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现代物理学天才——施温格,计算的天才,开创性的天才

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老胡说科学 2021-10-20 03:13

1965年诺贝尔物理学奖被联合授予朝永振一郎、朱利安-施温格和理查德-费曼,以表彰他们在量子电动力学方面的贡献。朱利叶斯-施温格是他那个时代最杰出的理论物理学家之一。大多数人对理查德-费曼的崇拜,是因为费曼富有表现力的个性,以及他将复杂的物理学概念简化到非科学界人士也能理解的能力。费曼无疑是一位杰出的科学英雄。但人们很少知道,施温格是一位杰出的计算天才,也是一位开创性的天才,他对物理学的发展产生了巨大的影响。

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  • 1965年的朱利安-施温格在。

施温格在纽约市出生并长大。与其他物理学家不同,施温格在很小的时候就对物理学产生了兴趣,并且非常专注于这个方向。施温格在提交给诺贝尔委员会的自传中提到,早年对物理学的强烈兴趣早就确定了他人生的主要方向。他的父母是阿什肯纳齐犹太人,即贝勒-施温格和本杰明-施温格,他们是从波兰移民到美国的服装制造商。施温格是一个特别有天赋的学生。他从1932年到1934年在汤森-哈里斯中学上学,这所学校主要是为像他这样的天才学生设立的。虽然施温格对物理学和数学非常感兴趣,而且天生好奇,但作为一个孩子,他对其他学科,特别是英语没有多大兴趣,因此他经常与老师发生冲突。

他花了大部分的青少年时间自学物理和数学的概念,几乎没有得到正规教育系统的帮助。1934年,他被纽约市立学院(CCNY)录取,在那里他专注于理论物理学的研究。到17岁时,他已经自学了理论物理学的基础知识,主要是通过阅读公共图书馆的书籍。在这个年龄段,他已经和当时比较知名的物理学家一起做计算。他是个勤奋的人,经常熬夜做计算和解决物理学问题。1937年,19岁的施温格在《物理评论》上发表了几篇完整的科学论文。

施温格在纽约市立学院几乎没有上过任何课,除了考试,因为他有晚上工作到很晚的习惯,正因为如此,除了数学和物理,他在大多数科目上的成绩都很差。在纽约市立学院,他接触到了劳埃德-莫茨(该学院的一名教师),在著名物理学家伊西多尔-拉比手下工作。

起初,由于施温格的其他科目成绩不好,他在哥伦比亚大学的奖学金被拒绝了。拉比对施温格的印象非常深刻,以至于他不想让他离开。拉比于是将施温格未发表的关于量子电动力学的作品推荐给汉斯-贝特。贝特同样被他的天才所折服。贝特在1935年7月10日阅读了施温格的作品后,给他写了这封支持信。

亲爱的拉比: 非常感谢你给我机会与施温格交谈。在与他讨论他的问题时,我完全忘记了他是一个17岁的大二学生。我与他交谈时,就像与任何一位著名的理论物理学家交谈一样。他在量子电动力学方面的知识肯定与我的知识相当,我很难理解他是如何在不到两年的时间里获得这些知识的,而且几乎全是靠自己。 …… 这可以从他对问题的选择中看出来:在研究量子电动力学时,他发现我的一篇关于快速电子发射的辐射的论文中遗漏了一个重要问题。这种辐射是目前量子理论中最关键的一点。

1936年,他获得了哥伦比亚大学的理科学士学位,1939年,21岁的他继续研究,在拉比的指导下获得了博士学位。获得博士学位后,施温格前往伯克利追随罗伯特-奥本海默,成为一名研究助理(现在称为 "博士后")。他与奥本海默一起工作了两年,之后他于1941年在普渡大学获得了他的第一个职位。从普渡大学休假期间,施温格在麻省理工学院辐射实验室工作,为雷达的发展提供了重要的理论贡献。奥本海默希望他能在洛斯阿拉莫斯实验室工作,但他由于担心被他支配而拒绝了。

战争结束后,施温格于1945年进入哈佛大学,一直在那任教到1974年。1947年,哈佛大学为他提供了正式的教授职位,他后来回忆说,这是他一生中最快乐的时期,因为他在那里工作时完成了大部分获得诺贝尔奖的作品。1966年,他成为哈佛大学的尤金-希金斯物理学教授。施温格在哈佛期间开设了一些理论物理学的讲座,主题包括他已发表和未发表的作品。他的很多未发表的作品后来被他的学生继承并发表。关于施温格的核物理讲座,约翰-布拉特说过。

[这些讲义]构成了对量子力学应用的出色介绍,发展了许多具有广泛适用性的方法。它们包含了许多对核物理学特别重要的结果,其中许多从未发表或后来被重新发现。很难夸大这些讲座对四十年代末和五十年代的那一代物理学研究生的影响,这些笔记的很大一部分已被纳入所有从业理论家都应知道的一般背景材料。

  • 朱利安-施温格讲课

在哈佛大学工作期间,施温格得出了他的大部分方程式,这些方程式使他获得了诺贝尔奖。他是第一个提出并发展量子电动力学的相对论协变规范不变公式的人。这一发展对于将重正化纳入量子电动力学至关重要。施温格成功地计算了兰姆移位。为了得到兰姆移位的表达式,必须进行冗长的计算,包括狄拉克方程的解、光子偏振和对光子能量的积分,而施温格全部由自己完成,这展示了施温格卓越的计算能力。这些计算大多是在头脑中进行的,答案是写下来的。在20世纪60年代,施温格制定并分析了现在被称为施温格模型的东西,即一个空间和一个时间维度的量子电动力学。这项工作由他的学生谢尔登-格拉肖(Sheldon Glashow)进一步扩展。格拉肖后来说:

1954年,我来到哈佛大学的研究生院。我的论文导师朱利安-施温格有十几个博士生。获得他的青睐既困难又有意义。我把我的论文称为 "基本粒子衰变中的矢量介子",它显示了电弱合成的早期成果。

在哈佛工作期间,施温格指导了73篇博士论文,使他成为科学史上 最多产的 研究生导师之一。他的学生中有四人获得了诺贝尔奖。罗伊-格劳博、本杰明-罗伊-莫特森、谢尔顿-格拉肖和沃尔特-科恩(化学)。

在施温格取得胜利的几年后,理查德-费曼发表了他的量子电动力学,其中的计算是通过他的图解技术(费曼图)完成的。施温格和费曼对量子电动力学和一般的量子场理论有不同的方法。费曼使用了正则化方法,而施温格能够通过心算。施温格相信局部场的形式主义,而费曼则对粒子路径有信心。他们密切关注对方的工作,并各自尊重对方。施温格开发的技术以及他解决物理学问题的方法,一直被这一代物理学家所使用,并且仍然在使用。有了这些方法,在理论物理学方面有了许多伟大的发现。

1965年诺贝尔物理学奖得主朱利安-施温格(1918-1994)在他贝尔蒙特的家中,手持一支圆珠笔。

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