Введение
Джон Кларк Слейтер (22 декабря 1900 – 25 июля 1976) – американский физик, внесший значительный вклад в теорию электронной структуры атомов, молекул и твердых тел. Он также сделал важные открытия в области микроволновой электроники. Его научная автобиография и три интервью отражают его взгляды на научные исследования, образование и роль науки в обществе. Слейтер многократно номинировался на Нобелевскую премию как по физике, так и по химии, и в 1970 году был удостоен Национальной медали науки. В 1964 году Слейтер и его отец, которому на тот момент было 92 года и который много лет возглавлял кафедру английского языка в Рочестерском университете, были награждены почетными степенями этого университета. Имя Слейтера увековечено в терминах теории Бора — Крамерса — Слейтера, детерминанта Слейтера и орбитали Слейтера.
John Clarke Slater (December 22, 1900 – July 25, 1976) was an American physicist who advanced the theory of the electronic structure of atoms, molecules and solids. He also made major contributions to microwave electronics. His scientific autobiography and three interviews present his views on research, education and the role of science in society. Slater was nominated for the Nobel Prize, in both physics and chemistry, multiple times, and he received the National Medal of Science in 1970. In 1964, Slater and his then 92 year old father, who had headed the Department of English at the University of Rochester many years earlier, were awarded honorary degrees by that university. Slater's name is part of the terms Bohr Kramers Slater theory, Slater determinant and Slater orbital.
Ранние годы и образование
Отец Слейтера, родившийся в Вирджинии и получивший образование в Гарварде, стал заведующим кафедрой английского языка в Университете Рочестера, который также стал альма-матер Слейтера. В юности Слейтера интересовали механика, химия и электричество. Поступив в Университет Рочестера в 1917 году, он изучал физику, а на последнем курсе ассистировал в физической лаборатории и выполнил свое первое самостоятельное исследование для специальной дипломной работы – измерение зависимости интенсивности линий Балмера водорода от давления. Он был принят в аспирантуру Гарварда с возможностью выбора стипендии или должности ассистента. Он выбрал должность ассистента и работал под руководством Перси У. Бриджмана. Он посещал курсы Бриджмана по фундаментальной физике и познакомился с новой квантовой физикой благодаря курсам Э. К. Кембла. Он завершил работу над докторской диссертацией за три года, опубликовав в 1924 году статью «Сжимаемость галогенидов щелочных металлов», в которой были изложены результаты диссертационного исследования, выполненного под руководством Бриджмана. Его сердце лежало к теории, и его первой публикацией стала не докторская диссертация, а заметка (1924) в журнале Nature о радиации и атомах. Получив степень доктора философии, Слейтер получил стипендию Хамарда Шелдона для обучения в Европе. Он некоторое время провел в Кембридже (Англия), прежде чем отправиться в Копенгаген. Работа с Бором не принесла ему удовлетворения, поскольку он находил Бора властным и сожалел о том, что его имя связано с неудачной теорией Бора — Крамерса — Слейтера (BKS). У Слейтера уже была идея о том, что именно фотоны переносят энергию излучения. Как он вспоминает: «Бор был очень любезен, он пригласил меня на рождественский ужин, я рассказал ему о своих идеях [о фотонах], он счел их неплохими, но, как вы понимаете, они слишком конкретны. Мы не можем допустить такой точной сохранности. Мы не должны думать о фотонах слишком определенно. Таких фотонов у нас нет». Иными словами, он хотел сделать все максимально расплывчатым. Крамерс всегда был «человеком Бора» и хотел поступить точно так же. Он сказал: «Это хорошая идея, если мы немного ее изменим». Это был последний раз, когда я видел ее. Бор и Крамерс написали статью и предложили мне ее подписать. Письмо в Nature было первым абзацем из этой статьи, и они снова предложили мне подписать его, принять или отказаться. Это был мой опыт работы с господином Бором и господином Крамерсом. С тех пор ситуация сложилась весьма интересно: я оказался прав, а они – нет. Они не осознали этого, пока не появился господин Боте с экспериментом, доказавшим существование фотонов. Так я и не смог найти общий язык с Бором. Я мог бы найти его с Крамерсом, если бы не Бор, но Крамерс полностью играл по его правилам. Однако, имя Слейтера теперь было хорошо известно благодаря его связи с Бором. Вернувшись в Америку, Слейтер присоединился к физическому факультету Гарварда.
Bohr was very nice, he invited me to Christmas dinner, I told him about my [photon] ideas, he felt these were fine, “But, you see, they’re much too definite." Now we cannot have this exact conservation. We must not think too specifically about the photons. We don’t have photons like that.” In other words, he wanted to make the whole thing just as vague as he could. Kramers was always Bohr‘s “yes man” and wanted to do exactly the same thing. He said “This is a fine idea, if we will modify it in such and such ways.” That was the last I saw of it. Bohr and Kramers wrote the paper, they invited me to sign it, the letter to Nature was the first paragraph out of the paper, they invited me to sign it, take it or leave it. This was my experience with Mr. Bohr and Mr. Kramers. Since then, it has developed in a very interesting way, namely, that I was right and they were wrong. They didn’t realize this until Mr. Bothe came along with his experiment showing that the photons were really there. So I completely failed to make connection with Bohr. I could have made connections with Kramers if it hadn’t been for Bohr, but Kramers was completely playing Bohr’s game. On the plus side, Slater's name was now well known by association with Bohr. On returning to America, Slater joined the Harvard Physics Department.
Председатель кафедры физики в МТИ
Когда он стал президентом MIT, Карл Комптон "привлекал" Слейтера к должности заведующего кафедрой физики. "Административная работа (кафедры) занимала много времени, больше, чем он (Слейтер) предпочитал бы. Джон был хорошим заведующим". Проследите рост и известность кафедры под руководством Слейтера до Второй мировой войны и ее вклад в оборону во время войны. Первые две цитаты взяты из глав, написанных Комптоном в последующих отчетах. Остальные цитаты взяты из разделов об кафедре, написанных Слейтером. Они включают утверждения, касающиеся политики в области физического образования и исследований в целом, и демонстрируют его глубокую приверженность обоим. 1930: "Выбор доктора Джона С. Слейтера в качестве главы (физической) кафедры укрепит работу с бакалаврами и аспирантами. Ограниченность пространства замедляла развитие аспирантуры. Общее число студентов бакалавриата – 53, аспирантов – 16." (с. 21)
1931: "Это был первый год работы кафедры под руководством ее нового заведующего, профессора Джона Слейтера. Активно исследуемые темы включают: спектроскопию, прикладную оптику, разряды электричества в газах, магнитооптические явления, исследования диэлектриков и различные аспекты современной и классической теоретической физики." (с. 42)
1932: В списке публикаций преподавателей MIT статьи 293–340 перечислены в разделе "Кафедра физики". (с. 206–208)
1933: "Лаборатория исследований Джорджа Истмана, в которую кафедра переехала в начале года, впервые предоставляет подходящее место для физических исследований в Институте". Слейтер отмечает, что о внешней оценке свидетельствует то, что обладатели шести национальных, международной и исследовательской стипендии Рокфеллера выбрали кафедру для работы. Слейтер описывает открытие лаборатории, проведение встреч Международного астрономического союза, Американского физического общества и конференции по спектроскопии и завершает: "В целом год прошел в удовлетворительных рабочих условиях после более сложного перехода в предыдущем году." (с. 96–98)
1934: "Были сделаны или запланированы несколько важных улучшений в обучении студентов бакалавриата". Среди "самых заметных событий" на кафедре "мы были хозяевами" встреч Национальной академии наук, Американской ассоциации содействия развитию науки, Американского физического общества и национальной конференции по спектроскопии, где "основной темой была связь с биологией и смежными областями". Достижения в исследованиях были достигнуты благодаря "необычным возможностям" на кафедре и включают работы Уоррена по структуре жидкостей, Мюллера по диэлектрическим свойствам, Стокбаргера по физике кристаллов, Харрисона по автоматизации спектроскопических измерений, Вулфа по сверхтонкой структуре, Бойса по спектрам туманностей, Ван дер Грааффа по высоким напряжениям и ядерным исследованиям, а также Страттона и Морзе по эллипсоидальным волновым функциям. (с. 104–106)
1935: Значительное внимание уделяется существенным улучшениям в обучении студентов бакалавриата. В обширных комментариях к исследованиям упоминается прибытие Робли Эванса и его работа в новой для кафедры области – радиоактивности, с особым вниманием к ядерной медицине. (с. 102–103)
1936: "Самым важным событием года на кафедре стало растущее признание значимости прикладной физики. В прошлом физики, как правило, интересовались только прямым развитием своей науки и пренебрегали ее применением". Слейтер подробно развивает эту тему и описывает действия, предпринятые в рамках бакалавриата, аспирантуры и преподавательской работы кафедры, а также на национальном уровне, для развития прикладной физики. Описание процветающих фундаментальных исследований охватывает десять различных областей, включая рост работы по радиоактивности. (с. 131–134)
1937–1941: Они продолжаются в том же духе. Но мировые события начинают оказывать влияние. В отчете за 1941 год говорится: "В рентгеновском отделении в качестве гостя побывала профессор Роуз К. Л. Муни из Ньюкомбского колледжа, которой война помешала проводить исследования в Европе по стипендии Гуггенхайма. Предположительно, в следующем году усилия будут значительно активизированы, хотя надеются, что это не слишком сильно повлияет на регулярные исследования и обучение." (с. 129)
1942: Это была совсем другая история. Усилия по обороне начали "требовать значительного количества персонала, а также большой объем административной работы. С открытием Лаборатории радиации Комитета по исследованиям национальной обороны в Институте ряд сотрудников кафедры стали сотрудничать с этой лабораторией", за которым следовал список из более чем 10 старших преподавателей, а также несколько человек, перешедших на другие оборонные проекты. (с. 110–111)
1943–1945: Слейтер ушел с должности заведующего кафедрой, чтобы работать над важными темами в области радиолокации. Американское математическое общество избрало его лектором имени Джозайи Уилларда Гиббса на 1945 год. 1946: Слейтер вернулся на должность заведующего кафедрой. Он начинает свой отчет: "Год перестройки с войны на мир был одним из самых активных. Физика во время войны достигла важности, которой, вероятно, никогда не достигала ни одна другая наука. Институт, как ведущее техническое учреждение страны и, вероятно, мира, должен иметь физический факультет, не имеющий себе равных нигде." Он перечисляет планы по достижению этой цели, которые увеличивают его административную ответственность. (с. 133–143)
Создание межведомственных лабораторий путем реструктуризации существующих лабораторий, используя в качестве модели преобразование Лаборатории радиации в Исследовательскую лабораторию электроники (RLE) Джулиусом Страттоном и Альбертом Хиллом. Финансирование ассистентов и содействие формированию роли государственного финансирования в беспрецедентном масштабе. Контроль за Радиоактивным центром Робли Эванса (включающим циклотрон) и Высоковольтной лабораторией Ван дер Грааффа. Привлечение физиков, знакомых с Манхэттенским проектом, для создания Лаборатории ядерной науки и техники. Ею руководил Джерольд Захариас. В ее первые ряды вошли Бруно Росси и Виктор Вайскопф. Создание Акустической лаборатории под руководством Ричарда Болта и Спектроскопической лаборатории под руководством химика Ричарда Лорда. 1947: С набором персонала и строительством лабораторий, которые идут полным ходом, Слейтер начинает: "Год на физическом факультете, как и во всем Институте, был посвящен началу масштабного обучения вернувшихся ветеранов и других студентов, чья учеба была прервана войной." Он продолжает обсуждать потребности студентов во всем Институте в курсах и лабораториях по физике, с особым упоминанием о росте электроники и ядерной науки, и кратко сообщает о развитии, последовавшем за его предыдущим отчетом. (с. 139–141)
1948: Слейтер начинает: "Текущий год – первый с начала войны, когда кафедра приблизилась к нормальной работе. Никаких новых крупных проектов или изменений в политике не было введено." Но кафедра, которую он создал, сильно отличается от той, с которой он начал. Было выдано 16 магистерских и 47 докторских степеней. Двадцать пять докторов наук получили должности в MIT и других университетах. Исследования процветали, и многие ученые посещали европейские и другие университеты США. (с. 141–143)
1949: Новая "нормальность" продолжалась. "Возвращение к устойчивому послевоенному состоянию продолжалось без каких-либо необычных событий." Учебный план для аспирантов был пересмотрен и расширены исследования в области криогеники. Продолжающийся рост штата, исследовательских грантов, контактов с промышленностью и объема публикаций рассматриваются как вопросы преемственности, признавая в конце, что...
1931: "This has been the first year of the Department in charge of its new Head, Professor John C. Slater the subjects actively (researched include) Spectroscopy, Applied Optics, Discharge of Electricity in Gases, Magneto Optical Phenomena, Studies of Dielectrics, and various aspects of modern and classical theoretical physics." (p. 42)
1932: In the list of papers published by MIT faculty, items 293 to 340 are listed under Department of Physics. (p. 206 208)
1933: "The George Eastman Research Laboratory, into which the Department moved at the beginning of the year, provides for the first time a suitable home for research in Physics at the Institute". Slater states that outside recognition is shown by holders of six National, an International, and a Rockefeller Research Fellowship choosing to come to the department. Slater describes the dedication of the Laboratory, the hosting of meetings of the International Astronomical Union, the American Physical Society, and a Spectroscopic conference, and ends: "In general the year has been one of settling down to work under satisfactory conditions, after the more difficult transition of the preceding year." (p. 96 98)
1934: "A number of advances in undergraduate teaching have been made or planned." Among the "most conspicuous events" in the department, "we acted as host" to meetings of the National Academy of Sciences, the American Association for the Advancement of Science, the American Physical Society, and a national Spectroscopic Conference, where "the main topic was relation to biology and related fields." Advances in research have been "taking advantage of the unusual facilities" in the department, and include the work of Warren on structure of liquids, Mueller on dielectric properties, Stockbarger on crystal physics, Harrison on automating spectroscopic measurement, Wulff on hyperfine structure, Boyce on spectra of nebulae, Van der Graaff on high voltage and nuclear research, and Stratton and Morse on ellipsoidal wave functions. (p. 104 106)
1935: Considerable attention is given to major improvements in undergraduate teaching. The extensive comments on research mention the arrival of Robley Evans and his work on a field new to the department—radioactivity, with special attention to nuclear medicine. (p. 102 103)
1936: "The most important development of the year in the Department has been the growing recognition of the significance of applied physics. There has been a tendency in the past among physicists to take interest only in the direct line of development of their science, and to neglect its applications." Slater develops this theme at length, and describes actions within the undergraduate, graduate and faculty work of the department and at the national level to develop Applied Physics. The description of the flourishing basic research refers to ten different areas, including the upsurge in work on radioactivity. (p. 131 134). 1937 to 1941: These continue in the same vein. But world affairs begin to impact. The 1941 report ends: "The X ray branch had as a guest Professor Rose C. L. Mooney of Newcomb College, who was prevented by the war from carrying on research in Europe under a Guggenheim Fellowship As the year ends, the National Defense effort is beginning to claim the services of a number of staff members. Presumably the coming year will see a large intensification of the effort, though it is hoped that the interference with the regular research and teaching will not be too severe." (p. 129)
1942: This told a very different story. The defense effort had begun to "involve a considerable number of personnel, as well as a good deal of administrative work. With the opening of the Radiation Laboratory of the National Defense Research Committee at the Institute, a number of members of the Department's staff have become associated with that laboratory" followed by a list of over 10 senior faculty who had, and several more gone to other defense projects. (p. 110 111)
1943 to 1945: Slater took leave of absence as chair, to work on topics of importance in radar. The American Mathematical Society selected him as the Josiah Willards Gibbs lecturer for 1945. 1946: Slater had returned as chair. He starts his report: "The year of reconversion from war to peace has been one of the very greatest activity. Physics during the war achieved an importance which has probably never before been attained by any other science. The Institute, as the leading technical institution of the country and probably the world, should properly have a physics department unequaled anywhere." He lists plans to meet this objective, that proliferate his administrative responsibilities. (p. 133 143)
Setting up interdepartmental laboratories, by restructuring existing laboratories using, as a model, the conversion of the Radiation Laboratory into the Research Laboratory of Electronics (RLE) by Julius Stratton and Albert Hill. Financing student assistantships and helping shape the role of government financing on an unprecedented scale. Overseeing Robley Evans' Radioactivity Center (containing a cyclotron) and Van de Graaff's High Voltage Laboratory. Recruiting physicists familiar with the Manhattan project to build the Laboratory for Nuclear Science and Engineering. This was directed by Jerrold Zacharias. Its first members included Bruno Rossi and Victor Weisskopf. Setting up the Acoustics Laboratory, directed by Richard Bolt, and the Spectroscopy Laboratory directed by the chemist Richard Lord. 1947: With the hiring of staff and building of laboratories well in hand, Slater begins: "The year in the Physics Department, as in the rest of the Institute, was one of starting the large scale teaching of returned veterans and other students whose academic careers had been interrupted by the war." He goes on to discuss the needs of students, in the entire Institute, for Physics courses and laboratories, with particular mention of the upsurge in electronics and nuclear science, and he reports briefly on the developments following from his previous report. (p. 139 141)
1948: Slater begins "The current year is the first since the war in which the department has approached normal operation. No new major projects or changes of policy have been introduced." But the department that he has built is vastly different from what it was when he started. Sixteen master's degrees and 47 doctor's degrees were granted. Twenty five Ph. D. recipients got academic appointments in MIT and other universities. Research flourished, and many scientists visited from European universities and elsewhere in the U. S. (p. 141 143)
1949: The new styled 'normalcy' continued. "The approach to a steady postwar state continued with few unusual occurrences." The graduate curriculum has been revised and cryogenics enhanced. The continued growth of staff, research grants, industrial contacts and volume of publication are treated as matters of continuity, recognizing at the end, that: "The administrative load of the department has grown so much (it became) wise to appoint an executive officer". Nathaniel Frank, who had worked with John Slater for nearly two decades accepted the post. (p. 149 153)
1950: The future of the department had been set. There were "few unexpected changes". And with the continued growth, "almost every research project in the Department has concerned itself with undergraduate research". (p. 189 191)
1951: Jay Stratton writes "Professor John C. Slater resigned as Head of the Department of Physics and has been appointed Harry B. Higgins Professor of the Solid State, the first appointment which will carry the title Institute Professor. Professor Slater has been granted a leave of absence for the coming year to carry on research at Brookhaven National Laboratory." (p. 30)
Throughout his Chairmanship, Slater taught, wrote books, produced ideas of major scientific importance, and interacted with colleagues throughout the local, national and international scientific communities. At the personal level, Morse states: "Through most of (the 1930s) he looked more like an undergraduate than a department head he could render his guests weak with laughter simply by counting in Danish."
Дальнейшая деятельность Слейтера в МТИ в это время
В 1962 году в докладе президента Джей Страттон писал (на стр. 17): «Комитет преподавателей под председательством профессора Джона С. Слейтера взял на себя основную ответственность за планирование помещений в новом Центре материалов. В их числе – новая совместная вычислительная лаборатория, завершенная в этом году и оснащенная компьютером I.B.M. 709». Центр был создан в соответствии с планами Слейтера. Он «поддерживал исследования и преподавание в области металлургии и материаловедения, электротехники, физики, химии и химической инженерии», но в том же году штат CMSE насчитывал 55 профессоров и 179 аспирантов, возглавляемых Слейтером, Костером, Вудом и Барнеттом, (2) группу специалистов по автоматизированному проектированию в составе Росса, Кунса и Манна, (3) членов Лаборатории ядерных наук, (4) Чарни и Филлипса, занимавшихся теоретической метеорологией, и (5) Симпсона и Мэддена, работавших в области геофизики (из доклада президента за 1964 год, стр. 336–337). Слейтер умер на острове Саннибель-Айленд во Флориде в 1976 году.
Как педагог и консультант
Забота Слейтера о других людях иллюстрируется диалогом, который приводит Ричард Фейнман. Это произошло в конце обучения Фейнмана в бакалавриате в MIT, когда он хотел остаться для получения степени доктора философии. "Когда я пришел к профессору Слейтеру и сообщил ему о своих намерениях, он сказал: «Мы не хотим, чтобы вы здесь учились». – «Что?» – спросил я. Слейтер ответил: «Почему ты считаешь, что должен поступать в аспирантуру в MIT?» – «Потому что это лучшая школа в стране для изучения науки». – «Вот почему тебе следует пойти в другую школу. Тебе нужно узнать, как устроен мир за пределами этого места». Так я и поступил в Принстон. Слейтер был прав. И я часто даю своим студентам тот же совет: узнайте, как выглядит остальной мир. Это разнообразие того стоит."
Резюме
Из мемуаров Филиппа Морса: "Он внес значительный вклад в начало квантовой революции в физике, будучи одним из очень немногих американских физиков, прошедших обучение в США, кто это сделал. Его особенность заключалась в том, что он продолжал исследовать атомную, молекулярную и физику твердого тела, в то время как многих его коллег война вынудила или новизна соблазнила переключиться на изучение ядерной физики". Можно сказать, что вклад Джона С. Слейтера и его учеников в SSMTG и Проект квантовой теории заложил основы приближения теории функциональной плотности в квантовой теории. Работы Слейтера были переданы его вдовой, Роуз Муни Слейтер, в Американское философское общество в 1980 и 1982 годах. В августе 2003 года Альфред Свитендик передал в дар коллекцию ежеквартальных отчетов Группы теории твердого тела и молекулярной теории MIT (SSMTG) за период с 1951 по 1965 год.