Джон Арчибальд Уиллер (9 июля 1911 — 13 апреля 2008) — американский физик-теоретик . Он был в значительной степени ответственен за возрождение интереса к общей теории относительности в Соединенных Штатах после Второй мировой войны . Уилер также работал с Нильсом Бором , чтобы объяснить основные принципы ядерного деления . Вместе с Грегори Брейтом Уилер разработал концепцию процесса Брейта-Уиллера . Он наиболее известен популяризацией термина « черная дыра » [1] для объектов с гравитационным коллапсом, предсказанным уже в начале 20 века, а также изобретением терминов « квантовая пена », « замедлитель нейтронов », « червоточина » и «это из бита». ", [2] и за выдвижение гипотезы " одноэлектронной вселенной ". Стивен Хокинг назвал Уиллера «героем истории о черной дыре». [3]
В 21 год Уиллер получил докторскую степень в Университете Джонса Хопкинса под руководством Карла Херцфельда . Он учился у Брейта и Бора по стипендии Национального исследовательского совета . В 1939 году он сотрудничал с Бором в серии статей, используя модель капли жидкости для объяснения механизма деления. Во время Второй мировой войны он работал в Металлургической лаборатории Манхэттенского проекта в Чикаго, где помогал проектировать ядерные реакторы , а затем на Хэнфордской площадке в Ричленде, штат Вашингтон , где он помогал компании DuPont строить их. Он вернулся в Принстон после войны, но вернулся на государственную службу, чтобы помочь в разработке и создании водородной бомбы в начале 1950-х годов. Он и Эдвард Теллер были главными гражданскими сторонниками термоядерного оружия. [4]
Большую часть своей карьеры Уиллер был профессором физики в Принстонском университете , куда он поступил в 1938 году и оставался там до 1976 года. В Принстоне он руководил 46 аспирантами, больше, чем любой другой профессор физики.
Уилер покинул Принстон в возрасте 65 лет. Он был назначен директором Центра теоретической физики Техасского университета в Остине в 1976 году и оставался на этой должности до 1986 года, когда вышел на пенсию и стал почетным профессором .
Уиллер родился в Джексонвилле, Флорида , 9 июля 1911 года в семье библиотекарей Джозефа Л. Уиллера и Мейбл Арчибальд (Арчи) Уилер. [5] Он был старшим из четырех детей. Его брат Джозеф получил докторскую степень в Университете Брауна и степень магистра библиотечного дела в Колумбийском университете . Его брат Роберт получил степень доктора геологии в Гарвардском университете и работал геологом в нефтяных компаниях и нескольких колледжах. Его сестра Мэри изучала библиотечное дело в Денверском университете и стала библиотекарем. [6] Они выросли в Янгстауне, штат Огайо , но провели год с 1921 по 1922 год на ферме в Бенсоне, штат Вермонт , где Уиллер посещал однокомнатную школу . Когда они вернулись в Янгстаун, он учился в средней школе Райена . [7]
После окончания средней школы Балтиморского городского колледжа в 1926 году [8] Уиллер поступил в Университет Джонса Хопкинса со стипендией штата Мэриленд . [9] Свою первую научную работу он опубликовал в 1930 году во время летней работы в Национальном бюро стандартов . [10] Он получил докторскую степень в 1933 году. Его диссертационная исследовательская работа, выполненная под руководством Карла Герцфельда , была на тему «Теория дисперсии и поглощения гелия». [11] Он получил стипендию Национального исследовательского совета , которую использовал для обучения под руководством Грегори Брейта в Нью-Йоркском университете в 1933 и 1934 годах, [12] а затем в Копенгагене под руководством Нильса Бора в 1934 и 1935 годах. [13] В статье 1934 года. Брейт и Уиллер представили процесс Брейта-Уиллера , механизм, с помощью которого фотоны могут потенциально превращаться в материю в форме электрон - позитронных пар. [9] [14]
В 1937 году Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл назначил Уиллера доцентом, но он хотел иметь возможность более тесно сотрудничать с экспертами в области физики элементарных частиц. [15] В 1938 году он отклонил предложение о должности доцента в Университете Джонса Хопкинса в пользу должности доцента в Принстонском университете . Хотя это была меньшая должность, он чувствовал, что Принстон, в котором создавался физический факультет, был лучшим выбором для карьеры. [16] Он оставался членом его факультета до 1976 года. [17]
В своей статье 1937 года «О математическом описании легких ядер методом резонирующей групповой структуры» Уилер ввел S -матрицу — сокращение от матрицы рассеяния — «унитарную матрицу коэффициентов, связывающих асимптотическое поведение произвольного частного решения [ интегральные уравнения] с решением стандартной формы». [18] [19] Уиллер не развивал эту идею, но в 1940-х годах Вернер Гейзенберг развил идею S-матрицы в важный инструмент в физике элементарных частиц . [18]
В 1938 году Уиллер присоединился к Эдварду Теллеру в исследовании жидкокапельной модели атомного ядра Бора ; [20] они представили свои результаты на заседании Американского физического общества в Нью-Йорке. Аспирантка Университета Уилера в Чапел-Хилл Кэтрин Уэй также представила статью, которую она продолжила в следующей статье, подробно описывая, как модель капли жидкости нестабильна при определенных условиях. Из-за ограничений модели капель жидкости все они упустили возможность предсказать деление ядра . [21] [22] В 1939 году Бор принес в Америку известие об открытии расщепления Лизой Мейтнер и Отто Фришем . Бор рассказал об этом Леону Розенфельду , который проинформировал Уиллера. [16]
Бор и Уилер приступили к работе, применив модель капли жидкости для объяснения механизма ядерного деления. [23] Когда физики-экспериментаторы изучали деление, они обнаружили загадочные результаты. Джордж Плачек спросил Бора, почему уран делится как на очень быстрые, так и на очень медленные нейтроны . Идя на встречу с Уилером, Бор понял, что деление при низких энергиях происходит за счет изотопа урана-235 , тогда как при высоких энергиях оно происходит главным образом за счет гораздо более распространенного изотопа урана-238 . [24] Они написали еще две статьи о делении. [25] [26] Их первая статья появилась в журнале Physical Review 1 сентября 1939 года, в день, когда Германия вторглась в Польшу , начав Вторую мировую войну . [27]
Принимая во внимание представление о том, что позитроны — это электроны, движущиеся назад во времени, в 1940 году Уилер выдвинул постулат об одноэлектронной Вселенной : на самом деле существует только один электрон, прыгающий вперед и назад во времени. Его аспиранту Ричарду Фейнману в это было трудно поверить, но идея о том, что позитроны — это электроны, путешествующие назад во времени, заинтриговала его, и Фейнман включил идею обратимости времени в свои диаграммы Фейнмана . [28]
Вскоре после того, как японская бомбардировка Перл-Харбора привела США к вступлению во Вторую мировую войну, Уилер принял просьбу Артура Комптона присоединиться к Металлургической лаборатории Манхэттенского проекта в Чикагском университете . Он переехал туда в январе 1942 года, [27] присоединившись к группе Юджина Вигнера , которая занималась проектированием ядерного реактора . [29] Вместе с Робертом Ф. Кристи он написал статью «Цепная реакция чистых расщепляющихся материалов в растворе», которая сыграла важную роль в процессе очистки плутония . [30] Он был рассекречен в декабре 1955 года. [31] Он дал замедлителю нейтронов свое имя, заменив термин Энрико Ферми «медленнее, медленнее». [32] [33]
После того, как Инженерный корпус армии США взял на себя Манхэттенский проект, он передал компании DuPont ответственность за детальное проектирование и строительство реакторов. [34] Уиллер стал частью команды дизайнеров DuPont. [35] Он тесно сотрудничал с ее инженерами, курсируя между Чикаго и Уилмингтоном, штат Делавэр , где располагалась штаб-квартира DuPont. Он перевез свою семью в Уилмингтон в марте 1943 года. [36] Задачей компании DuPont было построить не только ядерные реакторы, но и целый комплекс по производству плутония на Хэнфордском полигоне в Вашингтоне . [37] По мере продвижения работы, в июле 1944 года Уилер снова перевез свою семью в Ричленд, штат Вашингтон , где он работал в научных зданиях, известных как « зона 300» . [30] [36]
Еще до того, как 15 сентября 1944 года на Хэнфордской площадке был запущен реактор B , первый из трех реакторов, Уилер был обеспокоен тем, что некоторые продукты ядерного деления могут оказаться ядерными ядами , накопление которых будет препятствовать продолжающейся цепной ядерной реакции, вызывая поглощая множество тепловых нейтронов , необходимых для продолжения цепной реакции. [38] В отчете за апрель 1942 года он предсказал, что это снизит реактивность менее чем на один процент, пока ни один продукт деления не будет иметь сечение захвата нейтронов более 100 000 барнов . [39] После того, как реактор неожиданно остановился, а затем столь же неожиданно перезапустился примерно через 15 часов, он заподозрил йод-135 с периодом полураспада 6,6 часов и его дочерний продукт, ксенон-135 , период полураспада которого составляет 9,2 часа. Оказалось, что ксенон-135 имеет сечение захвата нейтронов более двух миллионов барнов. Проблему исправили добавлением дополнительных топливных снарядов для сжигания яда. [40]
У Уиллера была личная причина работать над Манхэттенским проектом. Его брат Джо, воевавший в Италии, прислал ему открытку с простым посланием: «Поторопись». [41] Было уже слишком поздно: Джо был убит в октябре 1944 года. «Вот мы были, — писал позже Уилер, — так близко к созданию ядерного оружия, которое положит конец войне. Тогда я не мог перестать думать, и не смог» С тех пор я перестал думать, что война могла закончиться в октябре 1944 года». [40] У Джо осталась вдова и маленькая дочь Мэри Джо, которая позже вышла замуж за физика Джеймса Хартла . [42]
В августе 1945 года Уилер и его семья вернулись в Принстон, где он возобновил свою академическую карьеру. [43] Работая с Фейнманом, он исследовал возможность физики с частицами, но не с полями, и провел теоретические исследования мюона с Джейме Тиомно , [44] , в результате чего появилась серия статей по этой теме, [45] [46 ] ] включая статью 1949 года, в которой Тиомно и Уилер представили «Треугольник Тиомно», который связывал различные формы радиоактивного распада. [47] Он также предложил использовать мюоны в качестве ядерного зонда. Эта статья, написанная и распространенная в частном порядке в 1949 г., но опубликованная только в 1953 г., [48] привела к серии измерений чанговского излучения, испускаемого мюонами. Мюоны являются компонентом космических лучей , и Уилер стал основателем и первым директором Принстонской лаборатории космических лучей, которая в 1948 году получила грант в размере 375 000 долларов от Управления военно-морских исследований . [49] Уиллер получил стипендию Гуггенхайма в 1946 году [50]. ] , что позволило ему провести 1949–50 учебный год в Париже. [51]
Взрыв Джо-1, произведенный Советским Союзом в 1949 году , побудил Соединенные Штаты во главе с Теллером приложить все усилия по разработке в ответ более мощной водородной бомбы . Генри Д. Смит , руководитель отдела Уиллера в Принстоне, попросил его присоединиться к этим усилиям. Большинство физиков, как и Уиллер, пытались восстановить карьеру, прерванную войной, и не хотели сталкиваться с новыми потрясениями. У других были моральные возражения. [52] Среди тех, кто согласился участвовать, были Эмиль Конопински , Маршалл Розенблут , Лотар Нордхейм и Чарльз Критчфилд , но теперь в Лос-Аламосской лаборатории работала группа опытных физиков-оружейников во главе с Норрисом Брэдбери . [53] [54] Уилер согласился поехать в Лос-Аламос после разговора с Бором. [52] К нему присоединились два его аспиранта из Принстона, Кен Форд и Джон Толл . [55]
В Лос-Аламосе Уилер и его семья переехали в дом на « Батб-Роу », который Роберт Оппенгеймер и его семья занимали во время войны. [56] В 1950 году еще не было практического проекта водородной бомбы. Расчеты Станислава Улама и других показали, что «Классический супер» Теллера не сработает. Теллер и Уиллер создали новую конструкцию, известную как «Будильник», но это не было настоящим термоядерным оружием. Лишь в январе 1951 года Улам придумал работоспособную конструкцию . [57]
В 1951 году Уиллер получил разрешение Брэдбери на открытие филиала лос-Аламосской лаборатории в Принстоне, известного как « Проект Маттерхорн» , который состоял из двух частей. Маттерхорн S (от стелларатора , другое название, придуманное Уилером) под руководством Лаймана Спитцера исследовал ядерный синтез как источник энергии. Маттерхорн Б (обозначающий бомбу) под руководством Уиллера проводил исследования ядерного оружия. Старшие ученые оставались незаинтересованными и отстраненными от проекта, поэтому он укомплектовал его молодыми аспирантами и докторантами. [58] Усилия Маттерхорна Б увенчались успехом ядерного испытания Айви Майк на атолле Эниветак в Тихом океане 1 ноября 1952 года, [59] [58] свидетелем которого был Уиллер. Мощность устройства «Колбаска» Айви Майка оценивалась в 10,4 мегатонны в тротиловом эквиваленте (44 ПДж ), что примерно на 30 процентов выше, чем предполагал Маттерхорн Б. [60]
В январе 1953 года Уилер был замешан в нарушении безопасности, когда во время ночной поездки на поезде он потерял строго секретный документ о литии-6 и конструкции водородной бомбы. [61] [62] Это привело к официальному выговору. [63]
Производство Маттерхорна B было прекращено, но Маттерхорн S продолжает существовать как Принстонская лаборатория физики плазмы . [58]
Завершив работу над проектом Маттерхорн, Уилер возобновил академическую карьеру. В статье 1955 года он теоретически исследовал геон — электромагнитную или гравитационную волну , удерживаемую в ограниченной области притяжением собственного поля . Он придумал это название как сокращение от «гравитационная электромагнитная сущность». [64] Он обнаружил, что самый маленький геон представляет собой тороид размером с Солнце, но в миллионы раз тяжелее. Позже он показал, что геоны нестабильны и быстро самоуничтожятся, если когда-нибудь сформируются. [65]
В 1950-е годы Уиллер сформулировал геометродинамику — программу физического и онтологического сведения каждого физического явления, такого как гравитация и электромагнетизм , к геометрическим свойствам искривленного пространства-времени. Его исследования по этому вопросу были опубликованы в 1957 и 1961 годах. [66] [67] Уилер рассматривал структуру Вселенной как хаотическое субатомное царство квантовых флуктуаций , которое он назвал « квантовой пеной ». [64] [68]
Общая теория относительности считалась менее респектабельной областью физики, поскольку она была отделена от эксперимента. Уилер был ключевой фигурой в его возрождении, возглавив школу в Принстоне, а Деннис Уильям Шиама и Яков Борисович Зельдович развивали этот предмет в Кембриджском университете и Московском университете соответственно. Уиллер и его ученики внесли существенный вклад в эту область во время Золотого века общей теории относительности . [69]
Работая над математическим расширением общей теории относительности Эйнштейна в 1957 году, Уилер ввёл концепцию и слово « червоточина» для описания гипотетических «туннелей» в пространстве-времени . Бор спросил, стабильны ли они, и дальнейшие исследования Уиллера показали, что это не так. [70] [71] Его работы в области общей теории относительности включали теорию гравитационного коллапса. Он использовал термин « черная дыра» в 1967 году во время выступления в Институте космических исследований имени Годдарда НАСА (GISS) [72] , хотя этот термин использовался ранее в этом десятилетии. [a] Уиллер сказал, что этот термин был предложен ему во время лекции, когда один из слушателей устал слышать, как Уиллер говорит «полностью гравитационно коллапсирующий объект». Уиллер также был пионером в области квантовой гравитации благодаря своей разработке вместе с Брайсом ДеВиттом уравнения Уиллера-ДеВитта в 1967 году. [74] Стивен Хокинг позже описал работу Уиллера и Девитта как уравнение, управляющее « волновой функцией Вселенная». [75]
Уилер покинул Принстон в 1976 году в возрасте 65 лет. Он был назначен директором Центра теоретической физики Техасского университета в Остине в 1976 году и оставался на этой должности до 1986 года, когда вышел на пенсию [17] и стал почетным профессором . [76] Миснер, Торн и Войцех Зурек , бывшие ученики Уиллера, писали:
Оглядываясь назад на 10 лет работы Уиллера в Техасе, многие ученые в области квантовой информатики теперь считают его, наряду с Рольфом Ландауэром из IBM , дедушкой своей области. Однако это произошло не потому, что Уилер написал плодотворные исследовательские работы по квантовой информации. Он этого не сделал — за одним важным исключением — экспериментом с отложенным выбором. Скорее, его роль заключалась в том, чтобы вдохновлять, задавая глубокие вопросы с радикально-консервативной точки зрения, и посредством своих вопросов стимулировать исследования и открытия других. [77]
Эксперимент Уиллера с отложенным выбором описывает семейство предложенных им мысленных экспериментов в квантовой физике , наиболее известные из которых были проведены в 1978 и 1984 годах. Эти эксперименты направлены на то, чтобы выяснить, «чувствует ли свет каким-то образом экспериментальный аппарат, через который он проходит в эксперимент с двумя щелями , корректирующий его поведение, принимая соответствующее определенное состояние или оставаясь в неопределенном состоянии, ни в волне, ни в частице, и отвечая на «вопросы», которые задают ему экспериментальные механизмы, либо в волново-согласованном состоянии, либо в волновом образом или согласованным по частицам способом. [78]
Среди аспирантов Уиллера были Джейкоб Бекенштейн , Хью Эверетт , Ричард Фейнман , Дэвид Хилл, Бей-Лок Ху, Джон Р. Клаудер , Чарльз Миснер , Кип Торн , Уильям Унру , Роберт М. Уолд , Кэтрин Уэй и Артур Вайтман . [11] [79] Уиллер придавал преподаванию высокий приоритет и продолжал преподавать физику первокурсникам и второкурсникам , говоря, что молодые умы являются наиболее важными. В Принстоне он подготовил 46 докторов наук – больше, чем любой другой профессор физики. [80] Уилер написал поддерживающую обзорную статью, чтобы помочь Хью Эверетту в работе, написал Нильсу Бору и встретился с ним в Копенгагене, добиваясь его одобрения подхода Эверетта, и продолжал защищать Эверетта даже после отказа Бора. [81] [82] Вместе с Кентом Харрисоном, Кипом Торном и Масами Вакано Уиллер написал « Теорию гравитации и гравитационный коллапс» (1965). Это привело к созданию объемистого учебника по общей теории относительности «Гравитация» (1973), написанного в соавторстве с Миснером и Торном. Его своевременное появление в золотой век общей теории относительности и его полнота сделали его влиятельным учебником по теории относительности для целого поколения. [83] Уиллер и Эдвин Ф. Тейлор написали книги «Физика пространства-времени » (1966) и «Разведка черных дыр» (1996).
Ссылаясь на «мессу без мессы» Уиллера, праздничный сборник в честь его 60-летия был озаглавлен « Магия без магии: Джон Арчибальд Уиллер: Сборник эссе в честь его шестидесятилетия» (1972). Его стиль письма также мог вызвать пародии, в том числе пародию «Джона Арчибальда Уайлера», которая была с любовью опубликована в журнале по теории относительности. [84] [85]
Уиллер предположил, что реальность создается наблюдателями во Вселенной. «Как что-то возникает из ничего?» — спросил он о существовании пространства и времени. [86] [87] Он также ввел термин «совместный антропный принцип» (PAP), версию сильного антропного принципа . [88]
В 1990 году Уилер предположил, что информация имеет фундаментальное значение для физики Вселенной. Согласно этой доктрине «это из бита», все физические вещи имеют теоретико-информационное происхождение:
Уилер: Это из разряда. Другими словами, каждое оно — каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум — получает свою функцию, свой смысл, само свое существование целиком — даже если в некоторых контекстах косвенно — из аппаратно-вызванных ответов на вопрос «да». или-нет вопросов, двоичный выбор, биты. Изначально оно символизирует идею о том, что каждый предмет физического мира имеет в своей основе — в большинстве случаев очень глубокой — нематериальный источник и объяснение; то, что мы называем реальностью, в конечном счете возникает в результате постановки вопросов «да-нет» и регистрации ответов, вызванных оборудованием; Короче говоря, все физические вещи имеют теоретико-информационное происхождение и что это вселенная участия . [89]
Разрабатывая антропный принцип участия, интерпретацию квантовой механики , Уилер использовал вариант « Двадцати вопросов» , названный «Двадцать отрицательных вопросов», чтобы показать, как вопросы, которые мы решаем задать о Вселенной, могут диктовать ответы, которые мы получаем. В этом варианте респондент не выбирает и не решает заранее какой-либо конкретный или определенный объект, а только по схеме ответов «Да» или «Нет». Этот вариант требует от респондента предоставить последовательный набор ответов на последовательные вопросы, чтобы каждый ответ можно было рассматривать как логически совместимый со всеми предыдущими. Таким образом, последовательные вопросы сужают варианты до тех пор, пока спрашивающий не остановится на определенном объекте. Теория Уиллера заключалась в том, что аналогичным образом сознание может играть некоторую роль в возникновении Вселенной. [90]
Из стенограммы радиоинтервью на тему «Антропная Вселенная»:
Уиллер: Мы соучаствуем в создании не только близкого и здесь, но и далекого и давнего. В этом смысле мы являемся участниками создания чего-то во Вселенной в далеком прошлом, и если у нас есть одно объяснение тому, что происходит в далеком прошлом, зачем нам нужно другое? Мартин Редферн: Многие не согласны с Джоном Уилером, но если он прав, то мы и, предположительно, другие сознательные наблюдатели во Вселенной являемся творцами – или, по крайней мере, разумами, которые заставляют Вселенную проявляться. [91]
В 1979 году Уиллер обратился к Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) с просьбой исключить парапсихологию , которая была принята десятью годами ранее по просьбе Маргарет Мид . Он назвал это лженаукой , [92] заявив, что он не против серьезного исследования этих вопросов, но считает, что «атмосферу легитимности» членства в AAAS следует сохранить до тех пор, пока не удастся провести убедительные испытания хотя бы нескольких так называемых пси-эффектов. быть продемонстрировано. [93] В период вопросов и ответов после его презентации «Не сознание, а различие между зондом и зондируемым как центральное в элементарном квантовом акте наблюдения» Уилер ошибочно сказал, что Дж. Б. Райн совершил мошенничество, пытаясь студента, за что он извинился в последующем письме в журнал Science . [94] Его просьба была отклонена, и Парапсихологическая ассоциация осталась членом AAAS. [93]
В течение 72 лет Уиллер был женат на Джанетт Хегнер, учительнице и социальном работнике. Они обручились на третьем свидании, но согласились отложить свадьбу до его возвращения из Европы. Они поженились 10 июня 1935 года, через пять дней после его возвращения. [95] Во время Великой депрессии было трудно найти работу . Артур Руарк предложил Уилеру должность доцента в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл с годовой зарплатой в 2300 долларов, что было меньше, чем 2400 долларов, которые Джанетт предлагали преподавать в дневной школе Рай-Кантри. [96] [16] У них было трое детей. [17]
Уилер и Хегнер были членами-основателями Унитарной церкви Принстона, а она инициировала организацию «Друзья Принстонской публичной библиотеки» . [97] В более поздние годы Хегнер сопровождал его в творческих отпусках во Франции, Лос-Аламосе, Нью-Мексико, Нидерландах и Японии. [97] Хегнер умер в октябре 2007 года в возрасте 96 лет. [98] [99]
Уиллер получил множество премий и наград, в том числе премию «Золотая тарелка» Американской академии достижений в 1966 году, [100] премию Энрико Ферми в 1968 году, медаль Франклина в 1969 году, премию Эйнштейна в 1969 году, Национальную медаль науки в 1971 году. , Международная золотая медаль Нильса Бора в 1982 году, медаль Эрстеда в 1983 году, премия памяти Дж. Роберта Оппенгеймера в 1984 году и премия Фонда Вольфа в 1997 году. [76] Он был членом Американского философского общества , Королевской академии. , Национальная академия Линчеи и Ассоциация века . Он получил почетные степени 18 различных учреждений. В 2001 году Принстон использовал подарок в размере 3 миллионов долларов для учреждения профессорской кафедры физики Джона Арчибальда Уиллера/Баттелла. [17] После его смерти Техасский университет назвал в его честь Лекционный зал Джона А. Уиллера. [76]
13 апреля 2008 года Уиллер умер от пневмонии в возрасте 96 лет в Хайтстауне, штат Нью-Джерси . [1]
