулиан Швингер, Джером Келлог и Поликарп Куш. Все они были мужчинами; Раби не верил, что женщины могут быть физиками. У него никогда не было женщин в качестве аспирантов или постдокторантов, и он в целом выступал против кандидатур женщин на преподавательские должности. По предложению К. Й. Гортера команда попыталась использовать осциллирующее поле. Это стало основой метода ядерного магнитного резонанса. В 1937 году Раби, Куш, Миллман и Захариас использовали его для измерения магнитного момента нескольких соединений лития с помощью молекулярных пучков, включая хлорид лития, фторид лития и дилитий. Применив метод к водороду, они обнаружили, что магнитный момент протона составляет 2,785 ± 0,02 ядерных магнетонов, а не 1, как предсказывала тогдашняя теория, в то время как магнитный момент дейтерона составляет 0,855 ± 0,006 ядерных магнетонов. Это обеспечило более точные измерения того, что группа Стерна обнаружила, а команда Раби подтвердила в 1934 году. Поскольку дейтерон состоит из протона и нейтрона со спинами, направленными в одну сторону, магнитный момент нейтрона можно было определить, вычтя магнитный момент протона из магнитного момента дейтерона. Полученное значение не было равно нулю и имело знак, противоположный знаку протона. Основываясь на странных артефактах этих более точных измерений, Раби предположил, что дейтерон имеет электрический квадрупольный момент. Это открытие означало, что физическая форма дейтерона не является симметричной, что дало ценную информацию о природе ядерной силы, связывающей нуклоны. За создание метода магнитно-резонансной детекции молекулярных пучков Раби была присуждена Нобелевская премия по физике в 1944 году.

On March 26, 1929, Rabi received an offer of a lectureship from Columbia, with an annual salary of $3,000. The dean of Columbia's physics department, George B. Pegram, was looking for a theoretical physicist to teach statistical mechanics and an advanced course in the new subject of quantum mechanics, and Heisenberg had recommended Rabi. Helen was now pregnant, so Rabi needed a regular job, and this job was in New York. He accepted, and returned to the United States in August on the Rabi became the only Jewish faculty member at Columbia at the time. Rabi was a poor instructor. Leon Lederman recalled that after a lecture, students would head to the library to try to work out what Rabi had been talking about. Irving Kaplan rated Rabi and Harold Urey as "the worst teachers I ever had". Norman Ramsey considered Rabi's lectures "pretty dreadful", while William Nierenberg felt that he was "simply an awful lecturer". Despite his shortcomings as a lecturer, his influence was great. He inspired many of his students to pursue careers in physics, and some became famous. Rabi's first daughter, Helen Elizabeth, was born in September 1929. A second girl, Margaret Joella, followed in 1934. Between his teaching duties and his family, he had little time for research, and published no papers in his first year at Columbia, but was nonetheless promoted to assistant professor at its conclusion. He became a professor in 1937. In 1931 Rabi returned to particle beam experiments. In collaboration with Gregory Breit, he developed the Breit Rabi equation, and predicted that the Stern–Gerlach experiment could be modified to confirm the properties of the atomic nucleus. The next step was to do so. With the help of Victor W. Cohen, Rabi built a molecular beam apparatus at Columbia. Their idea was to employ a weak magnetic field instead of a strong one, with which they hoped to detect the nuclear spin of sodium. When the experiment was conducted, four beamlets were found, from which they deduced a nuclear spin of 3/2. Rabi's Molecular Beam Laboratory began to attract others, including Sidney Millman, a graduate student who studied lithium for his doctorate. Another was Jerrold Zacharias who, believing that the sodium nucleus would be too difficult to understand, proposed studying the simplest of the elements, hydrogen. Its deuterium isotope had only recently been discovered at Columbia in 1931 by Urey, who received the 1934 Nobel Prize in Chemistry for this work. Urey was able to supply them with both heavy water and gaseous deuterium for their experiments. Despite its simplicity, Stern's group in Hamburg had observed that hydrogen did not behave as predicted. Urey also helped in another way; he gave Rabi half his prize money to fund the Molecular Beam Laboratory. Other scientists whose careers began at the Molecular Beam Laboratory included Norman Ramsey, Julian Schwinger, Jerome Kellogg and Polykarp Kusch. All were men; Rabi did not believe that women could be physicists. He never had a woman as a doctoral or postdoctoral student, and generally opposed women as candidates for faculty positions. At the suggestion of C. J. Gorter, the team attempted to use an oscillating field. This became the basis for the nuclear magnetic resonance method. In 1937, Rabi, Kusch, Millman and Zacharias used it to measure the magnetic moment of several lithium compounds with molecular beams, including lithium chloride, lithium fluoride and dilithium. Applying the method to hydrogen, they found that the moment of a proton was 2.785±0.02 nuclear magnetons, and not 1 as predicted by the then current theory, while that of a deuteron was 0.855±0.006 nuclear magnetons. This provided more accurate measurements of what Stern's team had found, and Rabi's team had confirmed, in 1934. Since a deuteron is composed of a proton and a neutron with aligned spins, the neutron's magnetic moment could be inferred by subtracting the proton's magnetic moment from the deuteron's. The resulting value was not zero, and had a sign opposite to that of the proton. Based on curious artifacts of these more accurate measurements, Rabi suggested that the deuteron had an electric quadrupole moment. This discovery meant that the physical shape of the deuteron was not symmetric, which provided valuable insight into the nature of the nuclear force binding nucleons. For the creation of the molecular beam magnetic resonance detection method, Rabi was awarded the Nobel Prize in Physics in 1944.

Вторая мировая война

В сентябре 1940 года Раби стал членом Научно-консультативного комитета баллистической исследовательской лаборатории армии США. В том же месяце британская миссия Тардиса доставила в Соединенные Штаты ряд новых технологий, включая магнитрон – мощное устройство, генерирующее микроволны за счет взаимодействия потока электронов с магнитным полем. Это устройство обещало революцию в радиолокации, поэтому Альфред Ли Лумис из Комитета по исследованиям национальной обороны решил создать новую лабораторию в Массачусетском технологическом институте (МТИ) для разработки этой радиолокационной технологии. Название «Радиационная лаборатория» было выбрано как неприметное и в знак уважения к Радиационной лаборатории в Беркли. Лумис пригласил Ли Дюбриджа возглавить её. Лумис и Дюбридж набрали физиков для новой лаборатории на конференции по прикладной ядерной физике в МТИ в октябре 1940 года. Среди добровольцев был и Раби. Ему было поручено изучать магнитрон, который был настолько секретен, что его необходимо было хранить в сейфе. Ученые Радиационной лаборатории поставили целью создать микроволновый радиолокатор к 6 января 1941 года и установить прототип на самолет Douglas A-20 Havoc к марту. Это было сделано: технологические трудности постепенно преодолевались, и был создан рабочий американский микроволновый радиолокатор. Магнитрон был усовершенствован с обеих сторон Атлантики, что позволило уменьшить длину волны с 150 см до 10 см, а затем до 3 см. Лаборатория продолжила разработку радиолокаторов для обнаружения подводных лодок с воздуха, радиолокатора SCR-584 для управления огнем и системы дальней радионавигации LORAN. По инициативе Раби в Колумбийском университете было открыто отделение Радиационной лаборатории, которое он возглавил. В 1942 году Роберт Оппенгеймер попытался привлечь Раби и Роберта Бахера к работе в Лос-Аламосской лаборатории над новым секретным проектом. Они убедили Оппенгеймера в том, что его план создания военной лаборатории не сработает, поскольку научные исследования должны носить гражданский характер. План был изменен, и новая лаборатория должна была стать гражданской, управляемой Калифорнийским университетом по контракту с военным ведомством. В итоге Раби все же не отправился на запад, но согласился быть консультантом Манхэттенского проекта. Раби присутствовал на испытании «Троица» в июле 1945 года. Ученые, работавшие над «Троицей», организовали пари на мощность взрыва, прогнозы варьировались от полного провала до 45 килотонн в тротиловом эквиваленте (кт). Раби прибыл поздно и обнаружил, что осталась только одна ставка – на 18 килотонн, которую он и купил. Надев сварочные очки, он вместе с Рамсеем и Энрико Ферми ждал результатов. Мощность взрыва составила 18,6 килотонн, и Раби выиграл пари.

In September 1940, Rabi became a member of the Scientific Advisory Committee of the U. S. Army's Ballistic Research Laboratory. That month, the British Tizard Mission brought a number of new technologies to the United States, including a cavity magnetron, a high powered device that generates microwaves using the interaction of a stream of electrons with a magnetic field. This device promised to revolutionize radar, so Alfred Lee Loomis of the National Defense Research Committee decided to establish a new laboratory at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) to develop this radar technology. The name Radiation Laboratory was chosen as both unremarkable and a tribute to the Berkeley Radiation Laboratory. Loomis recruited Lee DuBridge to run it. Loomis and DuBridge recruited physicists for the new laboratory at an Applied Nuclear Physics conference at MIT in October 1940. Among those who volunteered was Rabi. His assignment was to study the magnetron, which was so secret that it had to be kept in a safe. The Radiation Laboratory scientists set their sights on producing a microwave radar set by January 6, 1941, and having a prototype installed in a Douglas A 20 Havoc by March. This was done; the technological obstacles were gradually overcome, and a working US microwave radar set was produced. The magnetron was further developed on both sides of the Atlantic to permit a reduction in wavelength from 150 cm to 10 cm, and then to 3 cm. The laboratory went on to develop air to surface radar to detect submarines, the SCR 584 radar for fire control, and LORAN, a long range radio navigation system. At Rabi's instigation, a branch of the Radiation Laboratory was located at Columbia, with Rabi in charge. In 1942 Robert Oppenheimer attempted to recruit Rabi and Robert Bacher to work at the Los Alamos Laboratory on a new secret project. They convinced Oppenheimer that his plan for a military laboratory would not work, since a scientific effort would need to be a civilian affair. The plan was modified, and the new laboratory would be a civilian one, run by the University of California under contract from the War Department. In the end, Rabi still did not go west, but did agree to serve as a consultant to the Manhattan Project. Rabi attended the Trinity test in July 1945. The scientists working on Trinity set up a betting pool on the yield of the test, with predictions ranging from total dud to 45 kilotons of TNT equivalent (kt). Rabi arrived late and found the only entry left was for 18 kilotons, which he purchased. Wearing welding goggles, he waited for the result with Ramsey and Enrico Fermi. The blast was rated at 18.6 kilotons, and Rabi won the pool.

Поздние годы

В 1945 году Раби выступил с мемориальной лекцией имени Рихтмайера, организованной Американской ассоциацией преподавателей физики в честь Флойда К. Рихтмайера, в которой он предположил, что магнитный резонанс атомов может быть использован в качестве основы для создания часов. Уильям Л. Лоуренс опубликовал статью об этом в "Нью-Йорк Таймс" под заголовком "«Космический маятник» для запланированных часов". Вскоре Захариас и Рэмси построили такие атомные часы. Раби активно занимался исследованиями в области магнитного резонанса примерно до 1960 года, но продолжал выступать на конференциях и семинарах до самой смерти. Раби возглавлял физический факультет Колумбийского университета с 1945 по 1949 год, в течение этого времени там работали два лауреата Нобелевской премии (Раби и Энрико Ферми) и одиннадцать будущих лауреатов, включая семь преподавателей (Поликарп Куш, Уиллис Лэмб, Мария Гепперт-Майер, Джеймс Рейнвотер, Норман Рамси, Чарльз Таунс и Хидеки Юкава), научного сотрудника (Аге Бор), приглашенного профессора (Ханс Бете), аспиранта (Леон Ледерман) и студента бакалавриата (Леон Купер). Мартин Л. Перл, аспирант Раби, получил Нобелевскую премию в 1995 году. Раби был профессором физики имени Юджина Хиггинса в Колумбийском университете, но когда в 1964 году Колумбия учредила звание университетского профессора, Раби стал первым, кто его получил. Это давало ему свободу в выборе тем для исследований или преподавания. Он ушел с преподавательской работы в 1967 году, но оставался активным в университете и сохранял звание профессора университета на пенсии до самой смерти. В 1985 году в его честь была учреждена специальная кафедра. В 1952 году Раби был назначен членом Научного консультативного комитета (SAC) Управления мобилизационной обороны, а с 1956 по 1957 год был его председателем. Это совпало с запуском "Спутника". Президент Дуайт Эйзенхауэр встретился с SAC 15 октября 1957 года, чтобы получить консультацию о возможных ответных мерах США на успех Советского Союза в области космических технологий. Раби, который знал Эйзенхауэра еще по времени его пребывания на посту президента Колумбийского университета, выступил первым и предложил ряд мер, одной из которых было усиление комитета, чтобы он мог своевременно предоставлять президенту консультации. Это было сделано, и через несколько недель SAC был преобразован в Научный консультативный комитет при президенте. Он также стал научным советником Эйзенхауэра. В 1956 году Раби участвовал в конференции по противолодочной войне в рамках проекта Nobska, где обсуждались вопросы от океанографии до ядерного оружия. В то время, когда был введен термин «инженерия программного обеспечения», он представлял США в Научном комитете НАТО. Находясь на этой должности, он выражал обеспокоенность по поводу задержек во многих крупных проектах разработки программного обеспечения. Это послужило толчком к дискуссиям, которые привели к созданию исследовательской группы, организовавшей первую конференцию по разработке программного обеспечения.

In 1945, Rabi delivered the Richtmyer Memorial Lecture, held by the American Association of Physics Teachers in honor of Floyd K. Richtmyer, wherein he proposed that the magnetic resonance of atoms might be used as the basis of a clock. William L. Laurence wrote it up for The New York Times, under the headline "'Cosmic pendulum' for clock planned". Before long Zacharias and Ramsey had built such atomic clocks. Rabi actively pursued his research into magnetic resonance until about 1960, but he continued to make appearances at conferences and seminars until his death. Rabi chaired Columbia's physics department from 1945 to 1949, during which time it was home to two Nobel laureates (Rabi and Enrico Fermi) and eleven future laureates, including seven faculty (Polykarp Kusch, Willis Lamb, Maria Goeppert Mayer, James Rainwater, Norman Ramsey, Charles Townes and Hideki Yukawa), a research scientist (Aage Bohr), a visiting professor (Hans Bethe), a doctoral student (Leon Lederman) and an undergraduate (Leon Cooper). Martin L. Perl, a doctoral student of Rabi's, won the Nobel Prize in 1995. Rabi was the Eugene Higgins professor of physics at Columbia but when Columbia created the rank of university professor in 1964, Rabi was the first to receive such a chair. This meant that he was free to research or teach whatever he chose. He retired from teaching in 1967 but remained active in the department and held the title of University Professor Emeritus until his death. A special chair was named after him in 1985. Rabi was appointed a member of the Science Advisory Committee (SAC) of the Office of Defense Mobilization in 1952, serving as its chairman from 1956 to 1957. This coincided with the Sputnik crisis. President Dwight Eisenhower met with the SAC on October 15, 1957, to seek advice on possible US responses to the Soviet satellite success. Rabi, who knew Eisenhower from the latter's time as president of Columbia, was the first to speak, and put forward a series of proposals, one of which was to strengthen the committee so it could provide the President with timely advice. This was done, and the SAC became the President's Science Advisory Committee a few weeks later. He also became Eisenhower's Science Advisor. In 1956 Rabi attended the Project Nobska anti submarine warfare conference, where discussion ranged from oceanography to nuclear weapons. He served as the US Representative to the NATO Science Committee at the time that the term "software engineering" was coined. While serving in that capacity, he bemoaned the fact that many large software projects were delayed. This prompted discussions that led to the formation of a study group that organized the first conference on software engineering.

Почести

В течение своей жизни Раби получил множество наград, помимо Нобелевской премии. Среди них — медаль Эллиота Крессона Института Франклина в 1942 году, медаль за заслуги и медаль короля за службу делу свободы от Великобритании в 1948 году, Международная золотая медаль Нильса Бора и премия «Атомы мира» в 1967 году, медаль Оерстеда от Американской ассоциации преподавателей физики в 1982 году, премия «Четыре свободы» от Института Франклина и Элеоноры Рузвельт и медаль за общественное благо от Национальной академии наук в 1985 году, награда «Золотая пластина» Американской академии достижений и премия Ванневара Буша от Национального научного фонда в 1986 году. Он был членом (избран в 1931 году) Американского физического общества, занимая должность его президента в 1950 году, и членом Национальной академии наук, Американского философского общества и Американской академии искусств и наук. Он был удостоен международного признания членством в Японской академии и Бразильской академии наук, а в 1959 году был назначен членом совета управляющих Института Вейцмана в Израиле. Также названа улица, Рут Раби, на территории ЦЕРН в Превессене (Франция). Программа стипендий I. I. Rabi Scholars Колумбийского университета поддерживает «некоторых из самых перспективных студентов Колумбийского колледжа, поступающих в колледж для изучения естественных наук».

Смерть

Раби умер у себя дома на Риверсайд-Драйв в Манхэттене от рака 11 января 1988 года. Его жена, Хелен, пережила его и умерла 18 июня 2005 года в возрасте 102 лет. В последние дни жизни ему напомнили о его величайшем достижении, когда врачи обследовали его с помощью магнитно-резонансной томографии – технологии, разработанной на основе его новаторских исследований в области магнитного резонанса. В аппарате оказалась отражающая внутренняя поверхность, и он сказал: "Я увидел себя в этом аппарате. Я никогда не думал, что моя работа дойдет до этого".

В популярной культуре

Раби был сыгран Барри Денненом в телевизионном мини-сериале "Оппенгеймер" 1980 года и Дэвидом Крумгольцем в фильме "Оппенгеймер" 2023 года.