НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1965 ГОДИНА – ФИЗИКА – ШИНИЧИРО ТОМОНАГА

Шиничиро Томонага (朝永 振一郎)

31 март 1906 г. – 8 юли 1979 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Джулиан Швингър и Ричард Филипс Файнман)

(За фундаменталната му работа по квантова електродинамика, имаща дълбоки последици за физиката на елементарните частици.)

Японският физик Шиничиро Томонага е роден в Токио, той е най-големият син на Санджуро и Хиде Томонага. През 1913 г., когато баща му заема поста на професор по философия в Киотския императорски университет, семейството се мести в Киото, където Томонага учи в прославеното по цялата страна „Трето средно училище“.

Томонага получава степента бакалавър по атомна физика в Киото през 1929 г. и остава още три години като асистент и аспирант в изследователската лаборатория „Каджуро Тамаки“. Един от неговите колеги там е Хидеки Юкава, който по-късно предсказва съществуването на пиона, частица, осъществяваща предаването на ядрени сили между протоните и неутроните. През 1932 г. Томонага се мести в Института за химически и физически изследвания в Токио като асистент-изследовател в лабораторията на Йошио Нишина. От 1937 до 1939 г. работи в Лайпцигския университет заедно с Вернер Хайзенберг. Изследването му, посветено на физичните свойства на атомното ядро, което публикува, докато е в Германия, е прието за докторска дисертация в Токийския императорски университет през 1939 г.

През 1941 г. Томонага заема поста професор по физика в Токийския университет за наука и литература (който по-късно влиза в състава на Токийския университет за култура). По време на Втората световна война той работи над радарите, иначе казано – в областта, с която се занимава и Джулиан Швингър, с когото по-късно разделя Нобеловата награда.

В началото на научната му работа интересите на Томонага са свързани с квантовата електродинамика, към която се връща периодично в продължение на повече от двадесет години. Първото си изследване в тази област той прави с Нишина в Токио, продължава го с Хайзенберг в Лайпциг и се връща към него заедно със своите студенти в Токио по време на войната. Значителният напредък в тази посока започва през 1947 г. и именно заради него Томонага получава Нобелова награда.

От 1927 г. английският физик П. Е. М. Дирак се опитва да съгласува квантовата механика с теорията за относителността. Той концентрира вниманието си върху връзката между електроните и електромагнитното излъчване. Според завършената форма на теорията на Дирак фотонът, или квантът електромагнитна енергия, може „да се материализира“, създавайки електрон и позитрон (античастица, двойник на електрона). Аналогично електронът и позитронът в резултат от анихилация могат да създадат фотон. Томонага и Нишина изследват тези процеси в началото на 30-те години.

Теорията на Дирак дава ключ към ново разбиране за взаимодействието на заредените частици. Например два съседни електрона могат да си обменят серия фотони, прехвърляйки си ги като топчета. Силата на реакцията, която изпитва всеки електрон, когато излъчва или поглъща фотон, се проявява като електромагнитно отблъскване, което се стреми да отдалечи електроните един от друг. В този случай се казва, че участващите в обмена фотони са „виртуални“ частици, защото тяхното съществуване е краткотрайно и те не могат да бъдат открити непосредствено.

Енергията на виртуалните фотони може да се пресметне, като се използва принципът за неопределеността на Хайзелберг, според който максималната енергия на частиците зависи от големината на промеждутъка от време, необходимо за нейното измерване. Тъй като виртуалните фотони съществуват много малко време, енергията им може да бъде голяма. Нещо повече, понеже взаимодействащите електрони със сближаването си скъсяват времето за живот на виртуалните фотони, горната граница на енергията се вдига още повече. Възниква интересен въпрос: какво ще стане, когато един и същи електрон отначало излъчва виртуален фотон, а след това го поглъща обратно. В такъв случай времето за живот на фотона може да се приближи до нулата и следователно допустимата енергия става неограничена. Непрекъснатото излъчване и поглъщане на подобни фотони явно ще придеде на електрона безкрайна маса.

Към началото на 40-те години се вижда, че от теорията на Дирак следва електронът да притежава безкрайна маса, а също така - по аналогични съображения, свързани с виртуалните електрони и позитрони – и безкраен електрически заряд. Тези изводи са очевидно абсурдни, защото масата и зарядът на електрона, както е известно, са ограничени и не много големи. Въпреки това теорията продължава да се използва, защото нейните недостатъци стават очевидни една когато се изследват електрони на много близки разстояния. За повечето експерименти, осъществявани по това време, теорията на Дирак дава верни предсказания, а и по-добра от нея не съществува.

Кризата на квантовата електродинамика се разразява през 1947 г., когато Уилис Ю. Ламб и Робърт Ръдърфорд установяват експериментално, че едно енергетично равнище на електрона във водородния атом се различава леко от значението, което Дирак предсказва. Примерно по същото време Поликарп Куш със своите колеги открива, че магнитният момент на подобен електрон също се различава малко от предсказания. Тези противоречия подтикват Томонага и Швингър да реконструират квантовата електродинамика. Томонага, изолиран в следвоенна Япония от повечето западни физици, научава за резултатите на Ламб не от научно списание, а от научно-популярна колона в едно седмично американско списание.

Преди това има опити за справяне с очевидно безкрайната маса и безкрайния заряд на електрона просто като се отрича тяхното съществуване. Томонага и Швингър избират друг подход: вместо да отхвърлят безкрайностите, те ги използват. Според тях измерваната маса на електрона трябва да се състои от два компонента: истинска, или „чиста“ маса, която електронът би притежавал, ако се наблюдава изолирано, и маса, свързана с облаците виртуални фотони (и други виртуални частици), които електронът непрекъснато излъчва и поглъща. Ако облакът фотони има безкрайна маса, от това следва, че чистата маса също трябва да бъде безкрайна, но отрицателна. Когато два такива компонента се съединят в обща маса, безкрайностите се изключват взаимно, при което имаме като резултат само малък краен остатък, който съответства на измерваната маса. Използвайки аналогичен подход към безкрайния заряд на електрона, Томонага и Швингър постулират безкраен отрицателен чист заряд, който привлича облака положително заредени виртуални частици. Безкрайно големият положителен заряд на виртуалния облак екранира отрицателния чист заряд с изключение на крайния остатък.

Математическата процедура, изобретена от Томонага и Швингър за изключването на безкрайността на зарядите, се нарича пренормировка (или ренормализация – бел. П. Н.). Макар че пренормировката дава на квантовата електродинамика спасителна концепция, мнозина физици смятат в крайна сметка, че подобно лекарство е по-лошо от самата болест. Пренормировката отстранява някои безкрайности, въвеждайки други, включително маси, които не само са безкрайни, но плюс това са и отрицателни. Но Томонага и Швингър подчертават, че в тяхната теория наблюдаваните величини на масата са ограничени и положителни. Електронът не може да се отдели от своя облак виртуални частици, затова безкрайни чисти маси и заряд не могат да се наблюдават. Независимо от Томонага и Швингър и приблизително по същото време Ричард Ф. Файнман намира съвсем различен път за изразяване на идеите на квантовата електродинамика. Той доказва, че всяко взаимодействие между частиците (включително виртуалните частици) може да се представи с помощта на диаграма на траекторията на частиците в пространството и времето.

Теорията за пренормировката в квантовата електродинамика се оказва най-точна от всички физични теории. Някои характеристики на електрона могат да се измерят с точност на значенията до няколко милиардни; значенията, предсказани от теорията, се съгласуват точно с експерименталните данни. Нещо повече, квантовата електродинамика става модел за теориите, описващи други природни сили, и пренормировката е съществена крачка към това тези теории да получат практическо измерение.

Изследванията на Томонага по време на Втората световна война и след нея стават известни извън пределите на Япония преди всичко благодарение на усилията на Юкава. В резултат от това през 1949 г. той е поканен в Института за фундаментални изследвания в Принстън (щат Ню Джърси), където се занимава с квантова механика на системите от много частици, като твърдите тела, и така открива нова област за изследвания. Когато през 1951 г. умира Нишина, Томонага се връща в Япония, за да оглави Института за химически и физически изследвания. От 1956 до 1962 г. е президент на Токийския университет за култура, а от 1963 до 1969 г. заема поста президент на Научния съвет на Япония. Той ръководи също така Института за оптични изследвания и служи в различни правителствени комитети. Томонага помага да се организира Института за изследвания по фундаментална физика към Киотския университет и Института за ядрени изследвания към Токийския университет.

Пред 1940 г. Томонага се жени за Реко Секигучи, дъщеря на директора на токийската Метрополитен обсерватория. Семейството има двама сина и една дъщеря.

Освен с Нобелова награда Томонага е удостоен с награда на Японската академия на науките (1048 г.), с ордена За култура на японското правителство (1952 г.) и със златния медал Ломоносов на АН на СССР (1964 г.). Член е на Японската академия на науките, на Германската академия на естествоизпитателите „Леополдина“, чуждестранен член е на Шведската кралска академия на науките, член-кореспондент е на Баварската академия на науките и чуждестранен член на американската Национална академия на науките.

Превод от руски: Павел Б. Николов