НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1982 г. / ФИЗИКА / КЕНЕТ УИЛСЪН

Кенет Уилсън (Kenneth Wilson)

8 юни 1936 г. - 15 юни 2013 г.

Нобелова награда за физика

(За теорията му за критичните явления във връзка с фазовите преходи.)

Американският физик Кенет Уилсън е роден в Уолтем (щат Масачузетс) и е най-голямото от четирите деца на Емили (Бъкингам) Уилсън и Едгар Брайт Уилсън младши. Баща му, специалист по микровълнова спектроскопия, преподава химия в Харвардския университет. Първоначалното си образование Уилсън получава в частни училища в Масачузетс. Той е особено надарен в областта на математиката и по-късно си спомня, че докато чака училищния автобус, се развлича с извличане на ум на кубични корени. Една година прекарва в училището на колежа „Могдлен“ в Оксфорд (Англия), а след това завършва през 1952 г. квакерското училище „Джордж“ в щата Пенсилвания. Като постъпва в Харвардския университет на 16 години, той учи математика и физика и получава през 1956 г. степента бакалавър. След това следва аспирантура по квантова теория на полето под ръководството на Мъри Гел-Ман в Калифорнийския технологичен институт (Калтех), където през 1961 г. получава докторска степен. Докторската му дисертация се казва „Изследване на уравнението на Лоу и уравненията на Чу и Манделщам“ („An Investigation of the Low Equation and the Chew Mandelshtam Equations“). Уилсън е награден със следисертационна стипендия от Харвард, а след това получава стипендия на фонда „Форд“ (1962-1963 г.) за работа в ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания). През 1963 г. ученият започва да работи във физическия факултет на университета „Корнел“, където през 1970 г. става професор.

В ранните си изследвания, посветени на елементарните частици и на взаимодействията между тях, Уилсън използва математическата техника, наречена пренормировка, предложена от Гел-Ман, Лоу (колега на Гел-Ман от Калтех) и други, за да се преодолеят някои трудности в квантовата електродинамика. При непосредственото прилагане на квантовата теория към поведението на елементарните частици на тях им се налага да се сблъскат с неудобни величини като безкрайния заряд например. Гел-Ман и Лоу използвали групи пренормировки, за да видоизменят математическото представяне, на точкови частици като електрона да речем, и така да отстранят препятствията пред по-нататъшното прилагане на теорията. Уилсън допринася за тази теория, решавайки в докторската си дисертация задача, свързана с К-мезоните (каоните). В университета „Корнел“, частично благодарение на работата там на Майкъл Фишър и Бенджамин Уайдъм, той започва да се интересува от критичните явления, имайки предвид по-нататъшното прилагане на групите пренормировки.

Критичните явления са особено поведение на материалите при отделни външни условия (например температура и налягане), когато свойствата на материалите се променят рязко. Тези особени условия се наричат критична точка. Ако вземем например водата, температурата, при която течността се втвърдява или става на пара, е зависима от налягането. При кипенето течността и парите са в наличност и ако се намират в затворен обем, може да се каже, че са в равновесие; обикновено могат да се различат лесно, защото имат огромна разлика в плътността. Но когато точката на кипене се увеличава заедно с налягането, плътността на течността намалява с повишаването на температурата, тъй като течността се разширява (налягането уплътнява само малко водата), докато парите се свиват силно и стават по-плътни. Ако се увеличи нагряването, за да се поддържа точката на кипене, когато налягането нараства, в края на краищата се достига до точка (налягане 219 атмосфери, температура 374°С), при която двете плътности стават еднакви и кипенето изчезва. При такъв случай не може да се отдели течността от парата, а и самият въпрос губи обикновения си смисъл. Тези значения на налягането и температурата определят критичната точка на водата. Друг пример за критична точка дава температурата (наречена точка на Кюри по името на Пиер Кюри), при която феромагнитният материал започва да се намагнетизира спонтанно и над която остава ненамагнитен. Ако магнитът се нагрява над точката на Кюри, той губи магнитните си свойства и „не си спомня“ първоначалното си състояние, когато бива охладен наново. Критичните явления се проучват за първи път систематично през 60-те години на 19 век върху въглеродния двуокис.

Системите с критични точки имат особена връзка между взаимодействието на много малки разстояния (микроравнище) и макрохарактеристиките на телата. В случая с водата макромащабните явления се свеждат до движението на молекулите и междумолекулното придвижване. В случая с магнитите определяща е способността на елементарните магнити, свързани със спиновете на електроните, да влияят на своите съседи, подтиквайки ги към определено подреждане. Близо до критичната точка тези редови въздействия нарастват много пъти по величина, което води до съгласувано макроповедение. Количественото разбиране на критичните явления се сблъсква със сложността на големия брой независими микровзаимодействия (степени на свобода) и на действащите на по-значителни разстояния корелации между различните области, които в края на краищата обхващат цялото материално тяло. Величините флуктуират от точка до точка и от област до област, образувайки множество различни равнища на взаимодействия, или величини на мащаба.

Учените се заемат енергично с този проблем, опитвайки се да намерят пътища, които биха позволили да се намали сложността до приемливи предели, без да нарушава при това истинността на теорията. През 1937 г. руският физик Лев Ландау предлага метод, наречен теория за усредненото поле, при случая с магнитите, при което усреднява флуктуацията на намагнитването, предполагайки, че имат значение само флуктуациите на атомно равнище. През 1944 г. норвежко-американският химик Ларс Онсагер намира количествено решение за двумерен модел, което му позволява да изчислява магнитните свойства, а също така да посочи погрешността на теорията на Ландау. В резултат от това възниква необходимостта да се създаде нова, по-обща теория. През 1965 г. Уайдъм предполага, че промяната на мащаба на взаимодействие близо да критичната точка не трябва да нарушава истинността на математическото описание. През 1966 г. американският физик Лео Каданоф предлага да се раздели феромагнитната система близо до критичната точка на гнезда, във всяко от които да се съдържа малка бройка магнити на атомно равнище, при което размерът на гнездото да определя величината на мащаба. Други учени също внасят своя принос за възможното решаване на проблема. Но именно използваната от Уилсън теория за групите пренормировки дава успешен метод за описание на поведението близо до критичната точка и позволява да се намират количествени оценки на свойствата на системата с помощта на компютър.

В действителност Уилсън разделя системата на блокове, разположени по подобие на мрежа, както прави и Каданоф. Започвайки с малък мащаб и голям брой малки блокове, той използва процедурата на усредняване. След това, увеличавайки постепенно мащаба и размерите на блоковете, повтаря тази процедура отново и отново, докато не бъде сведена до окончателно представяне, което дава числени резултати, съгласуващи се с експерименталните данни. На всяка стъпка флуктуациите на малкия мащаб се усредняват, а флуктуациите на големия мащаб се приближават към това да включат цялата система. Уилсън открива също така, че системите близо до критичната точка могат да бъдат характеризирани с малко на брой параметри, притежаващи качеството универсалност. С други думи, аналогични параметри могат да се използват за изчисляване на поведението на удивително много други системи. По-късно Уилсън и Фишер развиват още някои аспекти на метода, увеличавайки неговата ценност.

Другите физици признават бързо важността на достиженията на Уилсън. Ландау нарича критичните явления най-важният нерешен проблем в теоретичната физика, а самият Уилсън по-късно казва, че задачите, към които се прилага неговият метод, принадлежат към най-трудните във физиката. „Ако не беше така – пояснява той, - щяхме да ги решим по-рано с помощта с по-прости методи“.

Практическото приложение на пренормировката може да се очаква в такива области като просмукването на течности през твърдо тяло, замразяването, разпространението на пукнатини в метали и движението на нефта в подземни резервоари, при които сложни микроскопични физични процеси се проявяват в макроскопични ефекти. През последните години от живота си Уилсън се опитва да приложи своите методи към теорията за кварките – частици, които – както предполага Гел-Ман, служат за строителни блокове на протоните, неутроните и други вътрешноатомни частици, които преди това се смятат за елементарни.

От 1976 г. Уилсън отделя основно внимание на компютърното моделиране. Като открива, че теоретичната му работа е ограничена от скоростта и паметта на съвременните компютри, той започва да се застъпва за създаването на суперкомпютърни центрове, обслужващи учените.

През 1982 г. Уилсън се жени за Елисън Браун, компютърна специалистка от компютърната служба на „Корнел“. Бивш музикант любител, който свири на обой, той обича народните танци и пътешествията пеш. Ученият характеризира себе си като „работохолик, който в масата от възможности вижда преди всичко масата“.

Уилсън е член на американската Национална академия на науките и Американската академия на науките и изкуствата. Сред получените от него награди са наградата Дани Хайдеман на Американското физично дружество (1973 г.), наградата Волф на фонда „Волф“ (1980 г.), която разделя с Фишер и Каданоф, и Почетната награда на завършилите Калифорнийския технологичен институт (1981 г.). Той има почетната научна степен доктор на Харвардския университет.

Превод от руски: Павел Б. Николов