НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1965 ГОДИНА – ФИЗИКА – ДЖУЛИАН ШВИНГЪР

Джулиан Швингър (Julian Schwinger)

12 февруари 1918 г. – 16 август 1994 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Шиничиро Томонага и Ричард Филипс Файнман)

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

Американският физик Джулиан Сиймор Швингър е роден в Ню Йорк и е втори син на Бенджамин Швингър и Бел (преди брака Розенфелд) Швингър. Бащата на Швингър е моделиер и фабрикант на облекло. Развитото не за годините си момче се увлича от четене на научни списания, технически статии в енциклопедиите и книги по физика в близките до дома му филиали на публичната библиотека. На четиринадесет години Швингър завършва средно училище и постъпва в колежа „Сити“ в Ню Йорк, където работи над самостоятелни статии по квантова механика. Една от тях, публикувана в списание „Физичен преглед“ („Physical Review“), привлича вниманието на И. А. Раби. Раби издейства за Швингър специална стипендия в Колумбийския университет и през 1936 г. той завършва университета със степента бакалавър. Образованието си продължава в Уисконсинския университет в Медисън и в университета „Пардю“ като стипендиант, а през 1939 г. се връща в Колумбийския университет, за да защити докторска дисертация.

След получаването на докторска степен Швингър остава в продължение на една година в Колумбийския университет като стипендиант на Националния изследователски съвет, а следващата година прекарва като асистент-изследовател в Калифорнийския университет в Бъркли. През 1941 г. се мести в университета „Пардю“ отначало като асистент-изследовател, а след това като адюнкт-професор. През 1943 г. участва в работата за създаване на атомна бомба в Металургичната лаборатория на Чикагския университет, функционираща под егидата на Манхатънския проект, а след това през същата година се мести в Масачузетския технологичен институт, където се включва в изследванията за усъвършенстване на радарните системи. След войната става адюнкт-професор, а после пълен (действителен) професор по физика в Харвардския университет. От 1973 г. е професор по физика в Калифорнийския университет в Лос Анджелис.

Изключителните достижения по теоретична физика, за които Швингър получава Нобелова награда, започват да се изграждат още тогава, когато той проявява интерес към фундаменталната природа на материята. В резултат от проведени изследвания Швингър успява в крайна сметка да обедини двете най-важни физични теории на ХХ век: квантовата механика и специалната теория за относителността. Квантовата механика води началото си от радикалната идея на Макс Планк, изказана от него през 1900 г., според която излъчената енергия се състои от дискретни порции (кванти). Квантовата механика е формулирана в началото на 20-те години при опит да се обясни структурата на атома. През 1905 г. специалната теория за относителността на Алберт Айнщайн доказва освен всичко друго и еквивалентността на масата и енергията – тяхното взаимно превръщане.

През 1927 г. Пол Дирак използва квантовата механика и специалната теория за относителността, за да изведе съотношението между електроните (форма на материята) и електромагнитното излъчване (форма на енергията, включваща светлината) в своята теория за квантовата електродинамика. Според теорията на Дирак квантът електромагнитна енергия (така наречения фотон), притежаващ достатъчно енергия, може „да се материализира“ в електрон и неизвестна по-рано частица – позитрон. Позитронът е аналог на електрона в антиматерията (със същата маса, но с противоположен електрически заряд и с други свойства). Аналогично при сблъсък на електрона с позитрона те могат да анихилират и от техните маси се образува фотон енергия. Работата на Дирак позволява да се разбере по-пълно взаимодействието между електрически заредените частици и между частиците и полетата. Например два съседни електрона си взаимодействат, обменят си серия от фотони. Силата на реакцията, действаща върху всеки електрон - оттласкване, когато той излъчва фотон, и неговият импулс при поглъщане на фотон обясняват електромагнитното отблъскване между частиците, които имат еднакъв електрически зарят и се стремят да се раздалечат помежду си. Понеже обменните фотони са много краткотрайни и не могат да бъдат открити непосредствено, те се наричат виртуални частици.

Според принципа за неопределеността, формулиран през 1927 г. от Вернер Хайзенберг, максималната енергия на частицата, е обратно пропорционална на времето за нейното измерване. Виртуалните фотони съществуват толкова непродължително време, че техните енергии могат да бъдат много големи. Освен това, когато взаимодействащите си електрони се приближават, времето за живот на виртуалните фотони става още по-малко, а пределът на възможните значения на енергията – още по-голям. Когато отделен електрон излъчва, а след това поглъща виртуален фотон, времето за живот на фотона се стреми към нулата; следователно допустимите значения на енергията и еквивалентната им маса се стремят към безкрайност.

По това време, когато Швингър започва своята дейност, физиците осъзнават един локален абсурд в теорията на Дирак. Тази теория предвижда, че всеки електрон притежава и безкрайна маса, и безкраен електрически заряд. А тъй като е известно, че масата и зарядът на електрона не само са пределни, но и много малки, погрешността на това предсказание е очевидна. Макар че безкрайностите са неразбираеми, за много цели те могат да бъдат пренебрегнати (и наистина ги пренебрегват) и теорията на Дирак предсказва точно изхода от много експерименти.

През 1947 година Уилис Ю. Лам и Робърт Ръдърфорд установяват експериментално, че едно енергетично равнище на електрона във водородния атом е леко изместено по отношение на значението, предсказано от Дирак. Приблизително по същото време Порикарп Куш и някои негови колеги от Колумбийския университет откриват, че магнитният момент на електрона се различава малко от предсказания.

За да премахнат тези разминавания, Швингър и Шиничиро Томонага, работейки независимо един от друг, подлагат квантовата електродинамика на критично преразглеждане.

Вместо да пренебрегнат безкрайните значения на масата и заряда на електрона, Швингър и Томонага ги използват. Според техните представи измерената маса на електрона трябва да се състои от два компонента: истинска маса на електрона и маса, свързана с облак виртуални фотони (и други виртуални частици), които електронът постоянно излъчва и отново поглъща. Безкрайната маса на облака фотони и безкрайната, но отрицателна маса на електрона почти се компенсират с малък краен остатък, който съответства на измерената маса. За да разрешат загадката за безкрайния заряд на електрона, Швингър и Томонага предполагат съществуването на безкрайно голям отрицателен заряд, привличащ положително заредения облак от виртуални частици, които екранират почти целия отрицателен заряд. На експериментално наблюдаваното значение съответства крайният некомпенсиран остатък от отрицателния заряд.

Предложената от Швингър и Томонага процедура (математически метод, получил названието пренормировка) е надеждна концептуална основа за квантовата електродинамика. Изключвайки едни безкрайности, тя въвежда други, например безкрайните отрицателни маси. Но тъй като електронът не може да бъде отделен от облака виртуални частици, безкрайна маса и безкраен заряд на електрона не се наблюдава никога. Именно затова, както подчертават Швингър и Томонага, единствени измерими величини при пренормиравката са пределните положителни маси. Пренормировката престава да бъде спорна или съмнителна теория: тя е проверена експериментално и нейните предсказания се оказват в съгласие с резултатите от измеренията.

Работейки почти в същото време независимо от Швингър и Томонага, Ричард Ф. Файман избира съвсем друг, но също толкова фундаментален подход към изграждането на квантовата електродинамика. Той разглежда краищата на траекторията, по която се движи частицата, и относителните вероятности за възможни взаимодействия, която тя може да претърпи „по своя път“. Сумираните различни вероятности позволяват да се опишат тези взаимодействия. Макар че възникващите при сумирането редици имат понякога необичайно сложна структура, Файман предлага квантово-електродинамични правила, позволяващи да се представят взаимодействията във вид на прости и изящни графични схеми, известни днес като диаграми на Файман. Те се оказват мощно и удобно средство за решаване на задачи на квантовата електродинамиката.

Освен работата си в областта на квантовата електродинамика, Швингър има важен принос за развитието на ядрената физика и на електродинамиката (теорията за вълноводите). През 1957 г. той изказва например хипотеза, според която неутриното (частица без маса, предсказана от Енрико Ферми, който предлага и нейното име) трябва да съществува в две форми: една, свързана с електрона (електронно неутрино), и друга, свързана с по-тежка частица, която се нарича мюон (мюонно неутрино). Двете форми на неутриното са открити за първи път през 60-те години. По-нататък Швингър работи много в областта на теоретичната физика на елементарните частици, следвайки своя уникален подход.

През 1947 г. Швингър се жени за Кларис Керъл. Семейството няма деца.

Освен с Нобелова награда Швингър е удостоен с Университетския медал на Колумбийския университет (1951 г.), с наградата Алберт Айнщайн на Мемориалния фонд (1951 г.) и с националния медал „За научни постижения“ на Националния научен фонд (1964 г.). Почетен доктор е на университета „Пардю“, на Харвардския и Колумбийския университет. Член е на американската Национална академия на науките, на Американското физическо дружество, на Нюйоркската академия на науките, а също така на Американската асоциация за фундаментални науки и на Американската академия на науките и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов