Нобелевские лауреаты: Синъитиро Томонага

О том, как потомок самурая узнавал о научных новостях из научно-популярных колонок, и как два ученых, работавших на враждующие армии, сообща решили сложнейшую физическую проблему, рассказывает очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку». Синъитиро Томонага Родился 31 марта 1906 года, Токио, Япония Умер 8 июля 1979 года, Токио, Япония Нобелевская премия по физике 1965 года (совместно с Джулианом Швингером и Ричардом Фейнманом). Формулировка Нобелевского комитета: «За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц (for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles)». Обычно в биографиях нашего героя пишут «сын профессора философии Сандзюро Томонага и его жены Хиде». О, нет! Сандзюро Томонага (1871-1951) был в высшей степени выдающейся личностью. Сын самурая по имени Дзиндзиро Томонага, он не просто преподавал философию. Вместе c Нисида Китаро и Танабо Хадзиме он основал совершенно новую школу философствования, которая объединила в себе философию дзен-буддизма и западной философии (включая кантовскую), которая вошла в историю под названием Киотоской школы (по названию университета, где преподавали философы). В этот университет и поступил наш герой. Нисида Китаро Как водится у Нобелевских лауреатов, они встречаются друг с другом – еще до того, как они получают высшую награду. Так и в случае с Томонагой: его однокашником в университете Киото стал будущий предсказатель существования частиц-переносчиков внутриатомного взаимодействия, мезонов. Хидэки Юкава, первый японский лауреат Нобелевской премии по физике. Бакалавра Томонага получил в 1929 году, и еще три года поработал в Киото в лаборатории Кадзюро Тамаки, а потом – в Токио, ассистентом-исследователем у Есио Нисины, знакомца Нильса Бора, того самого, который во время Второй мировой возглавит атомную программу Японии, а до того построит первый в Японии циклотрон и описал явление рассеяния фотонов электрона (формула, описывающая полное комптоновское рассеяние света на электроне носит название формулы Клейна – Нисины). Есио Нисина Именно в бытность ассистентом у Нисины случилось важное событие. Вот как описывает его сам Томонага в начале своей Нобелевской лекции: «В 1932 году, когда я только еще начинал свою научную работу ассистентом у Нишины, Дирак опубликовал статью в журнале «Proceedings of the Royal Society» В этой статье он обсуждал новую формулировку релятивистской квантовой механики и, в свете ее , вопрос о взаимодействии электронов с электромагнитным полем. К тому времени исчерпывающая теория этого взаимодействия формально была завершена работами Гейзенберга и Паули. Однако Дирак не был удовлетворен этой теорией и пытался построить новую теорию, исходя из положений, несколько отличных от общепринятых. Гейзенберг и Паули рассматривали (электромагнитное) поле, как некую динамическую систему, поддающуюся описанию в рамках гамильтонова формализма. При этом взаимодействие поля с частицами можно было описать, вводя понятие об энергии взаимодействия, так что можно было применять обычные методы гамильтоновой квантовой механики. Наоборот, Дирак полагал, что поле и частицы должны играть существенно различные роли, т . е . , цитируя его, «роль поля состоит в том, чтобы обеспечить средства для наблюдений з а системой частиц», а потому «мы не можем с тем же основанием полагать, что поле является динамической системой такого же типа, как и частицы, т.е . что поле можно наблюдать точно так же, как частицы». Что это означает? Дирак попытался согласовать торжествовавшую в то время квантовую механику с общей теорией относительности. Согласно предложению Дирака, фотон, или квант электромагнитной энергии, может «материализоваться», порождая при этом электрон и позитрон (античастица, двойник электрона). Аналогично электрон и позитрон в результате аннигиляции могут порождать фотон. Два электрона могут обменяться фотонами, проявив таким образом электромагнитное взаимодействие. Однако у теории Дирака оказалось одна (на самом деле – больше) проблема. Из принципа неопределенности Гейзенберга получалось, что электрон, испуская и поглощая облако виртуальных фотонов, должен обладать бесконечной массой, а также – по аналогичным соображениям, связанным с виртуальными электронами и позитронами, – и бесконечным электрическим зарядом. Это стало понятно уже в начале 1940-х, а в 1947 году квантовую электродинамику Дирака добили Уиллис Лэмб и Роберт Резерфорд, которые в эксперименте установили, что один из энергетических уровней электрона в атоме водорода отличается от того, что предсказывала теория Дирака. А тут еще Поликарп Куш со своими коллегами обнаружил, что и магнитный момент электрона также слегка отличается от предсказанного значения. Крах самой идеи КЭД? Томонага потом говорил в своей Нобелевской лекции: «неудача Дирака породила у многих сильное недоверие к квантовой теории поля. Были даже люди с крайними взглядами, считавшие, что сама концепция воздействия поля не имеет ничего общего с истинными законами природы... Под влиянием Гейзенберга я пришел к убеждению, что теория воздействий поля, не имевшая объяснения, нуждается во фронтальном наступлении на нее». Он побывал в Германии, поработал там с Гейзенбергом и начал это «наступление» во время войны. Забавно, что о результатах Лэмба Томонага, находившийся в послевоенной изоляции от науки, узнал не из его научной статьи, а из научно-популярной колонки в американском журнале. Выход действительно был найден, и нашли его представители двух стран, не так давно схлестнувшихся на театрах Второй мировой. Более того, Томонага и Джулиан Швингер во время войны делали одно и то же: разрабатывали радары для ВВС своих стран. Джулиан Швингер В чем состояла идея физиков? Они воспользовались принципом героя «Кавказской пленницы»: то, что нам мешает, нам поможет. Они показали, что измеряемая масса электрона должна состоять из двух компонентов: истинной, или «чистой», массы, которой обладал бы электрон, если бы он наблюдался изолированно, и массы, связанной с облаком виртуальных фотонов (и других виртуальных частиц), которые электрон непрерывно испускает и поглощает. Если облако фотонов обладает бесконечной массой, то отсюда следует, что чистая масса тоже должна быть бесконечной, но отрицательной. Когда два таких компонента соединяются в общую массу, бесконечности взаимно сокращаются, оставляя только небольшой конечный остаток, который соответствует наблюдаемой массе. Так появилась идея перенормировки бесконечностей. Конечно, их начали обвинять в «физическом жульничестве», но Швингер и Томонага отвечали: электрон нельзя отделить от его облака виртуальных частиц, поэтому бесконечные чистые массу и заряд наблюдать невозможно. А значит, они сокращаются и в реальности есть только «чистая» масса. Интересно, что в то же время совсем другим способом проблему Дирака решал другой человек, о котором мы расскажем вам через неделю. В итоге все три получили Нобелевскую премию по физике 1965 года. Правда, приехать на вручение Томонага не смог: помешал несчастный случай, и он отправил сердечный привет из Токио, зачитанный на банкете. А премию вручил посол Швеции в Японии. Интересно, что популяризировал идеи Томонаги за рубежом Юкава, в результате чего его пригласили в Принстон, но когда в 1951 году умер его учитель Нисина, Томонага вернулся в Японию. Внук самурая не мог оставить японскую физику без сэнсэя. Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще. Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.