Синъитиро Томонага

Биография

Японский физик Синъитиро Томонага родился в Токио, был старшим сыном Сандзюро и Хиде Томонага. В 1913 г., когда его отец занял пост профессора философии Киотского императорского университета, семья переехала в Киото, где Т. учился в прославленной на всю страну 3-й средней школе.

Т. получил степень бакалавра по атомной физике в Киото в 1929 г. и оставался здесь еще три года в качестве аспиранта и ассистента в исследовательской лаборатории Кадзюро Тамаки. Одним из его коллег здесь был Хидэки Юкава, который впоследствии предсказал существование пиона, частицы, осуществляющей п

ередачу ядерной силы между протонами и нейтронами. В 1932 г. Т. перешел в Институт химических и физических исследований в Токио в качестве ассистента-исследователя лаборатории Есио Нисины. С 1937 по 1939 г. он работал в Лейпцигском университете с Вернером Гейзенбергом. Работа, посвященная физическим

свойствам атомного ядра, которую он опубликовал, будучи в Германии, была принята в качестве докторской диссертации в Токийском императорском университете в 1939 г.

В 1941 г. Т. занял пост профессора физики в Токийском университете науки и литературы (который позже вошел в состав Токийского униве

рситета культуры). Во время второй мировой войны он работал над радарами, т.е. в той области, которой занимался и Джулиус С. Швингер, позднее разделивший с ним Нобелевскую премию.

В начале научной работы интересы Т. были связаны с квантовой электродинамикой, к которой он периодически возвращался

на протяжении более чем 20 лет. Его первое исследование в этой области было сделано с Нисиной в Токио, продолжил он его с Гейзенбергом в Лейпциге и вновь вернулся к нему вместе со своими студентами в Токио во время войны. Значительное продвижение на этом пути началось в 1947 г., и именно за эту рабо

ту он получил Нобелевскую премию.

Целью исследований Т. в области квантовой электродинамики являлось согласование двух эпохальных физических теорий XX в. – квантовой механики и специальной теории относительности. Квантовая механика в том виде, как она была сформулирована в середине 20-х гг., успе

шно справилась с объяснением строения атома. Однако был один существенный момент, где эта теория оказалась неполной, ибо она не принимала в расчет возможности превращения материи в энергию, и наоборот. Возможность такого преобразования – это центральный результат специальной теории относительности А

льберта Эйнштейна.

Начиная с 1927 г. английский физик П.А. М. Дирак пытался согласовать квантовую механику с теорией относительности. Он сконцентрировал свое внимание на связи между электронами и электромагнитным, излучением. Согласно законченной форме теории Дирака, фотон, или квант электромагни

тной энергии, может «материализоваться», порождая при этом электрон и позитрон (античастица, двойник электрона). Аналогично электрон и позитрон в результате аннигиляции могут порождать фотон. Т. и Нисина исследовали эти процессы в начале 30-х гг.

Теория Дирака дала ключ к новому пониманию взаимод

ействий заряженных частиц. Например, два соседних электрона могут обменяться серией фотонов, перебрасываясь ими, как мячиками. Сила реакции, испытываемая каждым электроном, когда он испускает или поглощает фотон, тогда проявится как электромагнитное отталкивание, которое стремится удалить электроны

друг от друга. В этом случае говорят, что участвующие в подобном обмене фотоны являются «виртуальными» частицами, поскольку их существование быстротечно и их нельзя обнаружить непосредственно.

Энергию виртуальных фотонов можно подсчитать, пользуясь принципом неопределенности Гейзенберга, согласно

которому максимальная энергия частицы зависит от величины промежутка времени, необходимого для измерения этой энергии. Поскольку виртуальные фотоны существуют очень малое время, их энергия может быть велика. Более того, так как взаимодействующие электроны по мере сближения укорачивают время жизни в

иртуальных фотонов, в этом случае верхняя граница энергии еще более поднимается. Возникает интересный вопрос: что произойдет, когда один и тот же электрон сначала испустит виртуальный фотон, а затем вновь поглотит его. В этом случае время жизни фотона может приближаться к нулю и, следовательно, допу

стимая энергия становится неограниченной. Непрерывное испускание и поглощение таких фотонов, по-видимому, придаст электрону бесконечную массу.

К началу 40-х гг. было признано, что из теории Дирака вытекает, что электрон должен обладать бесконечной массой, а также – по аналогичным соображениям, св

язанным с виртуальными электронами и позитронами, – и бесконечным электрическим зарядом. Эти выводы, очевидно, абсурдны, так как масса и заряд электрона, как хорошо известно, конечны и не очень велики. Тем не менее этой теорией продолжали пользоваться, поскольку ее недостатки становятся очевидными,

только когда мы изучаем электроны с очень близкого расстояния. Для большинства экспериментов, осуществимых в то время, теория Дирака давала верные предсказания, да к тому же лучшей теории не было.

Кризис квантовой электродинамики разразился в 1947 г., когда Уиллис Ю. Лэмб и Роберт К. Резерфорд эк

спериментально установили, что один энергетический уровень электрона в атоме водорода слегка отличается от значения, предсказанного Дираком. Примерно в то же самое время Поликарп Куш со своими коллегами обнаружил, что магнитный момент такого электрона также слегка отличается от предсказанного значен

ия. Эти противоречия побудили Т. и Швингера реконструировать квантовую электродинамику. Т., изолированный в послевоенной Японии от большинства западных физиков, узнал о результатах Лэмба не из научного журнала, а из научно-популярной колонки в одном еженедельном американском журнале.

Прежде были

попытки справиться с очевидно бесконечными массой и зарядом электрона, просто отрицая их существование. Т. и Швингер избрали иной подход: вместо отбрасывания бесконечностей они их использовали. 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 измеряемой массе. Используя аналогичный подход к бесконечному заряду электрона, Т. и Швингер постулировали бе

сконечный отрицательный чистый заряд, который притягивает облако положительно заряженных виртуальных частиц. Бесконечно большой положительный заряд виртуального облака экранирует отрицательный чистый заряд, за исключением конечного остатка.

Математическая процедура, изобретенная Т. и Швингером дл

я исключения бесконечных масс и зарядов, называется перенормировкой. Хотя перенормировка дала квантовой электродинамике спасительную концепцию, в конечном итоге многие физики считали, что подобное лекарство хуже самой болезни. Перенормировка устраняла некоторые бесконечности, вводя другие, включая м

ассы, которые не только бесконечны, но еще и отрицательны. Однако Т. и Швингер подчеркивали, что в их теории наблюдаемые величины масс конечны и положительны. Электрон нельзя отделить от его облака виртуальных частиц, поэтому бесконечные чистые массу и заряд наблюдать невозможно. Независимо от Т. и

Швингера и приблизительно в то же самое время Ричард Ф. Фейнман нашел совершенно отличный путь для выражения идей квантовой электродинамики. Он показал, что каждое взаимодействие между частицами (включая виртуальные частицы) можно представить с помощью диаграммы траекторий частиц в пространстве и вр

емени.

Теория перенормировки в квантовой электродинамике оказалась наиболее точной из всех физических теорий. Некоторые характеристики электрона можно измерить с точностью значений до нескольких миллиардных; значения, предсказанные теорией, точно согласуются с экспериментальными данными. Более то

го, квантовая электродинамика послужила моделью для теорий, описывающих иные силы природы, и перенормировка явилась существенным шагом к тому, чтобы эти теории стали работать.

Т., Фейнман и Швингер разделили Нобелевскую премию по физике за 1965 г. «за фундаментальную работу в квантовой электродин

амике с далеко идущими последствиями для физики элементарных частиц», В Нобелевской лекции Т. коснулся эволюции идей, побудивших его начать работу в этом направлении. Неудача теории Дирака, сказал он, «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».

Работа Т. во время и сразу после второй мировой во

йны стала известной за пределами Японии прежде всего благодаря усилиям Юкавы. В результате в 1949 г. его пригласили в Институт фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси), где он занимался работой в области квантовой механики систем из многих частиц, таких, как твердые тела, и тем сам

ым открыл новую область исследований. Когда в 1951 г. умер Нисина, Т. вернулся в Японию, чтобы возглавить Институт химических и физических исследований. С 1956 по 1962 г. он был президентом токийского университета культуры, а с 1963 по 1969 г. занимал пост президента Научного совета Японии. Он также

возглавлял Институт оптических исследований и служил в различных правительственных комитетах. Он помогал организовать Институт исследований по фундаментальной физике при Киотском университете и Институт ядерных исследований при Токийском университете.

В 1940 г. Т. женился на Реко Секигути, дочер

и директора токийской Метрополитен-обсерватории. У них было два сына и дочь. Т. умер 8 июля 1979 г.

Кроме Нобелевской премии, Т. получил премию Японской академии наук (1948), орден Культуры японского правительства (1952) и золотую медаль им. Ломоносова АН СССР (1964). Он был членом Японской акаде