Кіріспе
Американдық теориялық физик (1911–2008)
Джон Арчибальд Уилер (9 шілде 1911 – 13 сәуір 2008) – американдық теориялық физик. Ол Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ-та жалпы салыстырмалылық теориясына деген қызығушылықты қайта жандандыруға үлкен үлес қосты. Уилер сондай-ақ Нильс Бормен бірге ядролық бөлінудің негізгі қағидаларын түсіндіру үшін жұмыс істеді. Грегори Брейтпен бірлесіп, Уилер Брейт-Уилер процесінің тұжырымдамасын жасады. Ол "қара тесік" терминін танымал етуімен және "бір электронды ғалам" гипотезасын ұсынғанымен ең көп танылды. Стивен Хокинг Уилерді "қара тесік тарихының батыры" деп атады. 21 жасында Уилер Джонс Хопкинс университетінде Карл Герцфельдтің жетекшілігімен докторлық диссертациясын қорғады. Ол Ұлттық зерттеулер кеңесінің стипендиясы бойынша Брейт пен Бордың басшылығымен оқыды. 1939 жылы Бормен бірге сұйық тамшы моделін пайдаланып, бөліну механизмін түсіндіретін бірнеше мақала жазды. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ол Чикагодағы Манхэттен жобасының металлургиялық зертханасында жұмыс істеді, онда ядролық реакторларды жобалауға көмектесті, содан кейін Вашингтон штатының Ричленд қаласындағы Ханфорд полигонында оларды салуға қатысты. Соғыстан кейін Принстонға оралды, бірақ 1950-ші жылдардың басында сутекті бомбаны жобалау және құрылысына көмектесу үшін қайтадан мемлекеттік қызметке кірді. Ол Эдвард Теллермен бірге термоядролық қарудың жақтаушысы болды. Өмірінің көп бөлігінде Уилер Принстон университетінде физика профессоры болды, ол 1938 жылы осы университетке қосылып, 1976 жылға дейін қызмет етті. Принстон университетінде ол 46 докторантты жетекшілік етті, бұл басқа физика профессорынан көп. Уилер 65 жасқа толғанда Принстон университетінен кетті. 1976 жылы Остин қаласындағы Техас университетінің Теориялық физика орталығының директоры болып тағайындалды және 1986 жылға дейін осы лауазымда болды, содан кейін зейнеткерлікке шығып, құрметті профессор атанды.
Ерте өмір және білім
Уилер 1911 жылғы 9 шілдеде Флорида штатының Джексонвилл қаласында кітапханашылар Джозеф Л. Уилер мен Мейбл Арчибальд (Арчи) Уилердің отбасында дүниеге келді. Ол төрт баланың ең үлкені еді. Оның ағасы Джозеф Браун университетінен докторлық, ал Колумбия университетінен кітапхана ғылымы магистрі дәрежесін алды. Оның ағасы Роберт Гарвард университетінде геология ғылымы бойынша докторлық диссертациясын қорғап, мұнай компанияларында және бірнеше колледждерде геолог болып жұмыс істеді. Оның қарындасы Мэри Денвер университетінде кітапхана ісін оқып, кітапханашы болды. Олар Янгстаун қаласында өсті, бірақ 1921-1922 жылдары Вермонт штатының Бенсон қаласындағы фермада бір жыл тұрды, сол кезде Уилер бір бөлмелі мектепке қатысты. Янгстаунға оралғаннан кейін ол Рейен орта мектебінде оқыды. 1926 жылы Балтимор Сити Колледж орта мектебін бітірген соң Уилер Мэриленд штатының стипендиясымен Джон Хопкинс университетіне түсті. Ол 1930 жылы Ұлттық стандарттар бюросындағы жазғы жұмысының бөлігі ретінде өзінің алғашқы ғылыми мақаласын жариялады. 1933 жылы докторлық дәрежесін алды. Карл Герцфельдтің жетекшілігімен жүргізген диссертациялық зерттеу жұмысы "Гелийдің таралуы және сіңірілуі теориясы" тақырыбына арналған еді.
Ерте мансап
1937 жылы Солтүстік Каролина университеті Уилерді доцент қызметіне тағайындады, бірақ ол бөлшектер физикасы саласындағы сарапшылармен тығыз байланыста жұмыс істеуді қалады. 1938 жылы Джонс Хопкинс университетіндегі доцент ұсынысынан бас тартып, Принстон университетінде ассистент профессорлық қызметке орналасты. Бұл лауазым төмен болғанымен, физика факультетін дамытып жатқан Принстон университеті оның мансабы үшін жақсы таңдау екенін сезінді. 1976 жылға дейін университет оқытушысы болып қалды. 1937 жылы жарияланған "Резонанстық топтық құрылым әдісімен жарық ядроларын математикалық сипаттау туралы" мақаласында Уилер S матрицасын енгізді – "шашырау матрицасының қысқартылған атауы", ол "интеграл теңдеулердің кез келген нақты шешімінің асимптотикалық қасиеттерін стандартты формадағы шешімдермен байланыстыратын коэффициенттердің бірлік матрицасы" ретінде сипатталды. Уилер бұл идеяны одан әрі дамытпады, бірақ 1940 жылдары Вернер Гейзенберг S матрицасының тұжырымын элементар бөлшектер физикасының маңызды құралына айналдырды. 1938 жылы Уилер Эдвард Теллермен бірлесіп Бордың атом ядросының сұйық тамшы моделін зерттеді және нәтижелерін Нью-Йоркте өткен Америка физикалық қоғамының мәжілісінде таныстырды. Уилердің Чапел-Хиллдегі аспиранты Кэтрин Уэй де мақала ұсынды, ол сұйық тамшы моделінің кейбір жағдайларда тұрақсыз екенін егжей-тегжейлі түсіндірді. Сұйық тамшы моделінің шектеулеріне байланысты, олар ядролық бөлінуді болжау мүмкіндігінен айырылды. 1939 жылы Бор Лиза Майтнер мен Отто Фриштің ядролық бөлінуді ашқандығы туралы жаңалықты Америкаға жеткізді. Бор Леон Розенфельдке айтты, ол Уилерге хабарлады. Эксперименттік физиктер ядролық бөлінуді зерттегенде, түсініксіз нәтижелерге тап болды. Джордж Плачек Бордан уранның неліктен өте жылдам және өте баяу нейтрондармен бөлінетінін сұрады. Уилермен кездесуге бара жатып, Бор төмен энергиядағы бөліну уран-235 изотопымен байланысты екенін, ал жоғары энергиядағы бөлінуге негізінен уран-238 изотопы себеп екенін түсінді. Олар ядролық бөліну туралы тағы екі мақала жазды. Олардың алғашқы мақаласы 1939 жылдың 1 қыркүйегінде Physical Review журналында жарияланды – Германия Польшаға шабуыл жасаған және Екінші дүниежүзілік соғыстың басталу күні. Позитрондардың уақыт бойынша кері бағытта қозғалатын электрондар екенін ескере отырып, 1940 жылы Уилер бір электронды ғалам туралы гипотезасын ұсынды: шындығында тек бір ғана электрон бар, ол уақыт бойынша алға-артқа секіріп отырады. Оның аспиранты Ричард Фейнман бұл тұжырымға сенуге қиналды, бірақ позитрондардың уақыт бойынша кері бағытта қозғалатын электрондар екендігі оны қызықтырды, және Фейнман өз Фейнман диаграммаларында уақыттың қайтымдылығы туралы идеяны енгізді.
Манхэттен жобасы
Жапонияның Перл-Харборды бомбалауынан кейін АҚШ-ты Екінші дүниежүзілік соғысқа тартқаннан кейін, Уилер Артур Комптонның ұсынысын қабылдады және Чикаго университетіндегі Манхэттен жобасының Металлургиялық зертханасына қосылды. 1942 жылдың қаңтарында ол ондағы ядролық реакторларды зерттеген Юджин Вигнер тобына қосылды. Ол Роберт Ф. Кристипен бірлесіп «Еритіндідегі таза бөлінетін материалдардың тізбекті реакциясы» деген мақала жазды, ол плутонийді тазарту процесінде маңызды рөл атқарды. Мақала 1955 жылдың желтоқсан айында құпиясы ашылды. Ол нейтрондық тежегішке Энрико Фермидің «баяулатушы» деген терминін алмастырып, жаңа атау берді. АҚШ Әскери инженерлік корпусы Манхэттен жобасын өз бақылауына алғаннан кейін, реакторларды егжей-тегжейлі жобалау және салу жөніндегі жауапкершілікті DuPont компаниясына жүктеді. Уилер DuPont компаниясының жобалау тобының құрамына кірді. Ол компанияның инженерлерімен тығыз байланыста жұмыс істеді, Чикаго мен DuPont компаниясының штаб-пәтері орналасқан Делавэр штатының Уилмингтон қалалары арасында сапарлап тұрды. 1943 жылдың наурыз айында ол отбасымен Уилмингтонға көшті. DuPont компаниясының міндеті – тек ядролық реакторларды ғана емес, сонымен қатар Вашингтон штатындағы Ханфорд полигонында плутоний өндірудің толық кешенін салу болды. Жұмыс барысында Уилер 1944 жылдың шілдесінде отбасымен Ричлендке (Вашингтон штаты) көшті, онда ол 300-ші аймақ деп белгіленген ғылыми ғимараттарда жұмыс істеді. Бірақ бәрі тым кеш болды: Джо 1944 жылдың қазан айында қаза тапты. «Соғысты аяқтау үшін ядролық қару жасауға біз осы шамаға жеттік. Кейіннен де, соғыс 1944 жылдың қазан айында аяқталуы мүмкін еді деп ойладым», – деп жазды Уилер. Джо өзінен кейін жесір әйел және Мэри Джо есімді кішкентай қызын қалдырды, ол кейін физик Джеймс Хартлге тұрмысқа шықты.
Сутекті бомба
1945 жылдың тамызында Уилер отбасымен бірге Принстонға оралды, онда ол академиялық қызметін жалғастырды. Фейнманмен бірге жұмыс істеп, ол физиканың бөлшектермен, емес, өрістермен емес, мүмкіндігін зерттеді және Джейме Тиомномен бірге мюондарды теориялық тұрғыдан зерттеді, нәтижесінде осы тақырыпта бірнеше мақала жарық көрді, соның ішінде 1949 жылғы мақаласында Тиомно мен Уилер «Тиомно үшбұрышын» ұсынды, ол радиоактивті ыдыраудың әртүрлі түрлерін байланыстырды. Ол сондай-ақ мюондарды ядролық зонд ретінде қолдануды ұсынды. 1949 жылы жазылған және жеке таратылған, бірақ 1953 жылға дейін жарияланбаған бұл жұмыс мюондардан шығатын Чанг сәулеленуін өлшеуге әкелді. Мюондар – ғарыш сәулелерінің құрамына кіретін элемент, ал Уилер Принстонның Ғарыш сәулелері зертханасын құрды және оның алғашқы директоры болды, ол 1948 жылы Теңіз зерттеулер бюросынан 375 000 долларлық грант алды. Уилер 1946 жылы Гуггенхайм стипендиясын алды, бұл оған 1949–50 оқу жылын Парижде өткізуге мүмкіндік берді. 1949 жылы Совет Одағының «Джо 1» құрылғысын сынауы АҚШ-ты, Теллердің басшылығымен, одан да қуатты сутекті бомбаны жасауға бағытталған күшті күш-жігерге итермеледі. Принстон университетіндегі Уилердің бөлім басшысы Генри Д. Смит оны осы жұмысқа қатысуға шақырды. Көптеген физиктер, Уилер сияқты, соғыс кезінде үзілген мансаптарын қалпына келтіруге тырысып, жаңа бұзылыстарға дайын болмады. Басқалары моральдық наразылық білдірді. Қатысуға келіскендердің қатарында Эмиль Конопински, Маршалл Розенблут, Лотар Нордхейм және Чарльз Кричфилд болды, бірақ қазір Лос-Аламос зертханасында Норрис Брэдбери басқаратын тәжірибелі қару жасаушылар тобы да болды. Уилер Бормен сөйлескеннен кейін Лос-Аламосқа баруға келісті. Принстоннан екі аспиранты, Кен Форд пен Джон Толл оған қосылды. Лос-Аламоста Уилер отбасы соғыс кезінде Роберт Оппенгеймер мен оның отбасы тұрған «Ванналар қатары» үйіне көшті. 1950 жылы сутекті бомбаның нақты жобасы болмады. Станислав Улам және басқалардың есептеулері Теллердің «Классикалық Супер» жұмыс істемейтінін көрсетті. Теллер мен Уилер «Сағат дабылы» деп аталатын жаңа жоба жасады, бірақ ол нағыз термоядролық қару емес еді. 1951 жылдың қаңтарында ғана Улам жұмыс істейтін жобаны ұсынды. 1951 жылы Уилер Брэдбериден Принстон қаласында Лос-Аламос зертханасының филиалын құруға рұқсат алды, ол екі бөлімнен тұратын «Маттерхорн» жобасы деп аталды. Лайман Спитцер басқаратын «Маттерхорн S» (стеллатор үшін, Уилердің тағы бір атауы) ядролық синтезді қуат көзі ретінде зерттеді. Уилер басқаратын «Маттерхорн B» (бомба) ядролық қаруды зерттеумен айналысты. Жоғары дәрежелі ғалымдар жобаға қызығушылық танытпады, сондықтан ол жас магистранттар мен докторанттарды жұмысқа алды. «Маттерхорн B» жобасы 1952 жылдың 1 қарашасында Тынық мұхитындағы Эневетак атоллінде «Айви Майк» ядролық сынағының сәтті өтуімен аяқталды, оған Уилер куә болды. «Айви Майк» құрылғысының қуаты , «Маттерхорн B» бағалағаннан шамамен 30 пайызға жоғары деп есептелді. 1953 жылдың қаңтарында Уилер литий-6 және сутекті бомба жобасы туралы құпия құжатты түнгі пойыз сапары кезінде жоғалтқан кезде қауіпсіздік ережесін бұзды. Бұл ресми сөгіске әкелді. «Маттерхорн B» жобасы тоқтатылды, бірақ «Маттерхорн S» Принстон плазма физикасы зертханасы ретінде сақталды.
Кейінгі академиялық мансап
Матерхорн жобасы бойынша жұмысын аяқтағаннан кейін Уилер академиялық қызметін қайта бастады. 1955 жылғы мақаласында ол геоны – өзінің өрісінің тартылысымен шектелген аймақта ұсталып тұратын электромагниттік немесе гравитациялық толқынды теориялық тұрғыдан зерттеді. Ол осы атауды "гравитациялық электромагниттік құрылым" деген сөздің қысқартылған түрі ретінде ұсынды. Ол ең кішкентай геонның Күннің мөлшеріндегі, бірақ миллиондаған есе ауыр тороид екенін анықтады. Кейін ол геондардың тұрақсыз екенін және егер пайда болса, дереу өздігінен жойылатынын көрсетті.
Геометродинамика
1950 жылдары Уилер геометродинамиканы қалыптастырды, ол гравитация және электромагнетизм сияқты барлық физикалық құбылысты қисық кеңістік-уақыттың геометриялық қасиеттеріне физикалық және онтологиялық түрлендіру бағдарламасы болды. Оның осы тақырыптағы зерттеулері 1957 және 1961 жылдары жарияланды. Уилер әлемнің құрылымын кванттық флуктуациялардың хаостық, атомдық деңгейдегі әлемі ретінде көріп, оны "кванттық көбік" деп атады. Оның жалпы салыстырмалылық теориясындағы жұмыстарына гравитациялық құлау теориясы кірді. Ол 1967 жылы NASA Годдард ғарыш зерттеулер институтында (GISS) жасаған баяндамасында "қара тесік" терминін қолданды, бірақ бұл термин онжылдықтың басында-ақ қолданылған еді. Уилердің айтуынша, лекция кезінде аудитория мүшесінің "гравитациялық толығымен құлаған объект" деген сөзін жиі естіп шаршағанда оған бұл термин ұсынылған. Уилер сондай-ақ кванттық гравитация саласындағы пионер болды, өйткені ол Брайс ДеУитпен бірлесіп 1967 жылы Уилер-ДеУит теңдеуін жасады. Кейін Стивен Хокинг Уилер мен ДеУиттің жұмысын "Әлемнің толқындық функциясын" анықтайтын теңдеу деп сипаттады.
Кванттық ақпарат
Уилер 1976 жылы 65 жасында Принстон университетінен кетті. Ол 1976 жылы Остиндегі Техас университетінің Теориялық физика орталығының директоры болып тағайындалды және 1986 жылға дейін сол лауазымда қалды. Уилердің бұрынғы студенттері Миснер, Торн және Войцех Зюрек зейнеткерлікке шыққанда былай деп жазды:
Уилердің кешіктірілген таңдау эксперименті – ол ұсынған кванттық физикадағы ой эксперименттерінің бірнешеуін қамтиды, олардың ең танымалдары 1978 және 1984 жылдары жарияланды. Бұл эксперименттердің мақсаты – жарық екі жарықтан өтетін тәжірибелік құралды қандай да бір жолмен "сезіне" ме, оған сәйкес анықталған күйді қабылдап, өзін бейімдей ме, әлде ол толқын да, бөлшек те емес, белгісіз күйде қалып, тәжірибелік құрылымдардың қоятын "сұрақтарына" толқынға сәйкес немесе бөлшекке сәйкес жауап бере ме, соны анықтау болып табылады.
Оқыту
Уилердің аспиранттарының арасында Джейкоб Бекенштейн, Хью Эверетт, Ричард Фейнман, Дэвид Хилл, Бей Лок Ху, Джон Р. Клаудер, Чарльз Мизнер, Кип Торн, Уильям Унру, Роберт М. Уолд, Катарина Уэй және Артур Уайтман болды. Уилер оқытуға үлкен мән берді және жас сана ең маңыздысы деп есептей отырып, бірінші және екінші курс студенттеріне физика пәнінен сабақ беруді жалғастырды. Принстон университетінде ол 46 докторлық диссертацияны жетекшілік етті, бұл басқа ешбір физика профессорынан көп. Уилер Хью Эверетттің жұмысын қолдау үшін мақала жазды, Копенгагенде Нильс Борға хат жазып, оның Эверетттің тәсіліне келісімін сұрады және Бор бас тартқаннан кейін де Эвереттті қолдауын жалғастырды. Кент Харрисон, Кип Торн және Масами Ваканомен бірге Уилер «Гравитация теориясы және гравитациялық құлдырау» (1965) еңбегін жазды. Бұл Миснер мен Торнмен бірлесіп жазылған «Gravitation» (1973) атты жалпы салыстырмалылық бойынша кең көлемді оқулыққа әкелді. Оның жалпы салыстырмалылықтың алтын ғасырында уақтылы жарық көргені және толықтығы оны бір буын үшін ықпалды оқулыққа айналдырды. Уилер мен Эдвин Ф. Тейлор «Ғарыш-уақыт физикасы» (1966) және «Қара тесіктерді зерттеу» (1996) кітаптарын жазды. Уилердің «массасыз масса» деген тұжырымын еске түсіре отырып, оның 60 жылдық мерейтойына арналған құрметті жинақ «Сиқырсыз сиқыр: Джон Арчибальд Уилер: оның алпысыншы мерейтойына арналған эсселер жинағы» (1972) деп аталды. Оның жазу стилі пародийлерді шақыруға да қабілетті болды, соның ішінде салыстырмалылық журналында жарияланған «Джон Арчибальд Уайлер» авторлығындағы пародия да болды.
Парапсихологияға қарсылық
1979 жылы Уилер Америка ғылымды дамыту қауымдастығына (AAAS) сөз сөйлеп, он жыл бұрын Маргарет Мидтің өтінішімен қабылданған парапсихологияны қауымдастықтан шығаруды ұсынды. Ол оны псевдонауқа деп атады, сонымен бірге бұл мәселелерді зерттеуге қарсы емес екенін, бірақ "AAAS-қа мүше болудың беделі" кем дегенде бірнеше деп аталатын пси-эффекттердің сенімді түрде дәлелденгенге дейін сақталуы керек деп есептеді. "Бақылаудың элементар кванттық актісінде сана емес, зерттеуші және зерттелетін нысан арасындағы айырмашылық маңызды" деген баяндамасынан кейін сұрақ-жауап кезінде Уилер Дж. Б. Райннің студент кезінде алаяқтық жасағанын айтты, бірақ кейіннен Science журналына жолдаған хатында осы үшін кешірім сұрады. Оның ұсынысы қабылданбады және Парапсихологиялық қауымдастық AAAS мүшелігінде қалды.
Жеке өмір
72 жыл бойы Уилер мұғалім және әлеуметтік жұмыскер Жанет Хегнермен үйленген еді. Олар үшінші кездесулерінде никелесуге келісіп, бірақ ол Еуропадан оралғанға дейін некені кейінге шешуге мәлімдеді. Олар 1935 жылдың 10 маусымында, ол елге оралғаннан кейін бес күн өткен соң үйленді. Ұлы экономикалық дағдарыс кезінде жұмыс табу қиын болды. Артур Руарк Уилерге Солтүстік Каролина университетінің Чапел-Хиллдегі профессор ассистенті қызметін ұсынды, жылдық жалақысы 2300 доллар болды, бұл Жанетке Рай Кантри күндізгі мектебінде сабақ беру үшін ұсынылған 2400 доллардан кем болды. Хегнер 2007 жылдың қазанында 96 жасында дүние салды.
Өлім және мұра
Уилер көптеген сыйлықтар мен марапаттарға ие болды, оның ішінде 1966 жылы Американдық жетістіктер академиясының «Алтын тақта» сыйлығы, 1968 жылы Энрико Ферми сыйлығы, 1969 жылы Франклин медалі, 1969 жылы Эйнштейн сыйлығы, 1971 жылы Ұлттық ғылым медалі, 1982 жылы Нильс Бор халықаралық алтын медалі, 1983 жылы Оерстед медалі, 1984 жылы Ж. Роберт Оппенхаймер атындағы естелік сыйлық және 1997 жылы Вольф қоры сыйлығы.