EN

Юлиан Швингер — неустранимая особенность

В этом году исполнилось 100 лет со дня рождения Юлиана Швингера — одного из наиболее выдающихся физиков 20 века, удостоенного Нобелевской премии 1965 года «За фундаментальный вклад в квантовую электродинамику, имеющий важное значение для физики элементарных частиц». Эту премию Швингер разделил с Р. Фейнманом и С. Томонагой. Однако если имя Фейнмана широко известно, то Швингера, как это ни странно, знают гораздо меньше (с Томонагой все понятно — он японец). Конечно, барабан, на котором играл Фейнман, издает более громкие звуки, чем рояль, на котором играл Швингер, но это, по-видимому, не самое главное. Почему-то бытует точка зрения, что Швингер был типичным ученым-одиночкой со странностями, например, любил работать по ночам. В связи с этим его иногда сравнивают с Полем Дираком, что неверно. Хотя в судьбе обоих ученых есть одна общая деталь: во время войны эти типичные теоретики работали по оборонной тематике. Чтобы найти ответ на вопрос: «Кто Вы, доктор Швингер?», лучше всего обратиться к самым свежим воспоминаниям его учеников и коллег, поскольку с течением времени остается меньше причин умалчивать некоторые факты.

Бывшие ученики Швингера собрались в Джефферсоновской лаборатории Гарварда, чтобы вспомнить своего наставника, в понедельник, 12 февраля (100 лет спустя после его рождения). Краткий отчет о мероприятии был опубликован в многотиражке Harvard Magazine https://harvardmagazine.com/2018/02/julian-schwinger. На заседании присутствовали три Нобелевских лауреата: Рой Глаубер, Шелдон Ли Глэшоу и Уолтер Гилберт. Глаубер и Глэшоу были аспирантами Швингера, а Гилберт — его ассистентом. Двое из аспирантов Швингера, получивших Нобелевские премии, Бен Рой Моттельсон и Уолтер Кон, отсутствовали. Кон по уважительной причине: он скончался в 2016 году.

Таким образом, Юлиан Швингер подготовил как научный руководитель четырех Нобелевских лауреатов. Столько же, сколько и Энрико Ферми. Среди теоретиков больше учеников (пять), удостоившихся этой премии, было только у Арнольда Зоммерфельда.

Председательствующий, проф. Говард Джорджи (модель Джорджи —Глэшоу), в своем вступительном слове вспоминал великолепные лекции своего учителя, при чтении которых он полностью контролировал как материал, так и аудиторию. Из состоявшейся дискуссии стало ясно: ее участники думают, что Швингер был сингулярностью (it was clear that they thought Schwinger was a singularity).

Действительно, он был явным вундеркиндом, поступил в университет в 16 лет. И тут Швингеру очень повезло: на талантливого молодого человека обратил внимание Исидор Раби (Нобелевский лауреат 1944 года), который и стал его научным руководителем. Раби тогда занимался ядерной физикой, поэтому первые работы Швингера были посвящены именно этой проблематике. В частности, он первым определил спин нейтрона: «On the Spin of the Neutron», Julian Schwinger, Phys. Rev. 52, 1250 (1937), Published 15 December 1937. Материал для диссертации он набрал к 19 годам, однако степень Ph.D. смог получить только через два года по достижении совершеннолетия.

Из выступления проф. Глаубера: для Швингера, студента застенчивого, И. Раби стал своего рода крестным отцом, и после защиты диссертации отправил Швингера к Дж. Роберту Оппенгеймеру (впоследствии научный руководитель Манхэттенского проекта) для работы в Беркли. Это кажется неожиданным, потому что в то время Оппенгеймер не был широко известен. Однако Раби все сделал правильно.

Именно в Беркли Швингер написал совместно с В. Раритой свою первую знаменитую (renowned) работу (в современной наукометрии знаменитой считается статья, на которую имеется более 500 ссылок; у Швингера таких всего шесть): «On a Theory of Particles with Half-Integral Spin», William Rarita and Julian Schwinger, Phys. Rev. 60, 61 (1941), Published 1 July 1941, посвященную выводу уравнения для частиц с со спином 3/2 (\Omega— гиперон был экспериментально обнаружен в 1964 году). Эта работа привлекла, как принято говорить, внимание широкой научной общественности. Впоследствии Швингер жалел, что он не проанализировал все аспекты использованного в этой работе подхода до конца и не обнаружил суперсимметрию.

С 1942 года по 1945 Швингер не публиковался в открытой печати. В связи с началом войны он, по приглашению своего учителя И. Раби, перешел на работу в лабораторию излучений (Radiation laboratory) Массачусетского технологического института (MIT). К сожалению, по понятным причинам, об этом периоде жизни Ю. Швингера на встрече в Гарварде рассказать было некому.

Лаборатория излучений, развернутая в 1940 году, представляла собой центр, осуществлявший полный цикл работ по созданию радаров: от теоретических исследований до опытного производства. Несколько сомнительное название этого учреждения имеет очень любопытное объяснение. Так как Раби был хорошо известным ядерщиком, то из соображений секретности лаборатория позиционировалась как структура, занимающаяся фундаментальными исследованиями в области ядерной физики, в частности, изучением радиоактивности.

В этой лаборатории Швингер начал проводить исследования по классической электродинамике — области, к которой он периодически возвращался на протяжении всей жизни. Важнейшая задача, стоявшая перед сотрудниками лаборатории, — переход от метрового диапазона локаторов к сантиметровому. Швингер сначала занимался магнетронами, а затем работал в группе Ханса Бете (лауреат Нобелевской премии 1967 года), которая занималась теорией волноводов. Необходимо напомнить, что в то время не было компьютеров. Поэтому кроме постановки физической задачи и построения математической модели, необходимым компонентом исследований был рутинный счет. И здесь весьма пригодились феноменальные математические способности Швингера. Когда Бете переехал в Лос-Аламос, Швингер возглавил его группу. Надо отметить, что Оппенгеймер настоятельно предлагал и самому Швингеру работать в Нью-Мексико, но тот отказался. Однако допуск по Манхэттенскому проекту Швингер имел, и откомандировывался в Металлургичекую лабораторию университета Чикаго в распоряжение Энрико Ферми (лауреат Нобелевской премии 1938 года) и Юджина Вигнера (лауреат Нобелевской премии 1963 года). Как известно, в указанной лаборатории шли работы по ядерным реакторам, и помощь Швингера понадобилась при создании прототипа промышленной машины для Хэнфорда. Отзвуком этой командировки стала опубликованная после войны совместная с Мортоном Хаммермешем работа по рассеянию медленных нейтронов дейтерием.

Теперь о причине отказа Швингера перебраться в Лос-Аламос. Пересказ выступления проф. Глаубера: Осенью 1945 года в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, ученые, работавшие над Манхэттенским проектом, услышали блестящую лекцию Юлиана Швингера о новом ускорителе, который он рассчитал. Глаубер, который прервал свое обучение в Гарварде и работал в Лос-Аламосе лаборантом (ему было 20 лет), на этой лекции присутствовал. По словам Глаубера, это выступление было экстраординарным: Швингер сделал все, вплоть до полной теории радиационных потерь.

К сожалению, вторая знаменитая статья Швингера «On the Classical Radiation of Accelerated Electrons» Julian Schwinger, Phys. Rev. 75, 1912 (1949), Published 15 June 1949, посвященная теории синхротронного излучения, была опубликована с большим запозданием только в 1949 году. По-видимому, это связано с тем, что Швингер, вернувшись в Гарвард, начал работать над новой проблемой — квантовой электродинамикой, работы по которой и принесли ему Нобелевскую премию.

Необходимость развития теории именно в этом направлении стала очевидной как раз в связи с развитием микроволновой техники, позволившей существенно повысить точность измерений в атомной физике. Это привело, в частности, к открытию лэмбовского сдвига.

Когда говорят о квантовой электродинамике, то сразу же вспоминают диаграммы Фейнмана — исключительно наглядный способ описания процессов с участием частиц. Швингер же основное внимание уделял математическим аспектам теории. Один его коллега как-то сказал: «Некоторые печатают свои произведения для того, чтобы показать всем, как это делается, а Юлиан Швингер публикует свои работы, чтобы показать, что только он один и может это сделать». Тем не менее, именно Швингер первым получил конкретную формулу, которую нельзя было вывести, используя методы «старой» квантовой теории — он рассчитал аномальный магнитный момент электрона. Этот результат был опубликован в статье «On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron», Julian Schwinger, Phys. Rev. 73, 416 (1948), Published 15 February 1948. Дальнейшие его работы по квантовой электродинамике содержали более детальное обоснование метода перенормировок при вычислении радиационных поправок.

Основатели квантовой механики заложили основы квантовой электродинамики еще в конце 1920-х гг. Их подход очень хорошо работал в так называемом древесном приближении. Однако он не позволял корректно учесть взаимодействие частиц с вакуумом — так называемые радиационные поправки. Поправки выражались через расходящиеся интегралы, что делало теорию бессмысленной. Столкнувшись с подобной ситуацией, физики в 1930-х гг. надеялись выйти из создавшегося положения путем радикальных изменений в теории. Томонага, Швингер и Фейнман обошлись без фундаментальных нововведений. Они полностью сохранили физические основы теории, заложенные Дираком, изменив только математическую надстройку. В рамках развитой ими схемы перенормировок, для всех регистрируемых величин теория предсказывает конечные результаты. По словам Фримена Дайсона, их победа была победой консерватизма. Данная оценка крайне важна, поскольку именно Дайсон придал квантовой электродинамике современный вид, объединив интуитивный подход Фейнмана с доведенным до совершенства Швингером математическим аппаратом таким образом, что все смогли этим аппаратом пользоваться, не прибегая к «физическим соображениям», в которых был так силен Фейнман.

История создания квантовой электродинамики весьма поучительна для развития науки и в настоящее время, когда излишне много говорят о «новой физике».

О кончательная версия теории Швингера была опубликована между 1951 и 1954 годами в серии из пяти статей, озаглавленных «Теория квантованных полей». Эти шедевры были фактически проигнорированы. По едкому замечанию одного из учеников Швингера, некоторые теоретики не смогли одолеть даже первые страницы. Именно по этой причине все работы, за которые Швингер был удостоен Нобелевской премии, не относятся к категории «знаменитых». Кроме одной: «On Gauge Invariance and Vacuum Polarization», Julian Schwinger, Phys. Rev. 82, 664 (1951), Published 1 June 1951.

В этой работе он вычислил вероятность образования электрон-позитронных пар за счет туннелирования из вакуума под действием электрического поля. К сожалению, экспериментального подтверждения данного результата еще нет. Проводившийся в 80-х годах Дармштадский эксперимент, задачей которого было обнаружение монохроматического позитронного пика в сечении рассеяния сверхтяжелых ионов, провалился. Надо отметить, что на возможность выбивания пар из вакуума обращалось внимание еще в работе Гайзенберга и Эйлера 1935 года, причем величина напряженности поля, при которой такой эффект перестает быть экспоненциально малым, и которая теперь называется «швингеровским полем», им была известна. Тем не менее, указанная статья Швингера является наиболее цитированной его работой.

Стоит упомянуть один забавный момент. На сайте журналов Американского физического общества информация о цитировании той или иной статьи обновляется с определенной периодичностью. По данным этого сайта на рассматриваемую статью имеется 3644 ссылки. Однако данные о цитировании на странице статьи обновляются по мере поступления. На этой странице указаны 3663 ссылки. Таким образом, разработанный Швингером мощный непертурбативный подход постоянно используется. Более того, стало популярным пересчитывать известные результаты методом Швингера.

Нельзя не сказать, что у Швингера были и другие научные свершения. В 1957 году, до Гелл-Манна — Фейнмана и Маршака — Сударшана, он нашел правильную форму связи в эффективной теории слабых взаимодействий. Он был первым, кто предложил объединить электромагнитное и слабое взаимодействие. Как известно, за развитие объединенной теории Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам получили Нобелевскую премию 1979 года. Он также предложил механизм Хиггса до Питера Хиггса, который разделил Нобелевскую премию 2013 года с Франсуа Энглером. Работа Швингера «Broken Symmetries and Weak Interactions», Julian Schwinger, Phys. Rev. Lett., 13, 355 (1964), Published 7 September 1964, была отправлена в журнал позже статьи Энглера и Браута, но до ее выхода в свет; на эту статью Швингера имеется всего 13 ссылок. В 1957 году им было предсказано существование второго типа нейтрино — так называемого мюонного нейтрино, экспериментальное существование которого было доказано только в 1962 году.

В список его достижений следует добавить уравнение Липпмана — Швингера в теории рассеяния, полученное в работе с его бывшим аспирантом, на которую имеется 791 ссылка; так называемую модель Швингера — одномерную электродинамику, приводящую к конфайнменту; работу с его бывшим аспирантом П. Мартином по системам многих частиц, на которую имеется 995 ссылок, а также фундаментальное исследование по теории углового момента. Если учесть все это, результаты деятельности Швингера просто ошеломляют.

Очень показательна для манеры Швингера судьба хоть и не самой важной, но удивительно красивой в математическом плане статьи по угловому моменту. С 1952 года эта работа существовала в виде препринта, напечатанного в Ок-Ридже, штат Теннеси — месте, где стояли калютроны Лоуренса, с помощью которых нарабатывался уран-235 для хиросимской бомбы. В выходных данных указан номер хоздоговора и цена — 60 центов. Только в 1965 году статья была включена в коллективную монографию наряду с работами Вигнера, Баргманна и Рака.

В своем выступлении на торжественном заседании проф. Шелдон Глэшоу, который получил свою докторскую степень в 1959 году, вспоминал 99-центовые обеды на Гарвардской площади, на которых Швингер был окружен привилегированными студентами. Глэшоу, который стал одним из лауреатов Нобелевской премии по физике 1979 года за вклад в объединённую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание слабых нейтральных токов, рассказал и о том, что привело его к этому открытию: «Швингер был действительно первым человеком, который счел калибровочные теории Янга — Миллса, как их сегодня называют, основой для объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Я не нашел такого предположения нигде в предшествующей литературе, кроме его статьи 1956 года. Он отослал меня (sent me off) и сказал: «сделай это (Do it)».»

В воспоминаниях Глэшоу содержится ключ к пониманию того, почему у Швингера было много блистательных учеников, среди которых не только Нобелевские лауреаты, но и такие физики, как Брайс Девитт, Сэмюэл Эдвардс, Фриц Рорлих и т. д. Как и Ферми, ставя своим ученикам задачу, Швингер точно знал, к чему могут привести их исследования.

В официальной биографии Швингера упоминается следующий эпизод. Когда его сотрудник по лаборатории излучений (и его друг, который оказал большое влияние на судьбу Швингера впоследствии), Дэвид Саксон, в начале 1946 года пришел к нему и сообщил, что знает, как рассчитать устойчивость орбит в синхротроне, Швингер сказал: so do I. По признанию Саксона, в этот момент он понял, что Швингер уже все сделал.

Когда торжественная встреча, посвященная 100-летию Швингера уже заканчивалась, его бывший студент Фредерик Купер (Ph.D 69), который в настоящее время работает в Лос-Аламосской Национальной лаборатории, выходя из аудитории, произнес следующие слова: «Вот самое трогательное, что произошло, когда Швингер получил Нобелевскую премию. В помещении, заполненном гостями и репортерами, Швингер встал и сказал: «я проснулся сегодня утром и понял, что проблемы, которые я не мог решить вчера, я не смогу решить сегодня». А потом он вышел и прочитал свою обычную лекцию. Это не было проявлением экстравагантности, это было смирение. И я задумался: и что значит эта премия для такого блестящего ума?»

В своем суждении Швингер, к сожалению, оказался прав. После получения премии он не написал больше знаменитых статей. Однако даже в работах позднего периода, как и в работах периода расцвета, содержится много интересных идей, актуальных и сейчас, хотя до конца и не понятых.

В это время в Гарварде у Швингера сложились сложные отношения с коллегами, в основном из-за так называемой «теории источников» — не самой удачной его работы. Он рассматривал теорию источников как замену теории поля, хотя фактически эта модель представляет собой то, что называется эффективной теорией поля. В настоящее время такого рода схемы весьма распространены. Как политкорректно сказано в официальной биографии Швингера, критика коллег из Гарварда заставила его покинуть факультет в 1972 году. Учитывая застарелую дружбу Швингера с военно-промышленным комплексом, просто критики для такого поступка было недостаточно. Судя по всему, академические дрязги стали невыносимы и мешали Швингеру работать. Дэвид Саксон, успешно строивший научно-административную карьеру, и в тот момент подбиравшийся к посту президента Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе (UCLA), сделал ему предложение, от которого Швингер не смог отказаться. В результате Швингер стал профессором указанного учебного заведения, больше известного спортивными достижениями своих выпускников, чем научными. Широко распространена история, что Стивен Вайнберг, который унаследовал должность и офис Швингера в лаборатории Лаймана, нашел там пару старых ботинок с приложенной запиской: «думаете, вы можете влезть в них?». Вайнберг получил Нобелевскую премию в 1979 году, а в 1983 перешел на работу в Техасский университет в Остине. По случайному совпадению, в этом же, 1983 году, Саксон занял должность президента MIT Corporation.

В UCLA Швингер читал курсы лекций и продолжал развивать теорию источников. В частности, работал над книгой «Частицы. Источники. Поля». Эта книга очень оригинально написана. Она построена в форме диалогов с вымышленным персонажем — Гарольдом (Гарольд — имя старшего брата Швингера). Также Швингер публиковал и статьи по традиционной для него тематике — электродинамике. С аспирантами он практически не работал. В последние годы он заинтересовался так называемым «холодным термоядом». Эта проблема считается маргинальной, и о ней в приличном обществе говорить не принято. Хотя четких указаний на отсутствие эффекта до сих пор нет.

Во время работы в UCLA Швингер перестал публиковаться в Physical Review. И только после разделения журнала на секции он напечатал несколько статей в Phys. Rev. A. По этому поводу Швингер писал: «Конформизм страшен. Я испытал это на себе, когда представленные работы отклонялись редакторами на основании огульной критики анонимных рецензентов. Замена беспристрастного рецензирования цензурой будет смертью науки».

Архив Швингера находится в библиотеке UCLA. В каталоге http://www.oac.cdlib.org/findaid/ark:/13030/tf5870062x/entire_text/, кроме огромного количества конспектов лекций и черновиков его известных работ, попадаются весьма любопытные единицы хранения. Например:

Box 1, Folder 3 The ORION Project (lecture manuscript?), n.d. [Проект конца 50-х — начала 60-х годов. Ракета, разгоняемая энергией ядерных взрывов. Закрыт после подписания в 1963 году договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах. Руководитель теоретических разработок — Фримен Дайсон].

Box 1, Folder 4 Scattered signal from a perfectly conducting surface (manuscript), n.d.

Box 1, Folder 5 Strategic Aperture Radar (SAR) manuscript computations notebook and photocopied reader, ca. 1982(?).

Box 1, Folder 7 How to (maybe) detect stealth aircraft over the ocean.

Небольшой отрывок из официальной биографии Швингера: J. Mehra and K.A. Milton. Climbing the Mountain — The Scientific Biography of Julian Schwinger (OUP, 2000). Перевод вольный, но, на мой взгляд, такой вариант лучше объясняет то, что хотели сказать (или скрыть?) авторы книги.

Юлиан Швингер был одним из самых талантливых ученых двадцатого века… но даже среди физиков признание его фундаментального вклада остается ограниченным, отчасти потому, что его плотный формальный стиль в конечном итоге оказался менее доступным, чем более интуитивный подход Фейнмана. Однако структура современной теоретической физики была бы немыслима без многочисленных идей Швингера. Зачастую источник этих идей неизвестен даже профессионалам.

К сожалению, Швингер, когда-то названный Робертом Оппенгеймером «наследником мантии Эйнштейна», никогда не имел того влияния на мир физики и общество в целом, которое он должен был бы оказывать. Элитарность Швингера была гибельной для него. Тем не менее, его наследие живет. Причем не только в его трудах, но и в работах его многочисленных учеников, среди которых лидеры как в области физики, так и в других областях.

В некрологе, опубликованном в Нью-Йорк Таймс (Июль 19, 1994) https://www.nytimes.com/1994/07/20/obituaries/julian-schwinger-76-physicist-who-shared-nobel-prize-in-1965.html, говорится:

«Юлиан Швингер, физик-теоретик, чьи работы в области квантовой электродинамики принесли ему Нобелевскую премию в 1965 году, умер в субботу в своем доме в Лос-Анджелесе. Ему было 76. Как сообщили официальные представители Калифорнийского университета (Лос-Анжелес), где он работал последние 22 года, смерть наступила от рака поджелудочной железы.

Доктор Швингер разделил Нобелевскую премию с доктором Ричардом Фейнманом, давним коллегой и соперником, и Синъитиро Томонагой из Японии…

Юлиан Сеймур Швингер родился в 1918 году в Манхэттене в семье состоятельного производителя одежды…

Он написал свою первую научную работу в возрасте 17 лет…

Закончил аспирантуру в 19…

Получил докторскую степень в возрасте 21 года в 1939 году…

Во время Второй мировой войны …

Стал полным профессором Гарварда в 29 лет, одним из самых молодых за 300-летнюю историю университета…

В 1951 году разделил с Куртом Геделем первую премию имени Альберта Эйнштейна, учрежденную Институтом перспективных исследований в Принстоне …

Президент Линдон Б. Джонсон наградил доктора Швингера вновь созданной Национальной медалью науки США в 1964 году…

Перешел в Калифорнийский университет на должность профессора физики в 1972 году…

Доктор Швингер интенсивно работал до последних дней, стремясь во всем к абсолютному совершенству.

У него осталась жена Кларисса Кэрол Швингер, с которой он прожил 47 лет».

Швингер похоронен на кладбище Маунт Оберн. На надгробии над его именем выгравировано полученное им значение аномального магнитного момента электрона.

Лобанов А.Е., ведущий научный сотрудник кафедра теоретической физики

Назад