Юджин Пол Вигнер ( венгерский : Wigner Jenő Pál , произносится [ˈviɡnɛr ˈjɛnøː ˈpaːl] ; 17 ноября 1902 — 1 января 1995) — венгерско-американский физик-теоретик , который также внёс вклад в математическую физику . Он получил Нобелевскую премию по физике в 1963 году «за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц , в частности, за открытие и применение фундаментальных принципов симметрии». [1]
Выпускник Берлинского технического университета , Вигнер работал ассистентом Карла Вайсенберга и Рихарда Беккера в Институте кайзера Вильгельма в Берлине, а также Давида Гильберта в Гёттингенском университете . Вигнер и Герман Вейль были ответственны за введение теории групп в физику, особенно теории симметрии в физике . Попутно он выполнил новаторскую работу в области чистой математики, в которой написал ряд математических теорем . В частности, теорема Вигнера является краеугольным камнем в математической формулировке квантовой механики . Он также известен своими исследованиями структуры атомного ядра . В 1930 году Принстонский университет принял на работу Вигнера вместе с Джоном фон Нейманом , и он переехал в США, где получил гражданство в 1937 году.
Вигнер участвовал во встрече с Лео Силардом и Альбертом Эйнштейном , в результате которой было подписано письмо Эйнштейна-Сциларда , которое побудило президента Франклина Д. Рузвельта инициировать Манхэттенский проект по разработке атомных бомб . Вигнер боялся, что немецкий проект ядерного оружия первым разработает атомную бомбу. Во время Манхэттенского проекта он возглавлял группу, задачей которой было проектирование ядерных реакторов для преобразования урана в плутоний оружейного качества . В то время реакторы существовали только на бумаге, и ни один реактор еще не вышел в критическое состояние . Вигнер был разочарован тем, что на DuPont была возложена ответственность за детальное проектирование реакторов, а не только за их строительство. Он стал директором по исследованиям и разработкам в Лаборатории Клинтона (ныне Национальная лаборатория Ок-Ридж ) в начале 1946 года, но был разочарован бюрократическим вмешательством Комиссии по атомной энергии и вернулся в Принстон.
В послевоенный период он работал в ряде государственных органов, включая Национальное бюро стандартов с 1947 по 1951 год, математическую группу Национального исследовательского совета с 1951 по 1954 год, физическую группу Национального научного фонда и влиятельную Генеральный консультативный комитет Комиссии по атомной энергии с 1952 по 1957 год и снова с 1959 по 1964 год. В более позднем возрасте он стал более философским и опубликовал « Необоснованную эффективность математики в естественных науках» , свою самую известную работу за пределами технической математики и физики. .
Вигнер Йенё Пал родился в Будапеште , Австро-Венгрия , 17 ноября 1902 года в семье евреев среднего класса , Элизабет Эльзы Эйнхорн и Антала Антона Вигнера, кожевника. У него была старшая сестра Берта, известная как Бири, и младшая сестра Маргит, известная как Манси, [2] которая позже вышла замуж за британского физика-теоретика Поля Дирака . [3] Он обучался на дому у профессионального учителя до 9 лет, пока не пошел в третий класс. В этот период у Вигнера появился интерес к математическим проблемам. [4] В возрасте 11 лет Вигнер заразился тем, что его врачи считали туберкулезом . Родители отправили его жить на шесть недель в санаторий в австрийских горах, прежде чем врачи пришли к выводу, что диагноз ошибочен. [5]
Семья Вигнера была еврейской, но не религиозной, а его бар-мицва была светской. С 1915 по 1919 год он учился в средней гимназии Fasori Evangélikus Gimnázium , школе, которую посещал его отец. Религиозное образование было обязательным, и он посещал занятия по иудаизму , которые вел раввин. [6] Однокурсником был Янош фон Нейман , который отставал на год от Вигнера. Оба они получили пользу от обучения известного учителя математики Ласло Раца . [7] В 1919 году, спасаясь от коммунистического режима Белы Куна , семья Вигнер ненадолго бежала в Австрию, вернувшись в Венгрию после падения Куна. [8] Частично в ответ на выдающееся положение евреев в режиме Куна, семья перешла в лютеранство . [9] Позже Вигнер объяснил, что решение его семьи перейти в лютеранство «было в глубине души не религиозным решением, а антикоммунистическим». [9]
Окончив среднюю школу в 1920 году, Вигнер поступил в Будапештский университет технических наук , известный как Муегьетем . Он не был доволен предлагаемыми курсами [10] и в 1921 году поступил в Высшую техническую школу Берлина (ныне Технический университет Берлина ), где изучал химическую инженерию . [11] Он также присутствовал на коллоквиумах Немецкого физического общества в среду днем . В этих коллоквиумах приняли участие ведущие исследователи, в том числе Макс Планк , Макс фон Лауэ , Рудольф Ладенбург , Вернер Гейзенберг , Вальтер Нернст , Вольфганг Паули и Альберт Эйнштейн . [12] Вигнер также познакомился с физиком Лео Силардом , который сразу стал самым близким другом Вигнера. [13] Третий опыт в Берлине был формирующим. Вигнер работал в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма (ныне Институт Фрица Габера ), и там он познакомился с Михаэлем Поланьи , который стал после Ласло Раца величайшим учителем Вигнера. Поланьи руководил докторской диссертацией Вигнера «Bildung und Zerfall von Molekülen» («Образование и распад молекул»). [14]
Вигнер вернулся в Будапешт, где пошел работать на кожевенный завод своего отца, но в 1926 году принял предложение Карла Вайсенберга в Институте кайзера Вильгельма в Берлине. Вейсенберг хотел, чтобы кто-нибудь помог ему в работе по рентгеновской кристаллографии , и Поланьи порекомендовал Вигнера. Проработав шесть месяцев ассистентом Вайсенберга, Вигнер на два семестра проработал у Ричарда Беккера . Вигнер исследовал квантовую механику , изучая работы Эрвина Шрёдингера . Он также углубился в теорию групп Фердинанда Фробениуса и Эдуарда Риттера фон Вебера . [15]
Вигнер получил предложение от Арнольда Зоммерфельда работать в Геттингенском университете ассистентом великого математика Давида Гильберта . Это оказалось разочарованием, поскольку способности престарелого Гильберта угасали, а его интересы сместились в сторону логики. Тем не менее Вигнер учился самостоятельно. [16] Он заложил основы теории симметрии в квантовой механике и в 1927 году представил то, что сейчас известно как D-матрица Вигнера . [17] Вигнер и Герман Вейль были ответственны за введение теории групп в квантовую механику. Последний написал стандартный учебник « Теория групп и квантовая механика» (1928 г.), но его было нелегко понять, особенно молодым физикам. Теория групп Вигнера и ее применение к квантовой механике атомных спектров (1931) сделали теорию групп доступной для более широкой аудитории. [18]
В этих работах Вигнер заложил основы теории симметрии в квантовой механике . [19] Теорема Вигнера , доказанная Вигнером в 1931 году, является краеугольным камнем математической формулировки квантовой механики . Теорема определяет, как физические симметрии , такие как вращения, трансляции и симметрия CPT , представлены в гильбертовом пространстве состояний . Согласно теореме любое преобразование симметрии представляется линейным и унитарным или антилинейным и антиунитарным преобразованием гильбертова пространства. Представление группы симметрии в гильбертовом пространстве является либо обычным представлением , либо проективным представлением . [20] [21]
В конце 1930-х годов Вигнер расширил свои исследования атомных ядер. К 1929 году его работы привлекли внимание в мире физики. В 1930 году Принстонский университет нанял Вигнера на годичную должность лектора, что в 7 раз превышало зарплату, которую он получал в Европе. В то же время Принстон завербовал фон Неймана. Йене Пал Вигнер и Янош фон Нейман вместе работали над тремя статьями в 1928 году и двумя в 1929 году. Они перевели свои имена на английский язык как «Юджин» и «Джон» соответственно. [22] Когда их год закончился, Принстон предложил пятилетний контракт в качестве приглашенного профессора на полгода. Высшая техническая школа ответила назначением преподавателя на вторую половину года. Это было очень своевременно, поскольку вскоре к власти в Германии пришли нацисты . [23] В Принстоне в 1934 году Вигнер познакомил свою сестру Маргит «Манси» Вигнер с физиком Полем Дираком , с которым она снова вышла замуж. [24]
Принстон не нанял Вигнера повторно, когда его контракт истек в 1936 году. [25] Через Грегори Брейта Вигнер нашел новую работу в Университете Висконсина . Там он встретил свою первую жену Амелию Франк, которая там училась на физике. Однако она неожиданно умерла в 1937 году, оставив Вигнера в отчаянии. Поэтому он принял предложение Принстона в 1938 году вернуться туда. [26] Вигнер стал натурализованным гражданином Соединенных Штатов 8 января 1937 года и привез своих родителей в Соединенные Штаты. [27]
Хотя он был явным политическим любителем, 2 августа 1939 года он участвовал во встрече с Лео Сцилардом и Альбертом Эйнштейном , в результате которой было подписано письмо Эйнштейна-Сциларда , которое побудило президента Франклина Д. Рузвельта инициировать Манхэттенский проект по разработке атомных бомб . . [28] Вигнер боялся, что немецкий проект создания ядерного оружия первым разработает атомную бомбу, и даже отказался снять у него отпечатки пальцев, потому что их можно было бы использовать, чтобы выследить его, если Германия победит. [29] «Мысли о том, что вас убьют, — вспоминал он позже, — чудесным образом фокусируют ваш разум». [29]
4 июня 1941 года Вигнер женился на своей второй жене, Мэри Аннет Уиллер, профессоре физики в колледже Вассар , которая защитила докторскую диссертацию. в Йельском университете в 1932 году. После войны она преподавала физику на факультете Дуглас-колледжа Рутгерского университета в Нью-Джерси до выхода на пенсию в 1964 году. Они оставались женатыми до ее смерти в ноябре 1977 года. [30] [31] У них было двое дети, Дэвид Вигнер и Марта Вигнер Аптон. [32]
Во время Манхэттенского проекта Вигнер возглавлял команду, в которую входили Дж. Эрнест Уилкинс-младший , Элвин М. Вайнберг , Кэтрин Уэй , Гейл Янг и Эдвард Крейц . Задача группы заключалась в разработке промышленных ядерных реакторов, которые будут превращать уран в оружейный плутоний. В то время реакторы существовали только на бумаге, и ни один реактор еще не вышел в критическое состояние . В июле 1942 года Вигнер выбрал консервативную конструкцию мощностью 100 МВт с графитовым замедлителем нейтронов и водяным охлаждением. [33] Вигнер присутствовал на переоборудованной площадке для ракеток под трибунами заброшенного стадиона Стэгг Филд Чикагского университета 2 декабря 1942 года, когда первый в мире атомный реактор Chicago Pile One (CP-1) достиг контролируемой ядерной цепи. реакция . [34]
Вигнер был разочарован тем, что на DuPont была возложена ответственность за детальное проектирование реакторов, а не только за их строительство. Он пригрозил уйти в отставку в феврале 1943 года, но его отговорил руководитель Металлургической лаборатории Артур Комптон , который вместо этого отправил его в отпуск. Как оказалось, проектное решение DuPont установить в реакторе дополнительные загрузочные трубы для большего количества урана спасло проект, когда нейтронное отравление стало проблемой. [35] Без дополнительных трубок реактор мог бы работать на 35% мощности до тех пор, пока примеси бора в графите не выгорят и не будет произведено достаточно плутония, чтобы запустить реактор на полную мощность; но это отбросило бы проект на год назад. [36] В 1950-х годах он даже работал в компании DuPont на участке реки Саванна . [35] Вигнер не сожалел о работе над Манхэттенским проектом и иногда жалел, что атомная бомба не была готова годом раньше. [37]
Важным открытием, сделанным Вигнером во время проекта, был эффект Вигнера . Это разбухание графитового замедлителя, вызванное смещением атомов нейтронным излучением . [38] Эффект Вигнера стал серьезной проблемой для реакторов на Хэнфордском полигоне сразу после войны и привел к сокращению производства и полной остановке реактора. [39] В конечном итоге было обнаружено, что эту проблему можно преодолеть путем контролируемого нагрева и отжига. [40]
Благодаря финансированию Манхэттенского проекта Вигнер и Леонард Эйзенбуд также разработали важный общий подход к ядерным реакциям - теорию R-матрицы Вигнера-Эйзенбуда, которая была опубликована в 1947 году. [41]
Вигнер был избран членом Американского философского общества в 1944 году и Национальной академии наук США в 1945 году. [42] [43] Он принял должность директора по исследованиям и разработкам в Лаборатории Клинтона (ныне Национальная лаборатория Ок-Ридж ). в Ок-Ридже, штат Теннесси, в начале 1946 года. Поскольку он не хотел выполнять административные обязанности, он стал содиректором лаборатории, а Джеймс Лам выполнял административные обязанности в качестве исполнительного директора. [44] Когда в начале 1947 года недавно созданная Комиссия по атомной энергии (AEC) взяла на себя ответственность за работу лаборатории, Вигнер опасался, что многие технические решения будут приниматься в Вашингтоне. [45] Он также рассматривал продолжение армейской политики безопасности в лаборатории во время войны как «назойливую оплошность», мешающую исследованиям. [46] Один из таких инцидентов произошел в марте 1947 года, когда AEC обнаружила, что ученые Вигнера проводили эксперименты с критической массой урана -235, хотя директор Манхэттенского проекта генерал-майор Лесли Р. Гроувс-младший запретил такие эксперименты. эксперименты в августе 1946 года после смерти Луи Слотина в Лос-Аламосской лаборатории . Вигнер утверждал, что приказ Гроувса был отменен, но был вынужден прекратить эксперименты, которые совершенно отличались от того, в котором погиб Слотин. [47]
Чувствуя себя неподходящим для управленческой роли в такой среде, он покинул Ок-Ридж в 1947 году и вернулся в Принстонский университет, [48] хотя в течение многих лет сохранял консультационную роль в этом учреждении. [45] В послевоенный период он работал в ряде государственных органов, включая Национальное бюро стандартов с 1947 по 1951 год, математическую группу Национального исследовательского совета с 1951 по 1954 год, физическую группу Национального научного фонда , и влиятельный Генеральный консультативный комитет Комиссии по атомной энергии с 1952 по 1957 год и снова с 1959 по 1964 год. [49] Он также внес вклад в гражданскую оборону . [50]
Вигнер был избран членом Американской академии искусств и наук в 1950 году .
Ближе к концу жизни мысли Вигнера стали более философскими. В 1960 году он опубликовал ставшую классической статью по философии математики и физики, ставшую его самой известной работой за пределами технической математики и физики, « Необоснованная эффективность математики в естественных науках ». [52] Он утверждал, что биология и познание могли быть источником физических концепций, как мы, люди, их воспринимаем, и что счастливое совпадение, заключающееся в том, что математика и физика так хорошо сочетаются, кажется «необоснованным» и труднообъяснимым. [52] Его оригинальная статья вызвала и вдохновила множество откликов в самых разных дисциплинах. В их число входили Ричард Хэмминг по информатике, [53] Артур Леск по молекулярной биологии, [54] Питер Норвиг по интеллектуальному анализу данных, [55] Макс Тегмарк по физике, [56] Айвор Граттан-Гиннесс по математике, [57] и Вела Велупилаи. в области экономики. [58]
Обращаясь к философским вопросам теории квантовой механики, Вигнер разработал мысленный эксперимент (позже названный парадоксом друга Вигнера ), чтобы проиллюстрировать свою веру в то, что сознание является основой процесса квантовомеханических измерений . Таким образом, он следовал онтологическому подходу, который ставит человеческое сознание в центр: «Все, что квантовая механика стремится обеспечить, - это вероятностные связи между последующими впечатлениями (также называемыми «апперцепциями») сознания». [59]
Измерения понимаются как взаимодействия, которые создают впечатления в нашем сознании (и в результате изменяют волновую функцию «измеряемой» физической системы). Эта идея получила название интерпретации « сознание вызывает коллапс ».
Интересно, что Хью Эверетт III (ученик Вигнера) описал мысленный эксперимент Вигнера во вступительной части своей диссертации 1957 года как «забавную, но крайне гипотетическую драму». [60] В раннем наброске работы Эверетта можно также найти рисунок ситуации «Друг Вигнера», [61] который следует рассматривать как первое на бумаге свидетельство мысленного эксперимента, который позже был назначен экспериментом Вигнера. Это говорит о том, что Эверетт, по крайней мере, должен был обсудить проблему вместе с Вигнером.
В ноябре 1963 года Вигнер призвал выделить 10% бюджета национальной обороны на убежища от ядерного взрыва и ресурсы выживания, утверждая, что такие расходы будут менее дорогостоящими, чем разоружение. Вигнер счел вывод недавнего исследования в Вудс-Хоуле о том, что ядерный удар приведет к гибели 20% американцев, очень скромным прогнозом и что страна сможет оправиться от такой атаки быстрее, чем Германия оправилась от опустошения Второй мировой войны. [62]
Вигнер был удостоен Нобелевской премии по физике в 1963 году «за вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц , в частности, за открытие и применение фундаментальных принципов симметрии». [1] В том же году премия была разделена, а другая половина награды была разделена между Марией Гепперт-Майер и Й. Хансом Д. Йенсеном . [1] Вигнер заявил, что никогда не рассматривал возможность того, что это может произойти, и добавил: «Я никогда не ожидал, что мое имя появится в газетах, не совершив при этом чего-нибудь злого». [63] Он также получил медаль Франклина в 1950 году, [64] премию Энрико Ферми в 1958 году, [65] премию « Атом для мира» в 1959 году, [66] медаль Макса Планка в 1961 году, [67] Национальную медаль Наука в 1969 году, [68] Премия Альберта Эйнштейна в 1972 году, [69] Премия «Золотая тарелка» Американской академии достижений в 1974 году, [70] одноименная медаль Вигнера в 1978 году, [71] и премия Герцля в 1982 году. В 1968 году он прочитал лекцию Джозайи Уилларда Гиббса . [72] [73]
После выхода на пенсию из Принстона в 1971 году Вигнер подготовил первое издание сборника философских эссе «Симметрии и размышления» и стал более активно участвовать в международных и политических встречах; Примерно в это же время он стал лидером [74] и активным защитником [75] ежегодной Международной конференции Церкви Объединения по вопросу единства наук .
Мэри умерла в ноябре 1977 года. В 1979 году Вигнер женился на своей третьей жене, Эйлин Клэр-Паттон (Пэт) Гамильтон, вдове физика Дональда Росса Гамильтона, декана аспирантуры Принстонского университета, умершего в 1972 году. [ 76 ] В 1992 году, в возрасте 90 лет, он опубликовал свои мемуары « Воспоминания Юджина П. Вигнера с Эндрю Сзантоном ». В нем Вигнер сказал: «Полный смысл жизни, коллективный смысл всех человеческих желаний, по сути, является загадкой, не поддающейся нашему пониманию. В молодости меня раздражало такое положение дел. Я даже чувствую некоторую честь быть причастным к такой тайне». [77] В своем сборнике эссе «Философские размышления и синтезы» (1995) он прокомментировал: «Невозможно сформулировать законы квантовой механики полностью последовательным образом без ссылки на сознание». [78]
Вигнер был признан членом консультативного совета Western Goals Foundation , частного агентства внутренней разведки, созданного в США в 1979 году, чтобы «заполнить критический пробел, вызванный нанесением вреда ФБР , отключением антиамериканской деятельности Палаты представителей». комитета и уничтожение важных правительственных файлов». [79]
Вигнер умер от пневмонии в Университетском медицинском центре в Принстоне, штат Нью-Джерси, 1 января 1995 года. [80]
Ок-Ридж в то время был настолько бюрократизирован, что, к сожалению, я не смог этого вынести.