Τζούλιαν Σουίνγκερ

Ο Τζούλιαν Σέυμουρ Σουίνγκερ (Julian Seymour Schwinger, 12 Φεβρουαρίου 1918 – 16 Ιουλίου 1994) ήταν Αμερικανός θεωρητικός φυσικός. Είναι περισσότερο γνωστός, και βραβεύθηκε με Βραβείο Νόμπελ, για τη συμβολή του στην ανάπτυξη της θεωρίας της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED). Πιο συγκεκριμένα, ο Σουίνγκερ ανεπτυξε μια σχετικιστικώς αναλλοίωτη θεωρία διαταραχών και επανακανονικοποίησε την QED σε πρώτη τάξη. Γενικότερα, ο Σουίνγκερ θεωρείται ένας από τους καλύτερους φυσικούς του 20ού αιώνα. Ανέπτυξε σημαντικό μέρος της σύγχρονης κβαντικής θεωρίας πεδίου, και τις εξισώσεις κινήσεως μέσα σε κβαντικά πεδία. Δημιούργησε το πρώτο μοντέλο για την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση και το πρώτο παράδειγμα δέσμιων καταστάσεων σε 1+1 διαστάσεις. Είναι ο εμπνευστής της θεωρίας των πολλαπλών νετρίνων, των «όρων Schwinger» και της θεωρίας του πεδίου του σπιν 3/2.

 Ο Τζούλιαν Σουίνγκερ γεννήθηκε στην πόλη της Νέας Υόρκης από γονείς Ασκεναζίτες μετανάστες από την Πολωνία, τον ράφτη Μπέντζαμιν Σουίνγκερ και τη σύζυγό του Μπέλε Ρόζενφελντ (Belle Rosenfeld).. Ο Τζούλιαν πήγε στο γυμνάσιο «Τάουνσεντ Χάρις» και μετά στο City College of New York, προτού μετεγγραφεί στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, από όπου πήρε το πτυχίο του το 1936 και το διδακτορικό του (με επιβλέποντα καθηγητή τον Ίσιντορ Ισαάκ Ράμπι) το 1939, σε ηλικία μόλις 21 ετών. Μετά εργάσθηκε στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ υπό τον Ρόμπερτ Οπενχάιμερ και αργότερα σε μια θέση στο Πανεπιστήμιο Περντού, στην Ιντιάνα (1941). Κατά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο ο Σουίνγκερ υπηρέτησε στο Εργαστήριο Ακτινοβολίας του MIT. Εκεί παρέσχε θεωρητική υποστήριξη για την ανάπτυξη του ραντάρ. Μετά τον πόλεμο άφησε το Περντού και εντάχθηκε στο προσωπικό του Χάρβαρντ, όπου δίδαξε από το 1945 μέχρι το 1974, παίρνοντας την εκεί έδρα Χίγκινς το 1966. Ο Σουίνγκερ εκτίμησε την αξία των συναρτήσεων Green από την εργασία του για το ραντάρ, και εφάρμοσε για να διατυπώσει την κβαντική θεωρία πεδίου με όρους τοπικών συναρτήσεων Green, με σχετικιστικώς αναλλοίωτο τρόπο. Αυτό του επέτρεψε να υπολογίσει χωρίς αμφισημίες τις πρώτες διορθώσεις της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου στην κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED). Νωρίτερα, οι αντίστοιχες απόπειρες λύσεως συναντούσαν απειρισμούς, αλλά η επιπλέον συμμετρία στις μεθόδους του επέτρεψε στον Σουίνγκερ να απομονώσει τις σωστές πεπερασμένες διορθώσεις. Ανέπτυξε την επανακανονικοποίηση, θεμελιώνοντας έτσι χωρίς αμφισημίες την QED μέχρι την τάξη του ενός βρόχου. Την ίδια εποχή εισήγαγε μη διαταρακτικές μεθόδους στην κβαντική θεωρία πεδίου, υπολογίζοντας τον ρυθμό με τον οποίο δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου με φαινόμενο σήραγγας μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο, μία διαδικασία που σήμερα είναι γνωστή ως «φαινόμενο Schwinger». Αυτό το φαινόμενο δεν προέκυπτε από οποιαδήποτε πεπερασμένης τάξεως θεωρία διαταραχών εφαρμοζόμενη στο συγκεκριμένο θέμα. Το θεμελιώδες έργο του Σουίνγκερ στην κβαντική θεωρία πεδίου παρέσχε το σημερινό πλαίσιο των συναρτήσεων συσχετισμού πεδίου και των εξισώσεων εξισώσεων κινήσεως που δίνουν αυτές οι συναρτήσεις. Η προσέγγισή του άρχισε με την κβαντική quantum action και επέτρεψε την «ίση μεταχείριση» μποζονίων και φερμιονίων για πρώτη φορά, με χρήση μιας διαφορικής μορφής της άλγεβρας Γκράσμαν. Ο Σουίνγκερ έδωσε κομψές αποδείξεις για το θεώρημα σπιν-στατιστικής και το θεώρημα CPT. Πρόσεξε επίσης ότι η πεδιακή άλγεβρα οδηγούσε σε ανώμαλους «όρους Schwinger» σε διάφορες ταυτότητες της κλασικής φυσικής, εξαιτίας ιδιομορφιών (singularities) στις μικρές αποστάσεις. Αυτά τα αποτελέσματα βρίσκονται στα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας πεδίου με οργανική σημασία για την ορθή κατανόηση των ανωμαλιών. Σε άλλες θεωρητικές έρευνες, ο Σουίνγκερ με τον Γουίλιαμ Ραρίτα διετύπωσαν τη θεωρία των Πάουλι και Φήρτς για το πεδίο του σπιν 3/2 σε συμπαγή μορφή, ως ένα διάνυσμα από τους «σπίνορες» του Ντιράκ. Προκειμένου το πεδίο του σπιν 3/2 να αλληλεπιδρά με συνεπή τρόπο, απαιτείται κάποια μορφή υπερσυμμετρίας και ο Σουίνγκερ αργότερα είχε δηλώσει ότι λυπήθηκε που δεν είχε συνεχίσει αυτή την εργασία αρκετά ώστε να ανακαλύψει την υπερσυμμετρία. Ο Σουίνγκερ έφθασε στο συμπέρασμα ότι τα νετρίνα παρουσιάζονται σε δύο τουλάχιστον τύπους, έναν για το ηλεκτρόνιο και έναν για το μιόνιο. Σήμερα είναι γνωστό πως υπάρχουν τρία νετρίνα: το τρίτο αντιστοιχεί στο λεπτόνιο τ. Κατά τη δεκαετία του 1960 ο Σουίνγκερ διετύπωσε και ανέλυσε το γνωστό σήμερα ως «μοντέλο Schwinger», δηλαδή η QED σε μία διάσταση χώρου και μία διάσταση χρόνου, το πρώτο παράδειγμα μιας θεωρίας δέσμιων καταστάσεων. Υπήρξε επίσης ο πρώτος που πρότεινε μία ηλεκτρασθενή θεωρία βαθμίδας, μια ομάδα SU(2) που θραύεται αυθόρμητα στην ηλεκτρομαγνητική U(1) σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η προσέγγιση επεκτάθηκε από τον δικό του φοιτητή Σέλντον Λη Γκλάσοου στο γενικώς παραδεκτό σήμερα πρότυπο της ενοποιήσεως της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς (πυρηνικής) δυνάμεως ή αλληλεπιδράσεως. Ο Σουίνγκερ προσπάθησε επίσης να διατυπώσει μία θεωρία QED με σημειακά μαγνητικά μονόπολα, ένα εγχείρημα που είχε περιορισμένη επιτυχία, επειδή τα μονόπολα αλληλεπιδρούν ισχυρώς όταν το κβάντο του φορτίου είναι μικρό. Από την άλλη πλευρά, έχοντας επιβλέψει 73 διδακτορικές διατριβές, ο Σουίνγκερ υπήρξε ένας από τους πλέον παραγωγικούς συμβούλους μεταπτυχιακών φοιτητών φυσικής όλων των εποχών. Από τους φοιτητές του, 4 κέρδισαν Βραβεία Νόμπελ: οι Ρόυ Γκλάουμπερ, Μπεν Ρόυ Μότελσον, Σέλντον Γκλάσοου και Βάλτερ Κον (στη χημεία). Ο Σουίνγκερ είχε μέτριες σχέσεις με τους συναδέλφους του, γιατί πάντοτε επεδίωκε την ανεξάρτητη έρευνα, τη διαφορετική από τη συνηθισμένη. Ανέπτυξε π.χ. τη «θεωρία των πηγών» («source theory»), μια φαινομενολογική θεωρία για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, που αποτελεί έναν πρόδρομο της σημερινής «ισοδύναμης θεωρίας πεδίου». Αυτή θεωρεί τα κβαντικά πεδία ως φαινόμενα μακράς αποστάσεως και μεταχειρίζεται βοηθητικές «πηγές» που μοιάζουν με τα ρεύματα των κλασικών θεωριών πεδίου. Πρόκειται για μία μαθηματικώς συνεπή θεωρία πεδίου με καθαρά εξαγόμενα φαινομενολογικά αποτελέσματα. Οι επικρίσεις όμως από τους συναδέλφους του στο Χάρβαρντ οδήγησαν τον Σουίνγκερ να εγκαταλείψει το ίδρυμα το 1972 για χάρη του UCLA. Είναι μια ιστορία που τη διηγείται συχνά ο Στήβεν Γουάινμπεργκ, που «κληρονόμησε» το γραφείο του Σουίνγκερ στο Εργαστήριο Lyman και βρήκε εκεί ένα ζευγάρι παλιά παπούτσια με το υπονοούμενο μήνυμα «νομίζεις πως μπορείς να χωρέσεις μέσα τους;». Στο UCLA και για το υπόλοιπο της σταδιοδρομίας του ο Σουίνγκερ συνέχισε να αναπτύσσει τη θεωρία των πηγών και τις ποικίλες εφαρμογές της. Μετά το 1989 ο Σουίνγκερ ανέπτυξε μεγάλο ενδιαφέρον για την ψυχρή σύντηξη. Εκπόνησε οκτώ θεωρητικές εργασίες για το θέμα και παραιτήθηκε από την Αμερικανική Φυσική Εταιρεία μετά την άρνησή της να τις εκδώσει. Πίστευε ότι η έρευνα πάνω στην ψυχρή σύντηξη αποθαρρυνόταν και έτσι η ακαδημαϊκή ελευθερία παραβιαζόταν. Με τα δικά του λόγια: «Η πίεση για συμμόρφωση είναι τεράστια. Την έχω υποστεί στην απόρριψη υποβληθεισών εργασιών μου από τους συντάκτες, με βάση δηλητηριώδεις αποτιμήσεις από κάποιους ανώνυμους κριτές. Η αντικατάσταση της αμερόληπτης κρίσεως από τη λογοκρισία θα σημάνει τον θάνατο της επιστήμης.» Στις τελευταίες του δημοσιεύσεις ο Σουίνγκερ πρότεινε μία θεωρία για την ηχοφωταύγεια ως ένα κβαντικό φαινόμενο μακράς αποστάσεως, το οποίο δεν συνδέεται με άτομα, αλλά με ταχέως κινούμενες επιφάνειες στην καταρρέουσα φυσαλίδα, όπου υπάρχουν ασυνέχειες της διηλεκτρικής σταθεράς. Ο μηχανισμός της ηχοφωταύγειας που υποστηρίζεται σήμερα από πειράματα εστιάζει στην υπερθέρμανση ποσοτήτων αερίου στο εσωτερικό της φυσαλίδας ως πηγή του φωτός.Ο Σουίνγκερ τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1965 για την ανάπτυξη της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής από κοινού με τους Ρίτσαρντ Φάινμαν και Σινιτσίρο Τομονάγκα. Είχε τιμηθεί όμως πλειστάκις και πριν την επιλογή του για το Νόμπελ: είχε πάρει το πρώτο στην ιστορία Βραβείο Άλμπερτ Αϊνστάιν (το 1951), το Εθνικό Μετάλλιο των Επιστημών των ΗΠΑ (1964) και άλλα, ενώ είχε ανακηρυχθεί επίτιμος διδάκτορας από τα πανεπιστήμια Περντού (1961) και Χάρβαρντ (1962). Συνάρτηση Schwinger Μοντέλο/πρότυπο του Schwinger Εξίσωση Schwinger-Dyson Κβαντική αρχή της ελάχιστης δράσεως του Schwinger Εξίσωση Rarita-Schwinger Εξίσωση Lippmann-Schwinger Εξίσωση Schwinger–Tomonaga Αρχή των μεταβολών του Schwinger Παραμετροποίηση κατά Schwinger Όριο Schwinger Αναπαράσταση Schwinger στα διαγράμματα Φάινμαν Βαθμίδα Fock-Schwinger Schwinger, J (1948). «On Quantum-Electrodynamics and the Magnetic Moment of the Electron». Phys. Rev. 73: 416–417. doi:10.1103/PhysRev.73.416. Bibcode: 1948PhRv...73..416S. Schwinger, J (1948). «Quantum Electrodynamics. I. A Covariant Formulation». Phys. Rev. 74: 1439–1461. doi:10.1103/PhysRev.74.1439. Bibcode: 1948PhRv...74.1439S. Schwinger, J (1949). «Quantum Electrodynamics. II. Vacuum Polarization and Self-Energy». Phys. Rev. 75: 651–679. doi:10.1103/PhysRev.75.651. Bibcode: 1949PhRv...75..651S. Schwinger, J (1949). «Quantum Electrodynamics. III. The Electromagnetic Properties of the Electron Radiative Corrections to Scattering». Phys. Rev. 76: 790–817. doi:10.1103/PhysRev.76.790. Bibcode: 1949PhRv...76..790S. Feshbach, H., Schwinger, J. & J.A. Harr. «Effect of Tensor Range in Nuclear Two-Body Problems», Εργαστήριο Υπολογισμών του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ, Επιτροπή Ατομικής Ενεργείας των ΗΠΑ (Νοέμβριος 1949) Schwinger, J. (1951). «On Gauge Invariance and Vacuum Polarization». Phys. Rev. 82: 664–679. doi:10.1103/PhysRev.82.664. Bibcode: 1951PhRv...82..664S. Schwinger, J.: «On Angular Momentum», Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, Nuclear Development Associates, Inc., Επιτροπή Ατομικής Ενεργείας των ΗΠΑ (26 Ιανουαρίου 1952) Schwinger, J.: «The Theory of Quantized Fields. II», Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, Επιτροπή Ατομικής Ενεργείας των ΗΠΑ (1951) Schwinger, J.: «The Theory of Quantizied Fields. Part 3», Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, Επιτροπή Ατομικής Ενεργείας των ΗΠΑ (Μάιος 1953) Schwinger, J.: Einstein's Legacy (1986), Scientific American Library Mehra, Jagdish και Milton, Kimball A.: Climbing the Mountain: the scientific biography of Julian Schwinger. Oxford University Press, 2000 Schweber, Silvan S. (1994). QED and the Men Who Made It: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga. Princeton University Press. ISBN 0-691-03327-7. Ng, Y. Jack (επιμ.): Julian Schwinger: The Physicist, the Teacher, and the Man, World Scientific, Σιγκαπούρη 1996, ISBN 981-02-2531-8 Julian Seymour Schwinger (2000), Kimball A. Milton, επιμ., A quantum legacy: seminal papers of Julian Schwinger, World Scientific series in 20th century physics, 26, World Scientific, ISBN 978-981-02-4006-6 Η βιογραφία του ως μαθηματικού στο MacTutor History of Mathematics archive, Πανεπιστήμιο του Σαιντ Άντριους