Джон Арчибальд Уилер (9 июля 1911 г. — 13 апреля 2008 г.) — американский физик-теоретик . Он 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, уже предсказанным в начале 20-го века, изобретением терминов « квантовая пена », « замедлитель нейтронов », « кротовая нора » и «it from bit» [2] , а также выдвижением гипотезы « одноэлектронной вселенной ». Стивен Хокинг назвал Уиллера «героем истории о черной дыре». [3]
В 21 год Уилер получил докторскую степень в Университете Джонса Хопкинса под руководством Карла Герцфельда . Он учился у Брейта и Бора по стипендии Национального исследовательского совета . В 1939 году он сотрудничал с Бором в серии статей, используя модель жидкой капли 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 площадке Ханфорд в Ричленде, штат Вашингтон , где помогал DuPont их строить. После войны он вернулся в Принстон, но в начале 1950-х годов вернулся на государственную службу, чтобы помочь спроектировать и построить водородную бомбу . Он и Эдвард Теллер были главными гражданскими сторонниками термоядерного оружия. [4]
Большую часть своей карьеры Уилер был профессором физики в Принстонском университете , куда он присоединился в 1938 году и оставался на этой должности до 1976 года. В Принстоне он руководил 46 аспирантами — больше, чем любой другой профессор физики.
Уилер покинул Принстон в возрасте 65 лет. В 1976 году он был назначен директором Центра теоретической физики Техасского университета в Остине и оставался на этой должности до 1986 года, когда он вышел на пенсию и стал почетным профессором .
Уилер родился в Джексонвилле, штат Флорида , 9 июля 1911 года в семье библиотекарей Джозефа Л. Уиллера и Мейбл Арчибальд (Арчи) Уилер. [5] Он был старшим из четырёх детей. Его брат Джозеф получил докторскую степень в Университете Брауна и степень магистра библиотечного дела в Колумбийском университете . Его брат Роберт получил докторскую степень по геологии в Гарвардском университете и работал геологом в нефтяных компаниях и нескольких колледжах. Его сестра Мэри изучала библиотечное дело в Университете Денвера 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 Уилер учился в однокомнатной школе . Когда они вернулись в Янгстаун, он поступил в среднюю школу Рэйен . [7]
Окончив среднюю школу Baltimore City College в 1926 году, [8] Уилер поступил в Университет Джонса Хопкинса по стипендии штата Мэриленд . [9] Свою первую научную работу он опубликовал в 1930 году в рамках летней работы в Национальном бюро стандартов . [10] Он получил докторскую степень в 1933 году. Его диссертационная исследовательская работа, выполненная под руководством Карла Герцфельда , была посвящена «Теории рассеивания и абсорбции гелия». [11] Он получил стипендию Национального исследовательского совета , которую он использовал для обучения у Грегори Брейта в Нью-Йоркском университете в 1933 и 1934 годах, [12] а затем в Копенгагене у Нильса Бора в 1934 и 1935 годах. [13] В статье 1934 года Брейт и Уиллер представили процесс Брейта-Уилера , механизм, с помощью которого фотоны могут потенциально преобразовываться в материю в форме пар электрон - позитрон . [9] [14]
Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл сделал Уиллера доцентом в 1937 году, 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 ассистента профессора в Принстонском университете . Хотя это была меньшая должность, он чувствовал, что Принстон, который создавал свой 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, связывающую асимптотическое поведение произвольного частного решения [интегральных уравнений] с асимптотическим поведением решений стандартной формы». [18] [19] Уилер не стал развивать эту идею, но в 1940-х годах Вернер Гейзенберг развил идею S-матрицы в важный инструмент в физике элементарных частиц . [18]
В 1938 году Уилер присоединился к Эдварду Теллеру в исследовании модели жидкой капли атомного ядра Бора ; [20] они представили свои результаты на собрании Американского физического общества в Нью-Йорке. Аспирантка Уилера из Чапел-Хилла Кэтрин Уэй также представила доклад, который она продолжила в последующей статье, подробно описав, как модель жидкой капли была нестабильной при определенных условиях. Из-за ограничений модели жидкой капли они все упустили возможность предсказать ядерное деление . [21] [22] В 1939 году Бор привез в Америку новость об открытии деления Лизой Мейтнер и Отто Фришем . Бор рассказал об этом Леону Розенфельду , который сообщил Уилеру. [16]
Бор и Уилер приступили к работе, применяя модель жидкой капли для объяснения механизма ядерного деления. [23] Когда физики-экспериментаторы изучали деление, они обнаружили озадачивающие результаты. Джордж Плачек спросил Бора, почему уран, по-видимому, делится как очень быстрыми, так и очень медленными нейтронами . Идя на встречу с Уилером, Бор понял, что деление при низких энергиях происходит из-за изотопа урана-235 , тогда как при высоких энергиях оно в основном происходит из-за гораздо более распространенного изотопа урана-238 . [24] Они совместно написали еще две статьи о делении. [25] [26] Их первая статья появилась в Physical Review 1 сентября 1939 года, в день, когда Германия вторглась в Польшу , начав Вторую мировую войну . [27]
Рассматривая идею о том, что позитроны — это электроны, движущиеся назад во времени, в 1940 году Уилер сформулировал свой постулат одноэлектронной вселенной : что на самом деле существует только один электрон, скачущий вперед и назад во времени. Его аспирант Ричард Фейнман с трудом мог в это поверить, но идея о том, что позитроны — это электроны, движущиеся назад во времени, заинтриговала его, и Фейнман включил понятие обратимости времени в свои диаграммы Фейнмана . [28]
Вскоре после того, как японская бомбардировка Перл-Харбора привела США ко Второй мировой войне, 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 изучала проектирование ядерного реактора . [29] Он написал статью совместно с Робертом Ф. Кристи на тему «Цепная реакция чистых расщепляемых материалов в растворе», которая была важна для процесса очистки плутония . [30] Она была рассекречена в декабре 1955 года. [31] Он дал замедлителю нейтронов его название, заменив термин Энрико Ферми «замедлитель». [32] [33]
После того, как Инженерный корпус армии США взял на себя Манхэттенский проект, он передал DuPont ответственность за детальное проектирование и строительство реакторов. [34] Уилер стал частью конструкторского состава DuPont. [35] Он тесно сотрудничал с инженерами, курсируя между Чикаго и Уилмингтоном, штат Делавэр , где находилась штаб-квартира DuPont. Он перевез свою семью в Уилмингтон в марте 1943 года. [36] Задачей DuPont было построить не только ядерные реакторы, но и целый комплекс по производству плутония на площадке Ханфорд в Вашингтоне . [37] По мере продвижения работ Уилер снова перевез свою семью в июле 1944 года 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 объекте в Хэнфорде был запущен реактор B , первый из трех реакторов, Уилер был обеспокоен тем, что некоторые продукты ядерного деления могут быть ядерными ядами , накопление которых будет препятствовать продолжающейся ядерной цепной реакции , поглощая многие тепловые нейтроны, необходимые для продолжения цепной реакции. [38] В отчете от апреля 1942 года он предсказал, что это снизит реактивность менее чем на один процент, при условии, что ни один продукт деления не будет иметь поперечное сечение захвата нейтронов более 100 000 барн . [39] После того, как реактор неожиданно остановился, а затем так же неожиданно перезапустился примерно через 15 часов, он заподозрил йод-135 с периодом полураспада 6,6 часа и его дочерний продукт, ксенон-135 , период полураспада которого составляет 9,2 часа. Оказалось, что ксенон-135 имеет поперечное сечение захвата нейтронов значительно более двух миллионов барн. Проблема была устранена путем добавления дополнительных топливных стержней для сжигания яда. [40]
У Уиллера была личная причина работать над Манхэттенским проектом. Его брат Джо, воевавший в Италии, послал ему открытку с простым сообщением: «Поторопись». [41] Было уже слишком поздно: Джо был убит в октябре 1944 года. «Вот мы и были», — позже писал Уиллер, — «так близки к созданию ядерного оружия, чтобы положить конец войне. Я не мог перестать думать тогда и не переставал думать с тех пор, что война могла закончиться в октябре 1944 года». [40] У Джо остались 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 возможности физики с частицами, но не полями, и провел теоретические исследования мюона с Джейми Тиомно , [44] что привело к серии 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 году, но не опубликованная до 1953 года, [48] привела к серии измерений излучения Чанга, испускаемого мюонами. Мюоны являются компонентом космических лучей , и Уилер стал основателем и первым директором Лаборатории космических лучей в Принстоне, которая получила грант в размере 375 000 долларов от Управления военно-морских исследований в 1948 году. [49] Уилер получил стипендию Гуггенхайма в 1946 году, [50] что позволило ему провести 1949–50 учебный год в Париже. [51]
Взрыв Джо-1 Советским Союзом в 1949 году побудил Соединенные Штаты во главе с Теллером предпринять все возможные усилия для разработки более мощной водородной бомбы в ответ. Генри Д. Смит , глава отдела Уиллера в Принстоне, попросил его присоединиться к 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 Нордхайм и Чарльз Критчфилд , но теперь в Лос-Аламосской лаборатории также был коллектив опытных физиков-оружейников во главе с Норрисом Брэдбери . [53] [54] Уиллер согласился отправиться в Лос-Аламос после разговора с Бором. [52] Двое его аспирантов из Принстона, Кен Форд и Джон Толл , присоединились к нему там. [55]
В Лос-Аламосе Уиллер и его семья переехали в дом на « Bathub Row », который Роберт Оппенгеймер и его семья занимали во время войны. [56] В 1950 году не было практического проекта водородной бомбы. Расчеты Станислава Улама и других показали, что «Классический Супер» Теллера не сработает. Теллер и Уиллер создали новый проект, известный как «Будильник», но это не было настоящим термоядерным оружием. Только в январе 1951 года Улам придумал работоспособный проект . [57]
В 1951 году Уилер получил разрешение Брэдбери на создание филиала лаборатории Лос-Аламоса в Принстоне, известного как проект Маттерхорн , который состоял из двух частей. Маттерхорн S (от стелларатора , еще одно название, придуманное Уилером) под руководством Лаймана Спитцера исследовал ядерный синтез как источник энергии. Маттерхорн B (от бомбы) под руководством Уиллера проводил исследования ядерного оружия. Старшие ученые остались равнодушными и отстраненными от проекта, поэтому он укомплектовал его молодыми аспирантами и постдокторантами. [58] Усилия Маттерхорна B увенчались успехом ядерного испытания Айви Майк на атолле Эниветок в Тихом океане 1 ноября 1952 года, [59] [58] свидетелем которого стал Уилер. Мощность устройства Айви Майк «Колбаса» оценивалась в 10,4 мегатонн тротила (44 ПДж ), что примерно на 30 процентов выше, чем предполагал Маттерхорн B. [60]
В январе 1953 года Уиллер был замешан в нарушении безопасности, когда он потерял совершенно секретную статью о литии-6 и конструкции водородной бомбы во время ночной поездки на поезде. [61] [62] Это привело к официальному выговору. [63]
Маттерхорн B был закрыт, но Маттерхорн S продолжает существовать как Принстонская лаборатория физики плазмы . [58]
После завершения работы над проектом Маттерхорн Уилер возобновил свою академическую карьеру. В статье 1955 года он теоретически исследовал геон , электромагнитную или гравитационную волну, удерживаемую в ограниченной области притяжением ее собственного поля . Он придумал название как сокращение от «гравитационно-электромагнитная сущность». [64] Он обнаружил, что наименьший геон был тороидом размером с Солнце, но в миллионы раз тяжелее. Позже он показал, что геоны нестабильны и быстро самоуничтожились бы, если бы когда-либо сформировались. [65]
В 1950-х годах Уилер сформулировал геометродинамику , программу физической и онтологической редукции каждого физического явления, такого как гравитация и электромагнетизм , к геометрическим свойствам искривленного пространства-времени. Его исследования по этой теме были опубликованы в 1957 и 1961 годах. [66] [67] Уилер рассматривал структуру вселенной как хаотическую субатомную сферу квантовых флуктуаций , которую он назвал « квантовой пеной ». [64] [68]
Общая теория относительности считалась менее респектабельной областью физики, поскольку была оторвана от эксперимента. Уилер был ключевой фигурой в ее возрождении, возглавляя школу в Принстоне, в то время как Деннис Уильям Скиама и Яков Борисович Зельдович развивали эту тему в Кембриджском университете и Московском университете соответственно. Уилер и его ученики внесли существенный вклад в эту область во время Золотого века общей теории относительности . [69]
Работая над математическими расширениями общей теории относительности Эйнштейна в 1957 году, Уилер ввел понятие и слово «кротовая нора» для описания гипотетических «туннелей» в пространстве-времени . Бор задался вопросом, стабильны ли они, и дальнейшие исследования Уиллера определили, что нет. [70] [71] Его работа в общей теории относительности включала теорию гравитационного коллапса. Он использовал термин «черная дыра» в 1967 году во время выступления в Институте космических исследований имени Годдарда (GISS) НАСА, [72] хотя этот термин использовался ранее в том же десятилетии. [a] Уилер сказал, что этот термин ему предложили во время лекции, когда один из слушателей устал слышать, как Уилер говорит «гравитационно полностью коллапсировавший объект». Уилер также был пионером в области квантовой гравитации благодаря разработке им совместно с Брайсом ДеВиттом уравнения Уиллера–ДеВитта в 1967 году. [74] Стивен Хокинг позже описал работу Уиллера и ДеВитта как уравнение, управляющее « волновой функцией Вселенной». [75]
Уилер покинул Принстон в 1976 году в возрасте 65 лет. Он был назначен директором Центра теоретической физики в Техасском университете в Остине в 1976 году и оставался на этой должности до 1986 года, когда он вышел на пенсию [17] и стал почетным профессором . [76] Мизнер, Торн и Войцех Журек , все бывшие студенты Уиллера, писали:
Оглядываясь на 10 лет работы Уиллера в Техасе, многие специалисты по квантовой информации теперь считают его, наряду с Рольфом Ландауэром из IBM , дедушкой своей области. Однако это произошло не потому, что Уилер написал основополагающие исследовательские работы по квантовой информации. Он этого не сделал — за одним важным исключением, его 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 мысленных экспериментов в квантовой физике , которые он предложил, наиболее известные из которых появились в 1978 и 1984 годах. Эти эксперименты направлены на то, чтобы выяснить, «чувствует» ли свет каким-либо образом экспериментальный аппарат, через который он проходит в двухщелевом эксперименте , подстраивая свое поведение под него, предполагая соответствующее определенное состояние, или же он остается в неопределенном состоянии, не являясь ни волной, ни частицей, и отвечает на «вопросы», которые задают ему экспериментальные установки, либо согласованным с волной, либо согласованным с частицей образом. [78]
Среди аспирантов Уиллера были Якоб Бекенштейн , Хью Эверетт , Ричард Фейнман , Дэвид Хилл, Бей-Лок Ху, Джон Р. Клаудер , Чарльз Мизнер , Кип Торн , Уильям Унру , Роберт М. Уолд , Кэтрин Уэй и Артур Уайтман . [11] [79] Уилер придавал преподаванию первостепенное значение и продолжал преподавать физику на первокурсниках и второкурсниках , говоря, что молодые умы — самое важное. В Принстоне он руководил 46 докторами наук, больше, чем любой другой профессор физики. [80] Уилер написал поддерживающую обзорную статью, чтобы помочь работе Хью Эверетта, написал и встретился с Нильсом Бором в Копенгагене, добиваясь его одобрения подхода Эверетта, и продолжал выступать за Эверетта даже после того, как Бор отверг его. [81] [82] Вместе с Кентом Харрисоном, Кипом Торном и Масами Вакано Уилер написал «Теорию гравитации» и «Гравитационный коллапс» (1965). Это привело к появлению объемного учебника по общей теории относительности «Гравитация» (1973), написанного совместно с Мизнером и Торном. Его своевременное появление в золотой век общей теории относительности и его всеобъемлющий характер сделали его влиятельным учебником по теории относительности для целого поколения. [83] Уилер и Эдвин Ф. Тейлор написали «Физику пространства-времени» (1966) и «Разведку черных дыр» (1996).
Намекая на «массу без массы» Уиллера, сборник статей, посвященный его 60-летию, назывался «Магия без магии: Джон Арчибальд Уилер: Сборник эссе в честь его шестидесятилетия» (1972). Его стиль письма также мог привлекать пародии, включая пародию «Джона Арчибальда Уайлера», которая была с любовью опубликована в журнале по теории относительности. [84] [85]
Уилер предположил, что реальность создается наблюдателями во вселенной. «Как что-то возникает из ничего?» — спрашивал он о существовании пространства и времени. [86] [87] Он также ввел термин «Участный антропный принцип» (УАП), версию сильного антропного принципа . [88]
В 1990 году Уилер предположил, что информация является фундаментальной для физики вселенной. Согласно этой доктрине «это из бита», все физические вещи имеют информационно-теоретическое происхождение:
Уилер: Оно из бита. Иначе говоря, каждое оно — каждая частица, каждое силовое поле, даже сам пространственно-временной континуум — получает свою функцию, свое значение, само свое существование полностью — даже если в некоторых контекстах косвенно — из ответов, полученных с помощью аппарата на вопросы типа «да» или «нет», бинарных выборов, битов. Оно из бита символизирует идею о том, что каждый элемент физического мира имеет в основе — в большинстве случаев на очень глубокой основе — нематериальный источник и объяснение; то, что мы называем реальностью, возникает в конечном счете из постановки вопросов типа «да» или «нет» и регистрации ответов, вызванных оборудованием; короче говоря, что все физические вещи имеют информационно-теоретическое происхождение и что это — вселенная участия . [89]
При разработке принципа участия в антропном ответе, интерпретации квантовой механики , Уилер использовал вариант «Двадцати вопросов» , названный «Негативными двадцатью вопросами», чтобы показать, как вопросы, которые мы выбираем для вопросов о вселенной, могут диктовать ответы, которые мы получаем. В этом варианте респондент не выбирает и не решает заранее ни по какому конкретному или определенному объекту, а только по шаблону ответов «Да» или «Нет». Этот вариант требует от респондента предоставить последовательный набор ответов на последовательные вопросы, так что каждый ответ можно рассматривать как логически совместимый со всеми предыдущими. Таким образом, последовательные вопросы сужают варианты, 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»:
Уилер: Мы являемся участниками создания не только близкого и здесь, но и далекого и давно минувшего. В этом смысле мы являемся участниками создания чего-то во вселенной в далеком прошлом, и если у нас есть одно объяснение того, что происходит в далеком прошлом, зачем нам нужно больше? Мартин Редферн: Многие не согласны с Джоном Уилером, но если он прав, то мы и, предположительно, другие сознательные наблюдатели во всей вселенной являемся творцами — или, по крайней мере, разумами, которые делают вселенную проявленной. [91]
В 1979 году Уилер обратился к Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS), попросив исключить парапсихологию , которая была принята десятью годами ранее по просьбе Маргарет Мид . Он назвал ее псевдонаукой , [92] заявив, что не выступает против серьезных исследований по этим вопросам, но считает, что «аура легитимности» членства в AAAS должна быть сохранена до тех пор, пока не будут продемонстрированы убедительные испытания хотя бы нескольких так называемых пси-эффектов. [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 неверно заявил, что Дж. Б. Райн совершил мошенничество, будучи студентом, 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 Уилер был женат на Джанет 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 Уилер должность доцента в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл с годовой зарплатой в 2300 долларов, что было меньше, чем 2400 долларов, которые Джанет предлагали за преподавание в дневной школе Rye Country Day School. [96] [16] У них было трое детей. [17]
Уилер и Хегнер были основателями Унитарианской церкви Принстона, и она инициировала организацию Друзей Публичной библиотеки Принстона . [97] В последние годы жизни Хегнер сопровождала 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]
Уилер завоевал множество призов и наград, включая премию «Золотая пластина» 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, Международную золотую медаль Нильса Бора в 1982 году, медаль Эрстеда в 1983 году, Мемориальную премию Дж. Роберта Оппенгеймера в 1984 году и премию Фонда Вольфа в 1997 году. [76] Он был членом Американского философского общества , Королевской академии , Национальной академии Линчеи и Ассоциации века . Он получил почетные степени от 18 различных учреждений. В 2001 году Принстон использовал пожертвование в размере 3 миллионов долларов для учреждения профессорской должности имени Джона Арчибальда Уиллера/Баттеля по физике. [17] После его смерти Техасский университет назвал лекционный зал Джона А. Уиллера в его честь. [76]
13 апреля 2008 года Уилер умер от пневмонии в возрасте 96 лет в Хайтстауне, штат Нью-Джерси . [1]
