<<< На главную

Американский физик Джулиус Сеймур Швингер родился 12 февраля 1918 г. в Нью-Йорке и был вторым сыном Бенджамина Швингера и Белл (в девичестве Розенфельд) Швингер. Отец Швингера был модельером и фабрикантом одежды. Не по годам развитый мальчик увлекался чтением научных журналов, технических статей в энциклопедиях и книг по физике в ближайших к дому филиалах публичной библиотеки. В 14-летнем возрасте он заканчивает среднюю школу и поступает в Сити-колледж в Нью-Йорке, где начинает работать над самостоятельными статьями по квантовой механике. Одна из них, опубликованная в журнале «Физикал ревью» («Physical Review»), привлекает внимание И.А. Раби. Раби добивается для Ш. специальной стипендии в Колумбийском университете, и в 1936 г. Ш. заканчивает Колумбийский университет со степенью бакалавра. Свое образование он продолжает в Висконсинском университете в Мэдисоне и в Университете Пердью в качестве стипендиата, а в 1939 г. возвращается в Колумбийский университет, чтобы защитить докторскую диссертацию.

После получения докторской степени Ш. в течение года остается в Колумбийском университете в качестве стипендиата Национального исследовательского совета, а следующий год проводит в качестве ассистента-исследователя в Калифорнийском университете в Беркли. В 1941 г. он переходит в Университет Пердью сначала исследователем, а затем адъюнкт-профессором. В 1943 г. он принимает участие в работе по созданию атомной бомбы в Металлургической лаборатории Чикагского университета, функционировавшей под эгидой Манхэттенского проекта, а затем в том же году переходит в Массачусетский технологический институт, где включается в исследования по усовершенствованию радарных систем. После войны он становится адъюнкт-профессором, затем с 1916 г. полным (действительным) профессором физики Гарвардского университета. С 1973 г. Ш. – профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Выдающиеся достижения в теоретической физике, за которые ему была присуждена Нобелевская премия, закладывались еще тогда, когда он проявил интерес к фундаментальной природе материи. В результате проведенных исследований ему удалось в конечном счете объединить две наиболее важные теории физики XX в.: квантовую механику и специальную теорию относительности. Квантовая механика берет начало из радикальной идеи Макса Планка, выдвинутой им в 1900 г., согласно которой энергия излучения состоит из дискретных порций (квантов). Квантовая механика была сформулирована в начале 20-х гг. в попытке объяснения структуры атома. В 1905 г. специальная теория относительности Альберта Эйнштейна доказала среди прочего эквивалентность массы и энергии – их взаимную превращаемость.

В 1927 г. П.А.М. Дирак воспользовался квантовой механикой и специальной теорией относительности, чтобы записать соотношение между электронами (формой материи) и электромагнитным излучением (формой энергии, включающей в себя свет) в своей теории квантовой электродинамики. Согласно теории Дирака, квант электромагнитной энергии (так называемый фотон), обладающий достаточной энергией, может «материализоваться» в электрон и ранее неизвестную частицу – позитрон. Последняя представляет собой аналог электрона в антиматерии (с той же массой, но с противоположным электрическим зарядом и другими свойствами). Аналогично при столкновении электрона и позитрона они могут аннигилировать, и из их массы рождается фотон энергии. Работа Дирака позволила более полно понять взаимодействие между электрически заряженными частицами и между частицами и полями. Например, два соседних электрона взаимодействуют, обмениваясь серией фотонов. Сила реакции, действующая на каждый электрон (отдача), когда он испускает фотон, и сообщаемый ему импульс при поглощении фотона объясняют электромагнитное отталкивание между частицами, несущими однотипный электрический заряд, которое стремится развести их друг с другом. Поскольку обменные фотоны весьма короткоживущи и не могут быть обнаружены непосредственно, их называют виртуальными частицами.

Согласно принципу неопределенности, сформулированному в 1927 г. Вернером Гейзенбергом, максимальная энергия частицы обратно пропорциональна времени, отпущенному природой для ее измерения. Виртуальные фотоны существуют столь непродолжительное время, что их энергии могут быть очень большими. Кроме того, когда взаимодействующие электроны сближаются, время жизни виртуальных фотонов становится еще короче, а предел возможных значений энергии повышается еще больше. Когда отдельный электрон испускает, а затем поглощает виртуальный фотон, время жизни фотона стремится к нулю; следовательно, допустимые значения энергии и эквивалентная им масса стремятся к бесконечности.

К тому времени, когда Ш. начал свою деятельность, физики осознали одну локальную абсурдность в теории Дирака. Эта теория предсказывала, что каждый электрон обладает и бесконечной массой, и бесконечным электрическим зарядом. А поскольку было известно, что масса и заряд электрона не только конечны, но и очень малы, ложность такого предсказания была очевидна. Хотя эти бесконечности, или расходимости, были непонятны, для многих целей ими можно было пренебречь (и действительно пренебрегали), и теория Дирака точно предсказывала исходы многих экспериментов.

В 1947 г. Уиллис Ю. Лэмб и Роберт Резерфорд экспериментально установили, что один энергетический уровень электрона в атоме водорода слегка сдвинут относительно значения, предсказанного Дираком. Примерно тогда же Поликарп Куш и несколько его коллег из Колумбийского университета обнаружили, что магнитный момент электрона слегка отличается от предсказанного значения.

Чтобы устранить эти расхождения, Ш. и Синъитиро Томонага, работая независимо друг от друга, подвергли квантовую электродинамику критическому пересмотру.

Вместо игнорирования заведомо бесконечных значений массы и заряда электрона Ш. и Томонага воспользовались этими расходимостями. По их представлению, измеренная масса электрона должна состоять из двух компонент: истинной массы электрона и массы, связанной с облаком виртуальных фотонов (и других виртуальных частиц), которые электрон постоянно испускает и снова поглощает. Бесконечная масса облака фотонов и бесконечная, но отрицательная масса электрона почти компенсируют друг друга, оставляя небольшой конечный остаток, который и соответствует измеренной массе. Чтобы разрешить загадку бесконечного заряда электрона, Ш. и Томонага постулировали существование бесконечно большого отрицательного голого заряда, притягивающего положительно заряженное облако виртуальных частиц, которые экранируют почти весь отрицательный заряд. Экспериментально наблюдаемому значению соответствует конечный нескомпенсированный остаток отрицательного голого заряда.

Предложенная Ш. и Томонагой процедура (математический метод, получивший название перенормировки) служит надежной концептуальной основой квантовой электродинамики. Исключая одни бесконечности, она вводит другие, например бесконечные отрицательные массы. Но поскольку электрон не может быть выделен из облака виртуальных частиц, бесконечная масса и бесконечный заряд голого электрона никогда не наблюдаются. Именно поэтому, как подчеркивали Ш. и Томонага, единственными измеримыми величинами при перенормировке являются конечные положительные массы. Перенормировка перестала быть спорной или сомнительной теорией: она была проверена экспериментально, и ее предсказания оказались в согласии с результатами измерений.

Работая примерно в то же время независимо от Ш. и Томонаги, Ричард Ф. Фейнман избрал совершенно иной, но столь же фундаментальный подход к построению квантовой электродинамики. Он рассматривал концы траектории, по которой следовала частица, и относительные вероятности возможных взаимодействий, которые частица могла претерпевать «по дороге». Суммирование различных вероятностей позволяет описывать эти взаимодействия. Хотя возникающие при таком суммировании ряды иногда имеют необычайно сложную структуру, Фейнман предложил квантово-электродинамические правила, позволяющие представить взаимодействия в виде простых и изящных графических схем, известных ныне под названием диаграмм Фейнмана. Они оказались мощным и удобным средством решения задач квантовой электродинамики.

В 1965 г. Ш., Фейнман и Томонага были удостоены Нобелевской премии по физике за «фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». В Нобелевской лекции Ш. коснулся вопроса о распространении своих работ на другие области физики: «Эксперимент обнаруживает все большее число и разнообразие нестабильных частиц... Разумеется, мы надеемся, что вся эта поразительная сложность – не более чем динамическое проявление некоторого концептуально более простого субстрата... Понятие релятивистского поля является конкретной реализацией этой общей тенденции, направленной на поиск новых концепций материи».

Помимо работ по квантовой электродинамике, Ш. внес важный вклад в развитие ядерной физики и электродинамики (теории волноводов). Например, в 1957 г. он высказал гипотезу, согласно которой нейтрино (безмассовая частица, предсказанная Энрико Ферми, который предложил и ее название) должно существовать в двух формах: одной, связанной с электроном (электронное нейтрино), и другой, связанной с более тяжелой частицей, которая называется мюоном (мюонное нейтрино). Оба нейтрино были впервые обнаружены в 60-х гг. В последующие годы Ш. выполнил множество работ по теоретической физике элементарных частиц, следуя своему собственному уникальному подходу.

В 1947 г. Ш. женился на Кларис Кэррол. Детей у супругов Швингер не было.

Кроме Нобелевской премии, Ш. был удостоен Университетской медали Колумбийского университета (1951), премии Альберта Эйнштейна Мемориального фонда Льюиса и Розы Страусе (1951) и национальной медали «За научные достижения» Национального научного фонда (1964). Он почетный доктор университетов Пердью, Гарварда, Брандейса и Колумбии. Ш. является членом американской Национальной академии наук, Американского физического общества, Нью-Йоркской академии наук, а также Американской ассоциации фундаментальных наук и Американской академии наук и искусств.

Ш. умер 16 августа 1994 г.

Ранее опубликовано:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.

© The H.W. Wilson Company, 1987.

© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.

<<< На главную