Введение

Джон Арчибальд Уилер (John Archibald Wheeler; 9 июля 1911 – 13 апреля 2008) – американский физик-теоретик. Он в значительной степени способствовал возрождению интереса к общей теории относительности в Соединенных Штатах после Второй мировой войны. Уилер также работал с Нильсом Бором над объяснением основных принципов ядерного деления. Вместе с Грегори Брейтом Уилер разработал концепцию процесса Брейта — Уилера. Он наиболее известен популяризацией термина «чёрная дыра» и выдвижением гипотезы об «одной электронной вселенной». Стивен Хокинг назвал Уилера «героем истории о чёрных дырах». В 21 год Уилер получил докторскую степень в Университете Джона Хопкинса под руководством Карла Герцфельда. Он учился у Брейта и Бора, получив стипендию Национального исследовательского совета. В 1939 году он сотрудничал с Бором в серии статей, в которых использовалась модель жидкой капли для объяснения механизма деления. Во время Второй мировой войны он работал в Металлургической лаборатории Манхэттенского проекта в Чикаго, где помогал проектировать ядерные реакторы, а затем на объекте в Ханфорде, штат Вашингтон, где помогал компании DuPont их строить. После войны он вернулся в Принстон, но вновь поступил на государственную службу, чтобы помочь в разработке и создании водородной бомбы в начале 1950-х годов. Он и Эдвард Теллер были главными гражданскими сторонниками термоядерного оружия. На протяжении большей части своей карьеры Уилер был профессором физики в Принстонском университете, в котором он работал с 1938 по 1976 год. В Принстоне он руководил 46 аспирантами, больше, чем любой другой профессор физики. Уилер покинул Принстон в возрасте 65 лет. В 1976 году он был назначен директором Центра теоретической физики в Техасском университете в Остине и оставался на этом посту до 1986 года, когда вышел на пенсию и стал профессором эмеритусом.

Ранние годы и образование

Уилер родился в Джексонвилле, штат Флорида, 9 июля 1911 года в семье библиотекарей Джозефа Л. Уилера и Мейбл Арчибальд (Арчи) Уилер. Он был старшим из четырех детей. Его брат Джозеф получил степень доктора философии в Университете Брауна и степень магистра библиотечного дела в Колумбийском университете. Его брат Роберт получил степень доктора геологии в Гарвардском университете и работал геологом в нефтяных компаниях и нескольких колледжах. Его сестра Мэри изучала библиотечное дело в Университете Денвера и стала библиотекарем. Они выросли в Йонгстауне, штат Огайо, но провели год с 1921 по 1922 год на ферме в Бенсоне, штат Вермонт, где Уилер посещал школу в одном классе. Вернувшись в Йонгстаун, он поступил в старшую школу Рейен. После окончания средней школы Балтимора в 1926 году Уилер поступил в Университет Джона Хопкинса со стипендией от штата Мэриленд. Он опубликовал свою первую научную работу в 1930 году, работая летом в Национальном бюро стандартов. Он получил докторскую степень в 1933 году. Его диссертационное исследование, выполненное под руководством Карла Герцфельда, было посвящено "Теории дисперсии и поглощения гелия".

Начало карьеры

Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл присвоил Уилеру должность доцента в 1937 году, но он хотел иметь возможность более тесно сотрудничать со специалистами в области физики частиц. В 1938 году он отклонил предложение занять должность доцента в Университете Джона Хопкинса в пользу должности ассистент-профессора в Принстонском университете. Хотя это была менее престижная должность, он считал, что Принстон, который активно развивал свой физический факультет, был более перспективным выбором для карьеры. Он оставался членом его преподавательского состава до 1976 года. В своей статье 1937 года «О математическом описании легких ядер методом структуры резонирующих групп» Уилер представил S-матрицу – сокращение от матрицы рассеяния – «унитарную матрицу коэффициентов, связывающих асимптотическое поведение произвольного частного решения [интегральных уравнений] с поведением решений стандартной формы». Уилер не стал развивать эту идею, но в 1940-х годах Вернер Гейзенберг превратил идею S-матрицы в важный инструмент в физике элементарных частиц. В 1938 году Уилер присоединился к Эдварду Теллеру в исследовании модели жидкой капли атомного ядра, предложенной Бором; они представили свои результаты на заседании Американского физического общества в Нью-Йорке. Аспирантка Уилера из Чапел-Хилла, Катарине Уэй, также представила статью, которую она дополнила в последующей публикации, подробно описывая, как модель жидкой капли была нестабильна при определенных условиях. Из-за ограничений модели жидкой капли они упустили возможность предсказать ядерное деление. В 1939 году Бор привез в Америку известие об открытии Лизой Майтнер и Отто Фришем деления ядра. Бор рассказал об этом Леону Розенфельду, который сообщил Уилеру. Когда экспериментальные физики изучали деление, они обнаружили необъяснимые результаты. Джордж Плачек спросил Бора, почему уран, казалось, делится как под воздействием очень быстрых, так и очень медленных нейтронов. По пути на встречу с Уилером Бора осенило: деление при низких энергиях вызывается изотопом урана-235, а при высоких энергиях – главным образом гораздо более распространенным изотопом урана-238. Они совместно написали еще две статьи о делении. Их первая статья была опубликована в журнале Physical Review 1 сентября 1939 года, в день вторжения Германии в Польшу, положившего начало Второй мировой войне. Рассуждая о том, что позитроны – это электроны, движущиеся назад во времени, в 1940 году Уилер сформулировал свой постулат об одноэлектронной вселенной: что на самом деле существует только один электрон, постоянно перемещающийся вперед и назад во времени. Его аспиранту Ричарду Фейнману было трудно в это поверить, но идея о том, что позитроны – это электроны, движущиеся назад во времени, его заинтриговала, и Фейнман включил понятие обратимости времени в свои диаграммы Фейнмана.

Манхэттенский проект

Вскоре после японской бомбардировки Перл-Харбора, которая втянула США во Вторую мировую войну, Уилер принял предложение Артура Комптона присоединиться к Металлургической лаборатории Манхэттенского проекта в Чикагском университете. Он переехал туда в январе 1942 года и присоединился к группе Юджина Вигнера, занимавшейся проектированием ядерных реакторов. Он был соавтором статьи с Робертом Ф. Кристи на тему «Цепная реакция чистых делящихся материалов в растворе», которая имела важное значение для процесса очистки плутония. Она была рассекречена в декабре 1955 года. Он дал название нейтронному замедлителю, заменив термин Энрико Ферми «замедлитель». После того как Корпус инженеров армии США взял на себя руководство Манхэттенским проектом, он передал компании DuPont ответственность за детальную разработку и строительство реакторов. Уилер вошел в состав проектной группы DuPont и тесно сотрудничал с ее инженерами, разъезжая между Чикаго и Уилмингтоном, штат Делавэр, где находилась штаб-квартира DuPont. В марте 1943 года он перевез туда свою семью. Задача DuPont заключалась в строительстве не только ядерных реакторов, но и целого комплекса по производству плутония на объекте Ханфорд в штате Вашингтон. По мере продвижения работ Уилер вновь переехал с семьей в июле 1944 года в Ричленд, штат Вашингтон, где работал в научных зданиях, известных как район 300. Но было уже слишком поздно: Джо погиб в октябре 1944 года. «Мы были так близки к созданию ядерного оружия, чтобы положить конец войне, – писал Уилер позже. – Я не мог перестать об этом думать тогда и не перестаю думать об этом сейчас, что война могла закончиться в октябре 1944 года». Джо оставил вдову и дочь Мэри Джо, которая впоследствии вышла замуж за физика Джеймса Хартла.

Водородная бомба

В августе 1945 года Уилер и его семья вернулись в Принстон, где он возобновил свою академическую карьеру. Работая с Фейнманом, он исследовал возможность построения физики на основе частиц, а не полей, и проводил теоретические исследования мюона совместно с Джейме Тиомно, что привело к серии публикаций на эту тему, включая статью 1949 года, в которой Тиомно и Уилер представили "треугольник Тиомно", описывающий различные формы радиоактивного распада. Он также предложил использовать мюоны в качестве ядерного зонда. Эта статья, написанная и распространявшаяся в частном порядке в 1949 году, но опубликованная лишь в 1953 году, послужила стимулом для серии измерений излучения Чанга, испускаемого мюонами. Мюоны являются компонентом космических лучей, и Уилер стал основателем и первым директором Принстонской лаборатории космических лучей, получившей в 1948 году грант в размере 375 000 долларов от Управления военно-морских исследований. В 1946 году Уилер получил стипендию Гуггенхайма, позволившую ему провести 1949–50 учебный год в Париже. В 1949 году Советский Союз испытал устройство "Джо-1", что побудило Соединенные Штаты, под руководством Теллера, приложить все усилия для разработки более мощной водородной бомбы в ответ. Генри Д. Смит, заведующий кафедрой Уилера в Принстоне, попросил его присоединиться к этой работе. Большинство физиков, как и Уилер, стремились восстановить карьеру, прерванную войной, и не желали новых перебоев. Другие испытывали моральные возражения. Среди тех, кто согласился участвовать, были Эмиль Конопински, Маршалл Розенблут, Лотар Нордхайм и Чарльз Кричфилд, но к тому времени в Лос-Аламосской лаборатории уже сформировалась группа опытных специалистов по оружию, возглавляемая Норрисом Брэдбери. Уилер согласился отправиться в Лос-Аламос после беседы с Бором. К нему присоединились два его аспиранта из Принстона, Кен Форд и Джон Толл. В Лос-Аламосе Уилер и его семья переехали в дом на "Банином ряду", который во время войны занимала семья Роберта Оппенгеймера. К 1950 году практической конструкции водородной бомбы не существовало. Расчеты Станислава Улама и других показали, что "Классический супер" Теллера не будет работать. Теллер и Уилер разработали новый проект, известный как "Будильник", но он не являлся полноценным термоядерным оружием. Лишь в январе 1951 года Улам предложил работоспособную конструкцию. В 1951 году Уилер получил разрешение Брэдбери на создание филиала Лос-Аламосской лаборатории в Принстоне, известного как "Проект Маттерхорн", который состоял из двух частей. Matterhorn S (от stellarator, еще одно название, предложенное Уилером), под руководством Лаймана Спитцера, исследовал ядерный синтез как источник энергии. Matterhorn B (бомба), под руководством Уилера, занимался исследованиями ядерного оружия. Старшие ученые не проявляли интереса к проекту и оставались отстраненными, поэтому он укомплектовал его молодыми аспирантами и постдокторантами. Усилия Matterhorn B увенчались успехом ядерного испытания "Ivy Mike" на атолле Эневетак в Тихом океане 1 ноября 1952 года, свидетелем которого стал Уилер. Мощность устройства "Sausage" ("Колбаса") Ivy Mike оценивалась в , что примерно на 30 процентов превышало оценки Matterhorn B. В январе 1953 года Уилер стал участником инцидента, связанного с нарушением безопасности, когда он потерял секретный документ о литии-6 и конструкции водородной бомбы во время ночной поездки на поезде. Это повлекло за собой официальное выговор. Matterhorn B был закрыт, но Matterhorn S продолжает существовать как Принстонская лаборатория физики плазмы.

Позднее академическая карьера

После завершения работы над проектом «Маттерхорн» Уилер возобновил свою академическую карьеру. В статье 1955 года он теоретически исследовал геон – электромагнитную или гравитационную волну, удерживаемую в замкнутой области притяжением собственного поля. Он предложил это название как сокращение от «гравитационно-электромагнитной сущности». Он обнаружил, что наименьший геон представляет собой тор размером с Солнце, но в миллионы раз массивнее. Позже он показал, что геоны нестабильны и саморазрушатся, если когда-либо сформируются.

Геометродинамика

В 1950-х годах Уилер сформулировал геометродинамику – программу физического и онтологического сведения каждого физического явления, такого как гравитация и электромагнетизм, к геометрическим свойствам искривлённого пространства-времени. Его исследования по этой теме были опубликованы в 1957 и 1961 годах. Уилер представлял структуру Вселенной как хаотичную субатомную область квантовых флуктуаций, которую он назвал «квантовой пеной». Его работы в области общей теории относительности включали теорию гравитационного коллапса. Он использовал термин «чёрная дыра» в 1967 году во время выступления в Институте космических исследований Годдарда НАСА (GISS), хотя этот термин употреблялся и ранее в течение десятилетия. Уилер рассказывал, что этот термин ему предложил один из слушателей во время лекции, уставший от того, что Уилер постоянно говорил о «гравитационно полностью коллапсировавшем объекте». Уилер также был пионером в области квантовой гравитации, благодаря разработанному совместно с Брайсом Девиттом уравнению Уилера — Девитта в 1967 году. Позднее Стивен Хокинг описал работу Уилера и Девитта как уравнение, определяющее «волновую функцию Вселенной».

Квантовая информация

Уилер покинул Принстон в 1976 году в возрасте 65 лет. Он был назначен директором Центра теоретической физики в Техасском университете в Остине в 1976 году и оставался на этой должности до 1986 года, когда вышел на пенсию. Миснер, Торн и Войцех Зюрек, все бывшие студенты Уилера, написали:

Эксперимент с отложенным выбором Уилера описывает семейство мысленных экспериментов в квантовой физике, предложенных им, наиболее известные из которых были опубликованы в 1978 и 1984 годах. Эти эксперименты направлены на выяснение, каким образом свет "ощущает" экспериментальную установку, через которую он проходит в эксперименте с двумя щелями, подстраивая свое поведение, чтобы соответствовать определенному состоянию, или же остается в неопределенном состоянии, не являясь ни волной, ни частицей, и реагирует на "вопросы", которые ему задает экспериментальная схема, проявляя себя либо как волна, либо как частица.

Преподавание

Выпускниками Уиллера были Джейкоб Бекенштейн, Хью Эверетт, Ричард Фейнман, Дэвид Хилл, Бей Лок Ху, Джон Р. Клаудер, Чарльз Миснер, Кип Торн, Уильям Унрух, Роберт М. Уолд, Кэтрин Уэй и Артур Уайтман. Уилер уделял преподаванию высокий приоритет и продолжал обучать физике студентов первого и второго курсов, считая, что молодые умы – самые важные. В Принстоне он руководил 46 диссертациями, больше, чем любой другой профессор физики. Уилер написал положительную обзорную статью в поддержку работы Хью Эверетта, переписывался и встречался с Нильсом Бором в Копенгагене, стремясь получить его одобрение подхода Эверетта, и продолжал отстаивать идеи Эверетта даже после отказа Бора. Вместе с Кентом Харрисоном, Кипом Торном и Масами Вакано Уилер написал книгу «Теория гравитации и гравитационный коллапс» (1965). Это привело к созданию объемного учебника по общей теории относительности «Gravitation» (1973), написанного совместно с Миснером и Торном. Его своевременный выход в золотой век общей теории относительности и его полнота сделали его влиятельным учебником по теории относительности для целого поколения. Уилер и Эдвин Ф. Тейлор написали книги «Физика пространства-времени» (1966) и «Исследование чёрных дыр» (1996). Отсылая к концепции «массы без массы» Уилера, сборник статей в честь его 60-летия получил название «Магия без магии: Джон Арчибальд Уилер: сборник эссе, посвященных шестидесятилетию» (1972). Его стиль письма также привлекал внимание пародистов, включая автора под псевдонимом «Джон Арчибальд Уайлер», чью работу с любовью опубликовал журнал по теории относительности.

Противостояние парапсихологии

В 1979 году Уилер выступил перед Американской ассоциацией содействия развитию науки (AAAS) с просьбой исключить парапсихологию, которая была принята в ассоциацию десять лет назад по просьбе Маргарет Мид. Он назвал её лженаукой, отметив, что не возражает против серьёзных исследований в этой области, но полагал, что "аура легитимности", связанная с членством в AAAS, должна быть сохранена до тех пор, пока не будут продемонстрированы убедительные доказательства хотя бы нескольких так называемых пси-эффектов. Во время сессии вопросов и ответов после его доклада "Не сознание, а различие между наблюдателем и наблюдаемым как центральный элемент элементарного квантового акта наблюдения", Уилер ошибочно заявил, что Дж. Б. Райн совершил научное мошенничество во время учебы, за что впоследствии принёс свои извинения в письме, опубликованном в журнале Science. Его просьба была отклонена, и Парапсихологическая ассоциация сохранила свой статус члена AAAS.

Личная жизнь

72 года Уилер был женат на Джанет Хегнер, учительнице и социальном работнике. Они обручились на третьем свидании, но договорились отложить свадьбу до его возвращения из Европы. Они поженились 10 июня 1935 года, через пять дней после его возвращения. В период Великой депрессии было сложно найти работу. Артур Руарк предложил Уилеру должность ассистента профессора в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле с годовой зарплатой в 2300 долларов, что было меньше, чем 2400 долларов, которые предлагали Джанет за преподавание в школе Рай-Кантри. Хегнер умерла в октябре 2007 года в возрасте 96 лет.

Смерть и наследие

Уиллер был удостоен многочисленных премий и наград, включая премию "Золотая пластина" Американской академии достижений в 1966 году, премию Энрико Ферми в 1968 году, медаль Франклина в 1969 году, премию имени Эйнштейна в 1969 году, Национальную медаль в области науки в 1971 году, международную золотую медаль Нильса Бора в 1982 году, медаль Оерстеда в 1983 году, мемориальную премию имени Дж. Роберта Оппенгеймера в 1984 году и премию Фонда Вольфа в 1997 году.