Columbia University Physics Department

Кіріспе

Колумбия университетінің физика кафедрасына астрофизика, жоғары энергиялы ядролық физика, жоғары энергиялы бөлшектер физикасы, атомдық молекулалық оптикалық физика, конденсацияланған материя физикасы және теориялық физика салаларында оқыту және зерттеу жұмыстарын жүргізетін шамамен 40 профессорлық-оқытушылар құрамы кіреді. Бұл зерттеулер Пупин Холл мен Шапиро инженерлік және физикалық ғылымдар зерттеу орталығында (CEPSR) университеттің Морнингсайд Хайтс кампусында, Невис Лабораториясында және басқа да бірқатар серіктес мекемелерде жүргізіледі. Департамент Брукхейвен ұлттық зертханалары мен CERN-де жүргізілетін зерттеулермен байланысты. Колумбияда шамамен 20 физика мамандығы бар және 100-ге жуық аспирант бар.

Тарих

Физиканың түп тамыры 1864 жылы Тау-кендер мектебінің ашылуына дейін барып тіреледі, бірақ кафедра ресми түрде 1892 жылы құрылды. 1899 жылы Колумбияда өткен кездесуде Америка физикалық қоғамы құрылды. Бірнеше жылдан кейін "Эрнест Кемптон Адамс" қоры кафедраға мектепте білім алу үшін белгілі ғалымдарды шақыруға мүмкіндік берді. ЕКА-ның атақты оқытушылары арасында Хендрик Лоренц (1905-1906) және Макс Планк (1909) болды. Лоренц Колумбияда болған кезінде өзінің ең маңызды еңбектерінің бірі "Электрон теориясы" атты еңбегін жазды. 1931 жылы "Пупин Лабораториясы" жетекші ғылыми-зерттеу орталығы болды. Осы уақыт аралығында Харольд Урей (химия бойынша Нобель сыйлығының лауреаты) дейтерийді ашқан, ал Джордж Б. Пеграм жаңадан табылған нейтронмен байланысты құбылыстарды зерттеген. 1938 жылы Энрико Ферми радиоактивтілік туралы еңбегі үшін Нобель сыйлығын жеңіп алғаннан кейін фашистік Италиядан қашып кетті. Ол әйелі мен балаларын Стокгольмге алып, дереу Нью-Йоркке көшіп барды. Ол келгеннен кейін көп ұзамай Колумбияда жұмыс істей бастады. Оның ядролық бөліну жөніндегі жұмысы, Рабидің атомдық және молекулалық физика жөніндегі жұмысымен бірге университеттегі фундаменталды зерттеулердің алтын дәуірі басталды. Елдегі алғашқы циклотрондардың бірі Пупин-холлдың жертөлесінде салынған, оның бөліктері әлі күнге дейін сақталған. Екінші дүниежүзілік соғыстан бұрын және кейін ядролар мен электрондардың магниттік моменттері туралы зерттеулер жүргізілді. Уиллис Лэмбтің сутегінің ұсақ құрылымын түсіну жөніндегі жұмысымен бірге бұл тәжірибелер кванттық электродинамиканың кейінгі дамуы үшін маңызды болды, ол үшін Фейнман мен Швингер Нобель сыйлығын жеңіп алды. Осы уақыт аралығында Чиен Шиунг Ву Невис аралында әлсіз өзара әрекеттесулер бойынша маңызды зерттеулер жүргізді, бұл теориялық болжауға және максималды теңдіктің сақталмауын байқауға әкелді. Соғыс кезінде көптеген микротолқынды техникалар үйренді, олар кейіннен Колумбияда лазердің микротолқынды алғысы - мазерді әзірлеу үшін, ірі ядролық төртполюс моменттерін байқауға арналған, бұл Джеймс Рейнвотердің біріктірілген ядролық моделін енгізуге әкелді. 1940 жылдары теориялық зерттеулер кванттық электродинамикадағы есептеулерге бағытталған. 1950 жылдары жоғары энергия физикасына көшу болды. Осы уақыт ішінде Цун Дао Ли және оның әріптестерінің жұмысы әлсіз өзара әрекеттесудегі паритет пен зарядты конъюгация симметриясын ашуға әкелді. Осы жылдары Невисте жаңа, қуатты циклотрон да жасалды. Физиктер затты әрқашан кішірек масштабта зерттеген сайын, жоғары энергия эксперименттері қажет болды. Олардың көбі Невис пен Брукхейвенде жасалды. Rainwater және Fitch мюон атомдарының рентген сәулелерінің өзгеруін бақылау арқылы ядролардың құрылымын зерттеді. Ричард Гарвин мен Леон Ледерман пион мен мюонның ыдырауында паритеттің сақталмауын байқады. Ледерман, Шварц және Штайнбергер мюон нейтриносының электрон нейтриносынан ерекше екенін дәлелдеді. Бүгінде Колумбияның экспериментаторлары әлемнің түрлі зертханаларында жұмыс істейді. Олардың қатарына Швейцарияның Женева қаласындағы ЦЕРН, Нью-Йорк штатының Аптон қаласындағы Брукхейвен ұлттық зертханасы және Иллинойс штатының Батавия қаласындағы Ферми ұлттық жеделдетуші зертханасы кіреді. Pupin Labs-та Норман Кристос салған 400 Gigaflops арнайы суперкомпьютер бар, ол торлы кванттық хромодинамикадағы есептеулер үшін қолданылады.

The roots of graduate physics can be traced back to the opening of the School of Mines in 1864 although the department was only formally established in 1892. In 1899 the American Physical Society was founded at a meeting at Columbia. Several years later, the Earnest Kempton Adams Fund enabled the department to invite distinguished scientists to the school. Among the distinguished EKA lecturers were Hendrik Lorentz (1905 1906) and Max Planck (1909). During Lorentz's stay at Columbia he wrote one of his most important works, the Theory of Electrons. By 1931, Pupin Labs was a leading research center. During this time Harold Urey (Nobel laureate in Chemistry) discovered deuterium and George B. Pegram was investigating the phenomena associated with the newly discovered neutron. In 1938, Enrico Fermi escaped fascist Italy after winning the Nobel prize for his work on induced radioactivity. In fact, he took his wife and children with him to Stockholm and immediately emigrated to New York. Shortly after arriving he began working at Columbia. His work on nuclear fission, together with Rabi's work on atomic and molecular physics, ushered in a golden era of fundamental research at the university. One of the country's first cyclotrons was built in the basement of Pupin Hall, where parts of it still remain. Before and after the Second World War, research was conducted into the magnetic moments of nuclei and electrons. Together with Willis Lamb's work on the understanding of the fine structure of hydrogen, these experiments were crucial to the later development of quantum electrodynamics, for which Feynman and Schwinger won the Nobel prize. During this same time Chien Shiung Wu was conducting landmark research at Nevis on weak interactions, which led to the theoretical prediction and subsequent observation of maximal parity nonconservation. During the war, many microwave techniques were learned that were later used at Columbia for the development of the maser, the microwave precursor to the laser, at to the observation of large nuclear quadrupole moments, which led to the introduction of the unified nuclear model by James Rainwater. In the 1940s theoretical research was focussed on calculations in quantum electrodynamics. In the 1950s, there was a shift towards high energy physics. During this time Tsung Dao Lee and his collaborators' work led to the discovery of parity and charge conjugation symmetries in the weak interaction. During these years, a new, more powerful cyclotron was also built at Nevis. As physicists investigated matter at ever finer scales, higher energy experiments were required. Many of these were done at Nevis and at Brookhaven. Rainwater and Fitch explored the structure of nuclei by observing x ray transitions in muonic atoms. Richard Garwin and Leon Lederman observed parity nonconservation in pion and muon decay. Lederman, Schwartz, and Steinberger proved that the muon neutrino was distinct from the electron neutrino. Today, Columbia experimenters conduct work at labs across the world. These include CERN, in Geneva, Switzerland, Brookhaven National Laboratory, in Upton, New York, and Fermi National Accelerator Laboratory, in Batavia, Illinois. Pupin Labs also houses a 400 Gigaflops dedicated supercomputer built by Norman Christ, which is used for calculations in lattice quantum chromodynamics.