Джулиан Сеймур Швингер ( / ˈ ʃ w ɪ ŋ ər / ; 12 февраля 1918 — 16 июля 1994) был американским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии . Он наиболее известен своими работами по квантовой электродинамике (КЭД), в частности разработкой релятивистски инвариантной теории возмущений и перенормировкой КЭД к однопетлевому порядку. Швингер был профессором физики в нескольких университетах.
Швингер признан одним из величайших физиков двадцатого века, ответственным за большую часть современной квантовой теории поля, включая вариационный подход и уравнения движения для квантовых полей. Он разработал первую электрослабую модель и первый пример ограничения в измерениях 1+1. Он ответственен за теорию множественных нейтрино, термины Швингера и теорию поля со спином 3/2.
Джулиан Сеймур Швингер родился в Нью-Йорке в семье ашкеназских евреев , Белль (урожденная Розенфельд) и Бенджамина Швингера, производителя одежды, [1] которые эмигрировали из Польши в Соединенные Штаты. И его отец, и родители его матери были преуспевающими производителями одежды, хотя семейный бизнес пришел в упадок после краха Уолл-стрит в 1929 году . Семья следовала ортодоксальной еврейской традиции. Старший брат Джулиана Гарольд Швингер родился в 1911 году, на семь лет раньше Джулиана, который родился в 1918 году. [2]
Швингер был не по годам развитым учеником. Он учился в старшей школе Таунсенда Харриса с 1932 по 1934 год, которая в то время была высоко оценена для одаренных учеников. Во время учебы в старшей школе Джулиан уже начал читать статьи Physical Review таких авторов, как Поль Дирак, в библиотеке Городского колледжа Нью-Йорка , в кампусе которого тогда находился Таунсенд Харрис. [3]
Осенью 1934 года Швингер поступил в Городской колледж Нью-Йорка на бакалавриат. CCNY автоматически принимал всех выпускников Townsend Harris в то время, и оба учреждения предлагали бесплатное обучение. Благодаря своему сильному интересу к физике и математике, Джулиан очень хорошо учился по этим предметам, несмотря на то, что часто пропускал занятия и учился прямо по книгам. С другой стороны, его отсутствие интереса к другим предметам, таким как английский язык, приводило к академическим конфликтам с учителями этих предметов. [4]
После того, как Джулиан присоединился к CCNY, его брат Гарольд, который ранее окончил CCNY, попросил своего бывшего одноклассника Ллойда Мотца «познакомиться с [Джулианом]». Ллойд был преподавателем физики CCNY и кандидатом на степень доктора философии в Колумбийском университете в то время. Ллойд познакомился и вскоре распознал талант Джулиана. Заметив академические проблемы Швингера, Ллойд решил обратиться за помощью к Исидору Айзеку Раби , которого он знал в Колумбийском университете. Раби также сразу же распознал способности Швингера при их первой встрече, а затем договорился о присуждении Швингеру стипендии для обучения в Колумбийском университете. Сначала плохие оценки Джулиана по некоторым предметам в CCNY помешали присуждению стипендии. Но Раби проявил настойчивость и показал неопубликованную статью по квантовой электродинамике , написанную Швингером, Гансу Бете , который случайно проезжал мимо Нью-Йорка. Одобрение статьи Бете и его репутация в этой области были тогда достаточными, чтобы обеспечить стипендию для Джулиана, который затем перевелся в Колумбийский университет. Его академическая ситуация в Колумбийском университете была намного лучше, чем в CCNY. Он был принят в общество Phi Beta Kappa и получил степень бакалавра в 1936 году. [5]
Во время обучения Швингера в аспирантуре Раби посчитал, что Джулиану будет полезно посетить другие учреждения по всей стране, и Джулиану была предоставлена стипендия на поездку на 37/38 год, который он провел, работая с Грегори Брайтом и Юджином Вигнером . В это время Швингер, который ранее уже имел привычку работать до поздней ночи, пошел дальше и сделал переключение день/ночь более полным, работая ночью и спал днем, привычка, которую он будет иметь на протяжении всей своей карьеры. Позже Швингер прокомментировал, что это переключение было отчасти способом сохранить большую интеллектуальную независимость и избежать «доминирования» Брайта и Вигнера, просто сократив продолжительность контакта с ними, работая в разные часы. [6]
Швингер получил докторскую степень под руководством Раби в 1939 году в возрасте 21 года.
Осенью 1939 года Швингер начал работать в Калифорнийском университете в Беркли под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера , где он проработал два года в качестве стипендиата NRC . [7]
После работы с Оппенгеймером, Швингер получил первую постоянную академическую должность в Университете Пердью в 1941 году. Во время отпуска из Пердью он работал в Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института вместо Лос-Аламосской национальной лаборатории во время Второй мировой войны. Он оказывал теоретическую поддержку разработке радара . После войны Швингер покинул Пердью и перешёл в Гарвардский университет , где преподавал с 1945 по 1974 год. В 1966 году он стал профессором физики имени Юджина Хиггинса в Гарварде.
Швингер развил близость к функциям Грина из своей работы с радаром и использовал эти методы для формулировки квантовой теории поля в терминах локальных функций Грина релятивистски инвариантным способом. Это позволило ему однозначно вычислить первые поправки к магнитному моменту электрона в квантовой электродинамике. Более ранние нековариантные работы привели к бесконечным ответам, но дополнительная симметрия в его методах позволила Швингеру выделить правильные конечные поправки.
Швингер разработал перенормировку , сформулировав квантовую электродинамику однозначно для однопетлевого порядка.
В ту же эпоху он ввел непертурбативные методы в квантовую теорию поля, вычислив скорость, с которой пары электрон - позитрон создаются путем туннелирования в электрическом поле, процесс, который теперь известен как «эффект Швингера». Этот эффект не мог наблюдаться ни в каком конечном порядке в теории возмущений.
Основополагающая работа Швингера по квантовой теории поля построила современную структуру функций корреляции поля и их уравнений движения . Его подход начался с квантового действия и впервые позволил одинаково рассматривать бозоны и фермионы, используя дифференциальную форму интегрирования Грассмана . Он дал элегантные доказательства теоремы о спиновой статистике и теоремы CPT и отметил, что полевая алгебра приводит к аномальным членам Швингера в различных классических тождествах из-за сингулярностей на малых расстояниях. Это были основополагающие результаты в теории поля, инструментальные для правильного понимания аномалий .
В других примечательных ранних работах Рарита и Швингер сформулировали абстрактную теорию Паули и Фирца поля спина 3/2 в конкретной форме, как вектор спиноров Дирака, уравнение Рариты–Швингера . Для того чтобы поле спина 3/2 взаимодействовало согласованно, требуется некоторая форма суперсимметрии , и Швингер позже сожалел, что он не развил эту работу достаточно далеко, чтобы открыть суперсимметрию.
Швингер открыл, что нейтрино бывают нескольких видов: один для электрона и один для мюона . В настоящее время известно о трех легких нейтрино; третий является партнером тау-лептона .
В 1960-х годах Швингер сформулировал и проанализировал то, что сейчас известно как модель Швингера , квантовую электродинамику в одном пространственном и одном временном измерении, первый пример теории ограничения . Он также был первым, кто предложил электрослабую калибровочную теорию, калибровочную группу, спонтанно разрываемую до электромагнитной на больших расстояниях. Это было расширено его студентом Шелдоном Глэшоу в принятую модель электрослабого объединения. Он попытался сформулировать теорию квантовой электродинамики с точечными магнитными монополями , программа, которая имела ограниченный успех, поскольку монополи сильно взаимодействуют, когда квант заряда мал.
Руководя 73 докторскими диссертациями, [8] Швингер известен как один из самых плодовитых научных руководителей по физике. Четверо его студентов получили Нобелевские премии: Рой Глаубер , Бенджамин Рой Моттельсон , Шелдон Глэшоу и Вальтер Кон (по химии).
У Швингера были смешанные отношения с коллегами, потому что он всегда проводил независимые исследования, отличные от общепринятой моды. В частности, Швингер разработал теорию источника [9] , феноменологическую теорию для физики элементарных частиц, которая является предшественницей современной эффективной теории поля . Она рассматривает квантовые поля как явления на больших расстояниях и использует вспомогательные «источники», которые напоминают токи в классических теориях поля. Теория источника является математически последовательной теорией поля с четко выведенными феноменологическими результатами. Критика со стороны его коллег из Гарварда заставила Швингера покинуть факультет в 1972 году и перейти в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе . Широко распространена история о том, что Стивен Вайнберг , унаследовавший обшитый панелями кабинет Швингера в Лаборатории Лаймана , нашел там пару старых ботинок с подразумеваемым сообщением: «думаешь, ты сможешь их заполнить?» [ требуется ссылка ] Основываясь на теории источника Швингера, Вайнберг заложил основы эффективной теории поля, которая больше ценится среди физиков. Несмотря на инцидент с туфлями, Вайнберг отдал должное Швингеру за вдохновение. [10]
В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и на протяжении всей своей карьеры Швингер продолжал развивать теорию источника и ее различные приложения. После 1989 года Швингер проявил живой интерес к нетрадиционным исследованиям холодного синтеза . Он написал восемь теоретических работ об этом. Он ушел из Американского физического общества после того, как они отказались публиковать его работы. [11] Он чувствовал, что исследования холодного синтеза подавляются, а академическая свобода нарушается. Он писал: «Давление на конформизм огромно. Я испытал его, когда редакторы отклоняли представленные статьи, основываясь на ядовитой критике анонимных рецензентов. Замена беспристрастного рецензирования цензурой станет смертью науки».
В своих последних публикациях Швингер предложил теорию сонолюминесценции как квантового радиационного явления на больших расстояниях, связанного не с атомами, а с быстро движущимися поверхностями в схлопывающемся пузыре, где имеются разрывы в диэлектрической проницаемости. Механизм сонолюминесценции, теперь подтвержденный экспериментами, фокусируется на перегретом газе внутри пузыря как источнике света. [12]
Швингер был совместно удостоен Нобелевской премии по физике в 1965 году за свою работу по квантовой электродинамике (КЭД) вместе с Ричардом Фейнманом и Синъитиро Томонагой . Награды и почести Швингера были многочисленны еще до его получения Нобелевской премии. Они включают в себя первую премию Альберта Эйнштейна (1951), Национальную медаль США за науку (1964), почетные степени доктора наук от Университета Пердью (1961) и Гарвардского университета (1962), а также премию «Природа света» Национальной академии наук США (1949). В 1987 году Швингер получил премию «Золотая пластина» Американской академии достижений . [13]
Как известного физика, Швингера часто сравнивали с другим легендарным физиком его поколения, Ричардом Фейнманом . Швингер был более склонен к формальному подходу и отдавал предпочтение символическим манипуляциям в квантовой теории поля . Он работал с локальными операторами поля и находил связи между ними, и он считал, что физики должны понимать алгебру локальных полей, какой бы парадоксальной она ни была. Напротив, Фейнман был более интуитивным, полагая, что физику можно полностью извлечь из диаграмм Фейнмана , которые давали картину частиц. Швингер прокомментировал диаграммы Фейнмана следующим образом:
Как и кремниевые чипы более поздних лет, диаграмма Фейнмана сделала вычисления доступными для масс. [14] [15]
Швингер не любил диаграммы Фейнмана, потому что он чувствовал, что они заставляют студентов сосредоточиться на частицах и забывать о локальных полях, которые, по его мнению, препятствуют пониманию. Он дошел до того, что вообще запретил их в своем классе, хотя прекрасно их понимал. Однако истинное различие глубже, и оно было выражено Швингером в следующем отрывке:
В конце концов, эти идеи привели к лагранжевой или действующей формулировке квантовой механики, появляющейся в двух различных, но связанных формах, которые я различаю как дифференциальную и интегральную . Последняя, возглавляемая Фейнманом, получила все освещение в прессе, но я продолжаю считать, что дифференциальная точка зрения является более общей, более элегантной, более полезной. [16]
Несмотря на то, что они разделили Нобелевскую премию, у Швингера и Фейнмана был разный подход к квантовой электродинамике и квантовой теории поля в целом. Фейнман использовал регулятор , в то время как Швингер смог формально перенормироваться к одной петле без явного регулятора. Швингер верил в формализм локальных полей, в то время как Фейнман верил в траектории частиц. Они внимательно следили за работой друг друга, и каждый уважал другого. После смерти Фейнмана Швингер описал его как
Честный человек, выдающийся интуитивист нашего времени и яркий пример того, что может ожидать каждого, кто осмелится следовать за ритмом другого барабана. [17]
Швингер умер от рака поджелудочной железы . Он похоронен на кладбище Маунт-Оберн ; , где — постоянная тонкой структуры , выгравировано над его именем на надгробии. Эти символы относятся к его расчету поправки («аномальной») к магнитному моменту электрона .
Книги
Статьи
