Физика

Нобелевские лауреаты: Синъитиро Томонага

Внук самурая

Японский физик Синъитиро Томонага

Nobel Foundation/Wikimedia Commons/PxHere/Indicator.Ru

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 Томонаги 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 западную философию (включая кантовскую) и 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 получают высшую награду. Так и в случае с Томонагой: его однокашником в университете Киото стал Хидэки Юкава, первый японский лауреат Нобелевской премии по физике, будущий предсказатель существования частиц-переносчиков внутриатомного взаимодействия, мезонов.

Степень 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 опишет 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 Нисины, 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, 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 за 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». Томонага 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.