Джулиан Швингер: Жизнь и научное творчество

Введение

Американский физик-теоретик (1918–1994)

Джулиан Сеймур Швингер (англ. Julian Seymour Schwinger; 12 февраля 1918 – 16 июля 1994) – американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии. Он наиболее известен своими работами в области квантовой электродинамики (КЭД), в частности, разработкой релятивистски инвариантной теории возмущений и ренормализацией КЭД до однопетлевого порядка. Швингер преподавал физику в нескольких университетах. Швингер признан одним из величайших физиков XX века, внесшим значительный вклад в современную квантовую теорию поля, включая вариационный подход и уравнения движения квантовых полей. Он разработал первую электрослабую модель и первый пример конфайнмента в (1+1)-мерном пространстве. Ему принадлежат теория множественных нейтрино, члены Швингера и теория спинового поля 3/2.

Ранние годы и карьера

Джулиан Сеймур Швингер родился в Нью-Йорке в семье евреев-ашкеназов, Белл (урождённая Розенфельд) и Бенджамина Швингера, производителя одежды, эмигрировавшего из Польши в Соединенные Штаты. Его отец и родители матери были преуспевающими производителями одежды, хотя семейный бизнес пришел в упадок после краха Уолл-стрит в 1929 году. Семья следовала ортодоксальным иудейским традициям. Старший брат Джулиана, Гарольд Швингер, родился в 1911 году, за семь лет до Джулиана, который родился в 1918 году. Швингер был одаренным учеником. Он посещал среднюю школу Таунсенд Харрис с 1932 по 1934 год, которая в то время считалась престижной школой для одаренных студентов. Во время учебы в средней школе Джулиан уже начал читать статьи из журнала Physical Review, написанные такими авторами, как Пол Дирак, в библиотеке Городского колледжа Нью-Йорка, на территории которого располагался Таунсенд Харрис. Осенью 1934 года Швингер поступил в Городской колледж Нью-Йорка в качестве студента. В то время CCNY автоматически принимал всех выпускников Таунсенд Харрис, и оба учебных заведения предлагали бесплатное обучение. Благодаря своему глубокому интересу к физике и математике, Джулиан демонстрировал отличные результаты по этим предметам, несмотря на то, что часто пропускал занятия и занимался самообразованием по учебникам. С другой стороны, его недостаток интереса к другим предметам, таким как английский язык, приводил к конфликтам с преподавателями. После поступления Джулиана в CCNY, его брат Гарольд, который ранее окончил CCNY, попросил своего бывшего одноклассника Ллойда Мотца "познакомиться с [Джулианом]". Ллойд был преподавателем физики в CCNY и аспирантом Колумбийского университета. Ллойд познакомился с Джулианом и вскоре разглядел его талант. Заметив академические трудности Швингера, Ллойд решил обратиться за помощью к Исидору Айзеку Раби, которого он знал в Колумбии. Раби также сразу же оценил способности Швингера при первой встрече и предпринял шаги для предоставления Швингеру стипендии для обучения в Колумбии. Поначалу низкие оценки Джулиана по некоторым предметам в CCNY препятствовали получению стипендии. Но Раби проявил настойчивость и показал Хансу Бете, который случайно проезжал через Нью-Йорк, неопубликованную работу Швингера по квантовой электродинамике. Одобрение работы Бете и его репутация в этой области оказались достаточными для получения стипендии Джулианом, который затем перевелся в Колумбию. Его успеваемость в Колумбии была значительно лучше, чем в CCNY. Он был принят в общество Phi Beta Kappa и получил степень бакалавра в 1936 году. Во время обучения в аспирантуре Раби посчитал, что Джулиану было бы полезно посетить другие университеты страны, и Джулиан получил стипендию для путешествий на 1937/38 учебный год, в течение которого он работал с Грегори Брейтом и Юджином Вигнером. В это время Швингер, который и раньше привык работать допоздна, пошел еще дальше и полностью перешел на ночной образ жизни, работая ночью и спя днем, привычку, которую он сохранил на протяжении всей своей карьеры. Позже Швингер отметил, что этот переход был отчасти способом сохранить большую интеллектуальную независимость и избежать "доминирования" со стороны Брейта и Вигнера, просто сократив время их взаимодействия, работая в разное время. Швингер получил докторскую степень под руководством Раби в 1939 году в возрасте 21 года. Осенью 1939 года Швингер начал работать в Калифорнийском университете в Беркли под руководством Дж. Роберта Оппенгеймера, где он проработал два года в качестве научного сотрудника NRC.

Julian Seymour Schwinger was born in New York City, to Ashkenazi Jewish parents, Belle (née Rosenfeld) and Benjamin Schwinger, a garment manufacturer, who had emigrated from Poland to the United States. Both his father and his mother's parents were prosperous clothing manufacturers, although the family business declined after the Wall Street Crash of 1929. The family followed the Orthodox Jewish tradition. Julian's older brother Harold Schwinger was born in 1911, seven years before Julian who was born in 1918. Schwinger was a precocious student. He attended the Townsend Harris High School from 1932 to 1934, a highly regarded high school for gifted students at the time. During high school, Julian had already started reading Physical Review papers by authors such as Paul Dirac in the library of the City College of New York, in whose campus Townsend Harris was then located. In the fall of 1934, Schwinger entered the City College of New York as an undergraduate. CCNY automatically accepted all Townsend Harris graduates at the time, and both institutions offered free tuition. Due to his intense interest in physics and mathematics, Julian performed very well in those subjects despite often skipping classes and learning directly from books. On the other hand, his lack of interest for other topics such as English led to academic conflicts with teachers of those subjects. After Julian had joined CCNY, his brother Harold, who had previously graduated from CCNY, asked his ex classmate Lloyd Motz to "get to know [Julian]". Lloyd was a CCNY physics instructor and Ph. D. candidate at Columbia University at the time. Lloyd made the acquaintance, and soon recognized Julian's talent. Noticing Schwinger's academic problems, Lloyd decided to ask Isidor Isaac Rabi who he knew at Columbia for help. Rabi also immediately recognized Schwinger's capabilities on their first meeting, and then made arrangements to award Schwinger with a scholarship to study at Columbia. At first Julian's bad grades in some subjects at CCNY prevented the scholarship award. But Rabi persisted and showed an unpublished paper on quantum electrodynamics written by Schwinger to Hans Bethe, who happened to be passing by New York. Bethe's approval of the paper and his reputation in that domain were then enough to secure the scholarship for Julian, who then transferred to Columbia. His academic situation at Columbia was much better than at CCNY. He was accepted into the Phi Beta Kappa society and received his B. A. in 1936. During Schwinger's graduate studies, Rabi felt that it would be good for Julian to visit other institutions around the country, and Julian was awarded a travelling fellowship for the year 37/38 which he spent at working with Gregory Breit and Eugene Wigner. During this time, Schwinger, who previously had already had the habit of working until late at night, went further and made the day/night switch more complete, working at night and sleeping during the day, a habit he would carry throughout his career. Schwinger later commented that this switch was in part a way to retain greater intellectual independence and avoid being "dominated" by Breit and Wigner by simply reducing the duration of contact with them by working different hours. Schwinger obtained his PhD overseen by Rabi in 1939 at the age of 21. During the fall of 1939 Schwinger started working at the University of California, Berkeley under J. Robert Oppenheimer, where he stayed for two years as an NRC fellow.

Карьера

После работы с Оппенгеймером, первое постоянное академическое место Швингера было в Университете Пердью в 1941 году. Находясь в отпуске из Пердью, он работал в Лаборатории радиации Массачусетского технологического института вместо Национальной лаборатории Лос-Аламоса во время Второй мировой войны. Он оказывал теоретическую поддержку разработке радиолокационных систем. После войны Швингер покинул Пердью и перешел в Гарвардский университет, где преподавал с 1945 по 1974 год. В 1966 году он стал профессором физики имени Юджина Хиггинса в Гарварде. Швингер проявил интерес к функциям Грина, полученный в ходе работы над радиолокацией, и использовал эти методы для формулирования квантовой теории поля в терминах локальных функций Грина релятивистски инвариантным способом. Это позволило ему однозначно рассчитать первые поправки к магнитному моменту электрона в квантовой электродинамике. Более ранние нековариантные работы приводили к бесконечным результатам, но дополнительная симметрия в его методах позволила Швингеру выделить правильные конечные поправки. Швингер разработал ренормализацию, сформулировав квантовую электродинамику однозначно до первого порядка по петлям. В ту же эпоху он ввел непертурбативные методы в квантовую теорию поля, вычислив скорость образования пар электрон-позитрон путем туннелирования в электрическом поле – процесс, теперь известный как «эффект Швингера». Этот эффект нельзя было наблюдать ни в одном конечном порядке теории возмущений. Фундаментальная работа Швингера по квантовой теории поля заложила современную основу для корреляционных функций полей и уравнений их движения. Его подход начинался с квантового действия и впервые позволил рассматривать бозоны и фермионы на равных, используя дифференциальную форму интеграла Грассмана. Он дал элегантные доказательства теоремы о спин-статистике и теоремы CPT, и отметил, что алгебра поля приводит к аномальным членам Швингера в различных классических тождествах из-за сингулярностей на малых расстояниях. Это были основополагающие результаты в теории поля, имеющие важное значение для правильного понимания аномалий. В другой заметной ранней работе Рарита и Швингер сформулировали абстрактную теорию Паули и Фиерца о поле со спином 3/2 в конкретной форме, как вектор спиноров Дирака, известную как уравнение Рариты-Швингера. Для согласованного взаимодействия поля со спином 3/2 требуется некая форма суперсимметрии, и Швингер позже сожалел, что не продолжил эту работу, чтобы открыть суперсимметрию. Швингер обнаружил, что нейтрино существуют в нескольких разновидностях: один для электрона и один для мюона. В настоящее время известно три легких нейтрино; третье является партнером тау-лептона. В 1960-х годах Швингер сформулировал и проанализировал то, что теперь известно как модель Швингера – квантовую электродинамику в одном пространственном и одном временном измерении, первый пример теории конфайнмента. Он также первым предложил электрослабую калибровочную теорию, калибровочную группу которой спонтанно нарушают до электромагнитной на больших расстояниях. Его ученик Шелдон Глэшоу развил эту идею в общепринятую модель электрослабого объединения. Он попытался сформулировать теорию квантовой электродинамики с точечными магнитными монополями, программа, которая имела ограниченный успех, поскольку монополи сильно взаимодействуют, когда квант заряда мал. Швингер, руководивший 73 докторскими диссертациями, известен как один из самых плодовитых научных руководителей в физике. Четыре его ученика получили Нобелевские премии: Рой Глаубер, Бенджамин Рой Моттельсон, Шелдон Глэшоу и Уолтер Кон (в области химии). Швингер поддерживал сложные отношения со своими коллегами, поскольку он всегда проводил независимые исследования, отличающиеся от общепринятых тенденций. В частности, Швингер разработал теорию источника – феноменологическую теорию физики элементарных частиц, которая является предшественницей современной эффективной теории поля. Она рассматривает квантовые поля как явления на больших расстояниях и использует вспомогательные «источники», напоминающие токи в классических теориях поля. Теория источника – это математически непротиворечивая теория поля с четко выведенными феноменологическими результатами. Критика со стороны его коллег из Гарварда привела к тому, что Швингер покинул факультет в 1972 году и перешел в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA). Широко распространена история о том, что Стивен Вайнберг, унаследовавший кабинет Швингера в Лайманской лаборатории, обнаружил там пару старых ботинок, с подразумеваемым сообщением: «Думаешь, сможешь их заполнить?». Основываясь на теории источника Швингера, Вайнберг заложил основы эффективной теории поля, которая пользуется большей оценкой среди физиков. Несмотря на инцидент с ботинками, Вайнберг признал, что Швингер вдохновил его. В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и на протяжении всей своей карьеры Швингер продолжал развивать теорию источника и ее различные приложения. После 1989 года Швингер проявил большой интерес к нетрадиционным исследованиям в области холодного ядерного синтеза. Он написал восемь теоретических работ на эту тему. Он вышел из состава Американского физического общества после отказа опубликовать его работы. Он считал, что исследования в области холодного ядерного синтеза подавляются и нарушается академическая свобода. Он писал: «Давление на соответствие огромно. Я испытал это в виде отказов редакторов в публикации представленных статей из-за ядовитой критики анонимных рецензентов. Замена беспристрастной рецензии цензурой станет смертью науки». В своих последних публикациях Швингер предложил теорию сонолюминесценции как долгодействующее квантовое излучательное явление, связанное не с атомами, а с быстро движущимися поверхностями в схлопывающемся пузырьке, где имеются разрывы в диэлектрической проницаемости. Механизм сонолюминесценции, подтвержденный экспериментами, фокусируется на перегретом газе внутри пузырька как источнике света. Швингер совместно с Ричардом Фейнманом и Синичиро Томонагой был удостоен Нобелевской премии по физике в 1965 году за его работу в области квантовой электродинамики (КЭД). Награды и почести Швингера были многочисленны еще до получения Нобелевской премии. Среди них – первая премия имени Альберта Эйнштейна (1951 г.), Национальная медаль науки США (1964 г.), почетные степени доктора наук Университета Пердью (1961 г.) и Гарвардского университета (1962 г.), а также премия Nature of Light Национальной академии наук США (1949 г.). В 1987 году Швингер получил Золотую пластину Американской академии достижений.

After having worked with Oppenheimer, Schwinger's first regular academic appointment was at Purdue University in 1941. While on leave from Purdue, he worked at the MIT Radiation Laboratory instead of at the Los Alamos National Laboratory during World War II. He provided theoretical support for the development of radar. After the war, Schwinger left Purdue for Harvard University, where he taught from 1945 to 1974. In 1966 he became the Eugene Higgins professor of physics at Harvard. Schwinger developed an affinity for Green's functions from his radar work, and he used these methods to formulate quantum field theory in terms of local Green's functions in a relativistically invariant way. This allowed him to calculate unambiguously the first corrections to the electron magnetic moment in quantum electrodynamics. Earlier non covariant work had arrived at infinite answers, but the extra symmetry in his methods allowed Schwinger to isolate the correct finite corrections. Schwinger developed renormalization, formulating quantum electrodynamics unambiguously to one loop order. In the same era, he introduced non perturbative methods into quantum field theory, by calculating the rate at which electron–positron pairs are created by tunneling in an electric field, a process now known as the "Schwinger effect." This effect could not be seen in any finite order in perturbation theory. Schwinger's foundational work on quantum field theory constructed the modern framework of field correlation functions and their equations of motion. His approach started with a quantum action and allowed bosons and fermions to be treated equally for the first time, using a differential form of Grassman integration. He gave elegant proofs for the spin statistics theorem and the CPT theorem, and noted that the field algebra led to anomalous Schwinger terms in various classical identities, because of short distance singularities. These were foundational results in field theory, instrumental for the proper understanding of anomalies. In other notable early work, Rarita and Schwinger formulated the abstract Pauli and Fierz theory of the spin 3/2 field in a concrete form, as a vector of Dirac spinors, Rarita–Schwinger equation. In order for the spin 3/2 field to interact consistently, some form of supersymmetry is required, and Schwinger later regretted that he had not followed up on this work far enough to discover supersymmetry. Schwinger discovered that neutrinos come in multiple varieties, one for the electron and one for the muon. Nowadays there are known to be three light neutrinos; the third is the partner of the tau lepton. In the 1960s, Schwinger formulated and analyzed what is now known as the Schwinger model, quantum electrodynamics in one space and one time dimension, the first example of a confining theory. He was also the first to suggest an electroweak gauge theory, an gauge group spontaneously broken to electromagnetic at long distances. This was extended by his student Sheldon Glashow into the accepted pattern of electroweak unification. He attempted to formulate a theory of quantum electrodynamics with point magnetic monopoles, a program which met with limited success because monopoles are strongly interacting when the quantum of charge is small. Having supervised 73 doctoral dissertations, Schwinger is known as one of the most prolific graduate advisors in physics. Four of his students won Nobel prizes: Roy Glauber, Benjamin Roy Mottelson, Sheldon Glashow and Walter Kohn (in chemistry). Schwinger had a mixed relationship with his colleagues, because he always pursued independent research, different from mainstream fashion. In particular, Schwinger developed the source theory, a phenomenological theory for the physics of elementary particles, which is a predecessor of the modern effective field theory. It treats quantum fields as long distance phenomena and uses auxiliary 'sources' that resemble currents in classical field theories. The source theory is a mathematically consistent field theory with clearly derived phenomenological results. The criticisms by his Harvard colleagues led Schwinger to leave the faculty in 1972 for UCLA. It is a story widely told that Steven Weinberg, who inherited Schwinger's paneled office in Lyman Laboratory, there found a pair of old shoes, with the implied message, "think you can fill these?" Based on Schwinger's source theory, Weinberg set the underpinnings of the effective field theory, that is more appreciated among physicists. In spite of the shoes incident, Weinberg gave the credit to Schwinger for the inspiration. At UCLA, and for the rest of his career, Schwinger continued to develop the source theory and its various applications. After 1989 Schwinger took a keen interest in the non mainstream research of cold fusion. He wrote eight theory papers about it. He resigned from the American Physical Society after their refusal to publish his papers. He felt that cold fusion research was being suppressed and academic freedom violated. He wrote, "The pressure for conformity is enormous. I have experienced it in editors' rejection of submitted papers, based on venomous criticism of anonymous referees. The replacement of impartial reviewing by censorship will be the death of science." In his last publications, Schwinger proposed a theory of sonoluminescence as a long distance quantum radiative phenomenon associated not with atoms, but with fast moving surfaces in the collapsing bubble, where there are discontinuities in the dielectric constant. The mechanism of sonoluminescence now supported by experiments focuses on superheated gas inside the bubble as the source of the light. Schwinger was jointly awarded the Nobel Prize in Physics in 1965 for his work on quantum electrodynamics (QED), along with Richard Feynman and Shin'ichirō Tomonaga. Schwinger's awards and honors were numerous even before his Nobel win. They include the first Albert Einstein Award (1951), the U. S. National Medal of Science (1964), honorary D. Sc. degrees from Purdue University (1961) and Harvard University (1962), and the Nature of Light Award of the U. S. National Academy of Sciences (1949). In 1987, Schwinger received the Golden Plate Award of the American Academy of Achievement.

Швингер и Фейнман

Как известного физика, Швингера часто сравнивали с другим легендарным физиком его поколения, Ричардом Фейнманом. Швингер был более склонен к формализму и предпочитал символические преобразования в квантовой теории поля. Он работал с локальными полевыми операторами, находил связи между ними и считал, что физики должны понимать алгебру локальных полей, каким бы парадоксальным это ни было. В отличие от него, Фейнман был более интуитивен и полагал, что физику можно полностью извлечь из диаграмм Фейнмана, которые давали картину частиц. Швингер прокомментировал диаграммы Фейнмана следующим образом:

«Подобно кремниевым чипам последних лет, диаграмма Фейнмана сделала вычисления доступными для широкой публики». Швингер не любил диаграммы Фейнмана, потому что считал, что они заставляют студентов сосредотачиваться на частицах и забывать о локальных полях, что, по его мнению, мешало пониманию. Он даже запретил их использование в своих занятиях, хотя прекрасно их понимал. Однако истинная разница глубже, и Швингер выразил её в следующем отрывке:

В конечном итоге эти идеи привели к лагранжевой или действенной формулировке квантовой механики, которая появилась в двух различных, но связанных формах, которые я различаю как дифференциальную и интегральную. Последняя, возглавляемая Фейнманом, получила широкое освещение в прессе, но я по-прежнему считаю, что дифференциальный подход более общий, более элегантный и более полезный. Несмотря на то, что Швингер и Фейнман разделили Нобелевскую премию, они придерживались разных подходов к квантовой электродинамике и квантовой теории поля в целом. Фейнман использовал регуляризацию, в то время как Швингер смог формально ренормализовать до однопетлевого уровня без явной регуляризации. Швингер верил в формализм локальных полей, а Фейнман – в траектории частиц. Они внимательно следили за работой друг друга и уважали друг друга. После смерти Фейнмана Швингер описал его так:

«Честный человек, выдающийся интуиционист нашего времени и яркий пример того, что может ожидать любого, кто осмелится следовать собственному пути».

Смерть

Швингер умер от рака поджелудочной железы. Он похоронен на кладбище Маунт-Оберн; над его надгробием выгравирована постоянная тонкой структуры, α, а также его имя. Эти символы отсылают к его вычислению поправки ("аномальной") к магнитному моменту электрона.