Герардус « Герард » 'т Хоофт ( голландский: [ˈɣeːrɑrt ət ˈɦoːft] ; родился 5 июля 1946 года) — голландский физик-теоретик и профессор Утрехтского университета , Нидерланды. Он разделил Нобелевскую премию по физике 1999 года со своим научным руководителем Мартинусом Й. Г. Вельтманом «за выяснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий ».
Его работа сосредоточена на калибровочной теории , черных дырах , квантовой гравитации и фундаментальных аспектах квантовой механики. Его вклад в физику включает доказательство того, что калибровочные теории перенормируемы , размерную регуляризацию и голографический принцип .
Герард 'т Хоофт родился в Ден-Хелдере 5 июля 1946 года [1] , но вырос в Гааге . Он был средним ребенком в семье из трех человек. Он происходит из семьи ученых. Его двоюродный дедушка был лауреатом Нобелевской премии Фриц Цернике , а его бабушка была замужем за Питером Николаасом ван Кампеном , профессором зоологии в Лейденском университете . Его дядя Нико ван Кампен был (почетным) профессором теоретической физики в Утрехтском университете, а его мать вышла замуж за морского инженера. [2] Следуя по стопам своей семьи, он проявил интерес к науке в раннем возрасте. Когда учитель начальной школы спросил его, кем он хочет стать, когда вырастет, он ответил: «Человеком, который знает все». [2]
После начальной школы Джерард поступил в лицей Далтона, школу, которая применяла идеи плана Далтона , образовательного метода, который хорошо ему подходил. Он преуспел в курсах по естественным наукам и математике. В возрасте шестнадцати лет он выиграл серебряную медаль на второй голландской математической олимпиаде . [2]
После того, как Герард 'т Хоофт сдал экзамены за среднюю школу в 1964 году, он поступил на физический факультет Утрехтского университета. Он выбрал Утрехт вместо гораздо более близкого Лейдена, потому что его дядя был там профессором, и он хотел посещать его лекции. Поскольку он был так сосредоточен на науке, его отец настоял, чтобы он присоединился к Utrechtsch Studenten Corps, студенческой ассоциации, в надежде, что он будет заниматься чем-то еще, помимо учебы. Это сработало в некоторой степени; во время учебы он был рулевым в их гребном клубе "Тритон" и организовал национальный конгресс для студентов-естественников с их научным дискуссионным клубом "Христиан Гюйгенс".
В ходе своих исследований он решил, что хочет заняться тем, что он считал сердцем теоретической физики, элементарными частицами . Его дядя стал ненавидеть этот предмет и, в частности, его практиков, поэтому, когда пришло время писать его doctoraalscriptie (бывшее название голландского эквивалента магистерской диссертации ) в 1968 году, 'т Хоофт обратился к недавно назначенному профессору Мартинусу Вельтману , который специализировался на теории Янга-Миллса , относительно маргинальном предмете в то время, поскольку считалось, что они не могут быть перенормированы . Его заданием было изучить аномалию Адлера-Белла-Джеккива , несоответствие в теории распада нейтральных пионов ; формальные аргументы запрещают распад на фотоны , тогда как практические расчеты и эксперименты показали, что это была первичная форма распада. Решение этой проблемы было совершенно неизвестно в то время, и 'т Хоофт не смог его предоставить.
В 1969 году 'т Хоофт начал свою докторскую работу под руководством Мартинуса Вельтмана. Он работал над той же темой, над которой работал Вельтман, — над перенормировкой теорий Янга–Миллса. В 1971 году была опубликована его первая статья. [3] В ней он показал, как перенормировать безмассовые поля Янга–Миллса, и смог вывести соотношения между амплитудами, которые были обобщены Андреем Славновым и Джоном К. Тейлором и стали известны как тождества Славнова–Тейлора .
Мир не обратил на это особого внимания, но Вельтман был взволнован, потому что увидел, что проблема, над которой он работал, была решена. Последовал период интенсивного сотрудничества, в ходе которого они разработали технику размерной регуляризации . Вскоре была готова к публикации вторая статья 'т Хоофта [4] , в которой он показал, что теории Янга–Миллса с массивными полями из-за спонтанного нарушения симметрии могут быть перенормированы. Эта статья принесла им мировое признание и в конечном итоге принесла им Нобелевскую премию по физике 1999 года.
Эти две работы легли в основу диссертации 'т Хоофта « Процедура перенормировки полей Янга–Миллса» , и в 1972 году он получил докторскую степень. В том же году он женился на своей жене, Альберте А. Шик, студентке медицинского факультета в Утрехте. [2]
После получения докторской степени 'т Хоофт отправился в ЦЕРН в Женеве, где получил стипендию. Он дополнительно усовершенствовал свои методы для теорий Янга-Миллса с Вельтманом (который вернулся в Женеву). В это время он заинтересовался возможностью того, что сильное взаимодействие можно описать как безмассовую теорию Янга-Миллса, то есть как теорию того типа, который, как он только что доказал, перенормируем и, следовательно, поддается детальному расчету и сравнению с экспериментом.
Согласно расчетам 'т Хоофта, этот тип теории обладал как раз теми правильными свойствами масштабирования ( асимптотической свободой ), которые эта теория должна была иметь согласно экспериментам по глубокому неупругому рассеянию . Это противоречило популярному в то время восприятию теорий Янга-Миллса , что, подобно гравитации и электродинамике, их интенсивность должна уменьшаться с увеличением расстояния между взаимодействующими частицами; такое обычное поведение с расстоянием не могло объяснить результаты глубокого неупругого рассеяния, тогда как расчеты 'т Хоофта могли.
Когда 'т Хоофт упомянул о своих результатах на небольшой конференции в Марселе в 1972 году, Курт Симанзик настоятельно рекомендовал ему опубликовать этот результат; [2] но 'т Хоофт этого не сделал, и результат был в конечном итоге заново открыт и опубликован Хью Дэвидом Политцером , Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком в 1973 году, что привело к получению ими Нобелевской премии по физике в 2004 году . [5] [6]
В 1974 году 'т Хоофт вернулся в Утрехт, где стал доцентом. В 1976 году его пригласили на гостевую должность в Стэнфорде и на должность лектора Морриса Лёба в Гарварде . Его старшая дочь, Саския Энн, родилась в Бостоне , а вторая дочь, Эллен Марга, родилась в 1978 году после того, как он вернулся в Утрехт, где стал полным профессором. [2] В 1987–1988 учебном году 'т Хоофт провел творческий отпуск на физическом факультете Бостонского университета вместе с Говардом Джорджи , Робертом Джаффе и другими, организованный тогдашним новым заведующим кафедрой Лоуренсом Сулаком .
В 2007 году 'т Хоофт стал главным редактором журнала Foundations of Physics , где он стремился дистанцировать журнал от споров вокруг теории ECE . [7] 'т Хоофт занимал эту должность до 2016 года.
1 июля 2011 года он был назначен почетным профессором Утрехтского университета. [8]
Он женат на Альберте Шик (Беттеке) и имеет двух дочерей.
В 1999 году 'т Хоофт разделил Нобелевскую премию по физике со своим научным руководителем Вельтманом за «выяснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий в физике». [9] До этого его работа уже была отмечена другими значимыми наградами. В 1981 году он был удостоен премии Вольфа , [10] возможно, самой престижной премии по физике после Нобелевской премии. Пять лет спустя он получил медаль Лоренца , вручаемую каждые четыре года в знак признания наиболее важного вклада в теоретическую физику. [11] В 1995 году он стал одним из первых лауреатов премии Спинозы , высшей награды, доступной ученым в Нидерландах. [12] В том же году он был также удостоен медали Франклина . [13] В 2000 году 'т Хоофт получил премию «Золотая пластина» Американской академии достижений . [14]
После получения Нобелевской премии 'т Хоофт получил множество наград, почетных докторских степеней и почетных профессорских званий. [15] Он был посвящен в рыцари-командоры ордена Нидерландского льва и офицером французского Почетного легиона . Астероид 9491 Thooft был назван в его честь, [16] и он написал конституцию для его будущих жителей. [17]
Он является членом Королевской нидерландской академии искусств и наук (KNAW) с 1982 года, [18] где он был назначен профессором академии в 2003 году. [19] Он также является иностранным членом многих других академий наук, включая Французскую академию наук , Американскую национальную академию наук и Американскую академию искусств и наук , а также Институт физики, базирующийся в Великобритании и Ирландии . [15]
'т Хоофт появился в третьем сезоне сериала « Сквозь червоточину» с Морганом Фрименом .
Научные интересы 'т Хоофта можно разделить на три основных направления: «калибровочные теории в физике элементарных частиц», «квантовая гравитация и черные дыры» и «фундаментальные аспекты квантовой механики». [20]
'т Хоофт наиболее известен своим вкладом в развитие калибровочных теорий в физике элементарных частиц. Наиболее известным из них является доказательство в его докторской диссертации того, что теории Янга–Миллса являются перенормируемыми, за что он разделил Нобелевскую премию по физике 1999 года. Для этого доказательства он ввел (совместно со своим научным руководителем Вельтманом) технику размерной регуляризации.
После получения докторской степени он заинтересовался ролью калибровочных теорий в сильном взаимодействии, [2] ведущая теория которого называется квантовой хромодинамикой или КХД. Большая часть его исследований была сосредоточена на проблеме ограничения цвета в КХД, т. е. на наблюдательном факте, что только цветные нейтральные частицы наблюдаются при низких энергиях. Это привело его к открытию того, что калибровочные теории SU(N) упрощаются в пределе большого N , [21] факт, который оказался важным при изучении предполагаемого соответствия между теориями струн в пространстве Анти-де Ситтера и конформными теориями поля в одном нижнем измерении. Решив теорию в одном пространственном и одном временном измерении, 'т Хоофт смог вывести формулу для масс мезонов . [ 22]
Он также изучал роль так называемых инстантонных вкладов в КХД. Его вычисления показали, что эти вклады приводят к взаимодействию между легкими кварками при низких энергиях, отсутствующих в нормальной теории. [23] Изучая инстантонные решения теорий Янга–Миллса, 'т Хоофт обнаружил, что спонтанное нарушение теории с симметрией SU(N) до симметрии U(1) приведет к существованию магнитных монополей . [24] Эти монополи называются монополями 'т Хоофта–Полякова , в честь Александра Полякова , который независимо получил тот же результат. [25]
В качестве еще одной части головоломки ограничения цвета 'т Хоофт ввел петли 'т Хоофта , которые являются магнитным дуалом петель Вильсона . [26] Используя эти операторы, он смог классифицировать различные фазы КХД, которые составляют основу фазовой диаграммы КХД .
В 1986 году он наконец смог показать, что инстантонные вклады решают аномалию Адлера–Белла–Джекива , тему его магистерской диссертации. [27]
Когда Вельтман и 'т Хоофт перешли в ЦЕРН после того, как 'т Хоофт получил докторскую степень, внимание Вельтмана было привлечено к возможности использования их методов размерной регуляризации к проблеме квантования гравитации. Хотя было известно, что пертурбативная квантовая гравитация не была полностью перенормируемой, они чувствовали, что важные уроки можно извлечь, изучая формальную перенормировку теории порядок за порядком. Эту работу продолжили Стэнли Дезер и другой аспирант Вельтмана, Питер ван Ниувенхёйзен , который позже обнаружил закономерности в контрчленах перенормировки, что привело к открытию супергравитации . [2]
В 1980-х годах внимание 'т Хоофта было привлечено к теме гравитации в 3 пространственно-временных измерениях. Вместе с Дезером и Джекивом он опубликовал статью в 1984 году, описывающую динамику плоского пространства, где единственными локальными степенями свободы были распространяющиеся точечные дефекты. [28] Его внимание возвращалось к этой модели в различные моменты времени, показывая, что пары Готта не будут вызывать нарушающие причинность временные петли , [29] и показывая, как модель может быть квантована. [30] Совсем недавно он предложил обобщить эту кусочно-плоскую модель гравитации до 4 пространственно-временных измерений. [31]
С открытием Стивеном Хокингом излучения Хокинга черных дыр , оказалось, что испарение этих объектов нарушает фундаментальное свойство квантовой механики, унитарность . 'т Хоофт отказался принять эту проблему, известную как информационный парадокс черной дыры , и предположил, что это должно быть результатом полуклассической трактовки Хокинга, и что это не должно появляться в полной теории квантовой гравитации. Он предположил, что можно было бы изучить некоторые свойства такой теории, предположив, что такая теория унитарна.
Используя этот подход, он утверждал, что вблизи черной дыры квантовые поля могут быть описаны теорией в более низком измерении. [32] Это привело к введению им и Леонардом Сасскиндом голографического принципа . [33]
'т Хоофт имеет «отклоняющиеся взгляды на физическую интерпретацию квантовой теории ». [20] Он считает, что может существовать детерминистское объяснение, лежащее в основе квантовой механики. [34] Используя спекулятивную модель, он утверждает, что такая теория могла бы избежать обычных аргументов неравенства Белла , которые не допускают такую локальную теорию скрытых переменных . [35] В 2016 году он опубликовал изложение своих идей в виде книги [36] , которое, по словам 'т Хоофта, вызвало неоднозначную реакцию. [37]
