Julian Seymour Schwinger

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Julian S. Schwinger, 1965

Julian Seymour Schwinger (* 12. Februar 1918 in New York City; † 16. Juli 1994 in Los Angeles) war einer der führenden US-amerikanischen theoretischen Physiker. Zusammen mit Richard P. Feynman und Shinichirō Tomonaga erhielt er 1965 den Physik-Nobelpreis „für ihre grundlegende Leistung in der Quantenelektrodynamik, mit tiefgehenden Konsequenzen für die Elementarteilchenphysik“.

Leben und Werk[Bearbeiten]

Schwinger war auf physikalisch-mathematischem Gebiet frühbegabt. Er studierte am City College of New York und an der Columbia University in New York, wo er bei Rabi 1939 promovierte. Er ging dann zu Robert Oppenheimer nach Berkeley und lehrte auch an der Purdue Universität. In den 1930er Jahren wurde er zu einem der führenden Theoretiker auf dem Gebiet der damals gerade „boomenden“ Kernphysik. Schon damals entwickelte sich seine Vorliebe, vor allem nachts zu arbeiten, wenn er ungestört war.

In der Kernphysik entwickelte er zum Beispiel die effective-range-Theorie 1950. Er leitete aus dem Quadrupolmoment des Deuterons die Tensorkomponente der Kernkräfte ab und studierte deren Spin-Isospin-Struktur.

Während des Zweiten Weltkriegs wirkte er am „Radiation Lab“ des MIT am Radar-Projekt. Er entwickelte die Theorie der Wellenausbreitung in Wellenleitern. Die dabei entwickelten Variationsmethoden wandte er später erfolgreich in der Quantenfeldtheorie und der Streutheorie (Arbeiten mit Lippmann, Physical Review 1950, „Lippmann-Schwinger-Gleichung“) an. Aus seiner Arbeit über Wellenleiter entstand 1968 das Buch „Discontinuities in wave guides“ und 2006 mit Milton das Buch „Electromagnetic radiation - variational principles.“

Nach dem Zweiten Weltkrieg wandte er sich der Quantenelektrodynamik (QED) zu und leitete als erster die wichtigen Vorhersagen der Theorie zur Lamb-Verschiebung und zum anomalen magnetischen Moment des Elektrons her (1948)[1]. Er setzte diese Berechnungen Anfang der 1950er Jahre mit seinen Assistenten Robert Karplus, Abraham Klein fort. Das Konzept der Renormierung der QED stammt im Wesentlichen von ihm, wurde aber auch unabhängig von Shinichirō Tomonaga in Japan entwickelt. Seine „Variationsmethoden“ waren zwar nicht so populär wie die Diagramm-Methoden Feynmans, aber nicht weniger mächtig. Man könnte sie als „differentiell“, von den Differentialgleichungen für Greensfunktionen ausgehend, beschreiben, im Gegensatz zu den „Integral“-Methoden Feynmans, wo die Greensfunktion als „Propagator“ im Integranden vorkommt. Der immer höfliche Schwinger runzelte zwar manchmal die Stirn, wenn seine Studenten und Mitarbeiter die anschaulicheren Methoden Feynmans benutzten, ging aber darüber hinweg. Stichworte sind hier zum Beispiel die Schwinger-Dyson-Gleichungen.

In der langen Serie von Arbeiten „Theory of quantized fields“ (Physical Review 1951-1954) entwickelte er seinen Zugang zur Quantenfeldtheorie („quantum action principle“) und führte nebenbei Grassmannvariable und „kohärente Zustände“ ein (die sein Schüler Glauber später untersuchte und bereits von Erwin Schrödinger 1926 unabhängig entdeckt worden waren).

Er lehrte von 1945-1972 an der Harvard University. Seine Vorlesungen in den 1940er bis 1950er Jahren waren legendär und er bildete auch eine große Schule theoretischer Physiker (im Gegensatz zu Feynman), darunter die Nobel-Preisträger Roy Glauber, Benjamin Roy Mottelson, Sheldon Glashow, Walter Kohn. Weitere Studenten und Doktoranden waren unter anderen Kenneth A. Johnson, Abraham Klein, Fritz Rohrlich, Laurie Brown, Robert Karplus[2], Stanley Deser, Bryce DeWitt, Richard Arnowitt, Gordon Baym, Jeremy Bernstein, Eugen Merzbacher, Roger G. Newton, Kimball Milton, Raymond Stora, Paul C. Martin.

In den 1950er Jahren wies er als erster auf die in der relativistischen Quantenfeldtheorie verborgene „euklidische Struktur“ hin (Proceedings National Academy of Sciences 1958, 1959). Das wurde von Wolfgang Pauli zwar verspottet (im Sinne von einfachster Anwendung komplexer Zahlen: Drehung um 90 Grad durch Multiplikation mit „i“), erwies sich aber im Nachhinein als wichtige Beobachtung − alle Rechnungen der Gittereichtheorien werden in „euklidischer“ Fortsetzung des zugrundeliegenden Minkowskiraumes durchgeführt. Es gibt so eine Verbindung von relativistischen Quantenfeldtheorien und klassischer statistischer Mechanik.

Mit seinem Studenten Paul Martin legte Schwinger auch die systematischen Grundlagen für eine quantenfeldtheoretische Behandlung von Vielteilchen-Systemen der statistischen Mechanik (Physical Review Bd.115, 1959).

Nach Murray Gell-Mann und Francis Low entwickelte er auch die Bethe-Salpeter-Gleichung für gebundene Zustände zuerst in Vorlesungen in Harvard.

Er behandelte auch die Theorie der Beugung in Optik und Akustik mit Variationsmethoden (Arbeiten mit Levine, Physical Review 1948, 1949) und die klassische (und quantentheoretische) Theorie beschleunigter elektrischer Ladungen (Synchrotronstrahlung u.a., Physical Review 1949, er kam aber später mehrfach darauf zurück).

In „Lectures on angular momentum“ von 1952[3] gab er eine „Bosonisierung“ (Darstellung durch harmonische Oszillatoren) der Drehimpulsalgebra.

In mehreren Arbeiten Ende der 1950er, Anfang der 1960er Jahre nahm er viele wichtige Entwicklungen der Elementarteilchenphysik vorweg. Er sagte als einer der ersten die Existenz verschiedener Neutrino-Arten voraus. Mit William Rarita (1907-1999)[4] gab er schon 1941 die erste Quantentheorie von Spin-3/2-Teilchen (später wichtig in Supergravitation), formuliert in der Rarita-Schwinger-Gleichung. Die Schwinger-Terme als Anomalien von Kommutatoren in der Quantenfeldtheorie sind nach ihm benannt (Physical Review Letters 1959).

Nach seinen eigenen Angaben (Selected works) behandelt er in „Theory of fundamental interactions“ (Annals of Physics Bd.2, 1957, S.407) geladene schwere Vektormesonen, eine frühe elektroschwache Vereinigungstheorie (ähnliche Arbeiten führte Anfang der 1960er Jahre auch sein Schüler Glashow aus), chirale Transformationen, Higgs-Theorie, Vektor-Axialvektor Theorie. Hinweise auf die chirale Anomalie in der Quantenelektrodynamik fand er schon 1951.[5]

In Physical Review Bd.125, 1962 und Bd.128, 1962 entwickelte er ein exakt lösbares Modell der Quantenfeldtheorie mit dynamischer Massenerzeugung (das Schwinger-Modell ist eine zweidimensionale QED mit einem masselosen Dirac-Spinor[6]).

In die 1960er Jahre fallen auch Arbeiten über magnetische Monopole, Dyons (Teilchen, die gleichzeitig magnetische und elektrische Ladung tragen) und die Quantentheorie der Gravitation.

Immer wieder erwies er sich als Meister in der Entwicklung neuer Formalismen, wobei er allerdings immer auf engen Kontakt zu experimentell Beobachtbarem Wert legte. Seine Erfindung der „source theory“ Mitte der 1960er Jahre war ebenfalls ein Versuch, beobachtbare Größen im Formalismus in den Mittelpunkt zu rücken. In seinen Händen und denen seiner Schüler erwies sie sich als mächtiges Werkzeug, konnte sich aber insgesamt nicht durchsetzen (oder wird als „Spektraldarstellung“ verwendet). Er entwickelt die Theorie in drei Büchern „Particles, sources and fields“ 1970, 1973, 1989.

1972 ging er an die Universität von Kalifornien in Los Angeles.

In den 1970er Jahren versuchte er eine Interpretation der Quantenmechanik mit Hilfe der „measurement algebra“ zu geben („Quantum kinematics and dynamics“ 1970, „Quantum mechanics - symbolism of atomic measurements“ 2001 (Englert Hrsg.)). Auch behandelt er mit seinen Schülern die verschiedenartigsten Probleme (von „deep inelastic scattering“ in den Hochenergiestreuexperimenten bis zum Casimir-Effekt) mit seiner „source theory“.

In den 1980er Jahren arbeitete er unter anderem über die statistische Theorie des Atoms („Thomas-Fermi-Theorie“) und entwickelte ab 1989 auch ein Interesse an den Arbeiten zur „Kalten Fusion“ von Fleischmann und Pons, die sich im Nachhinein als fehlerhaft herausstellten. Schwinger behielt eine offene Einstellung zu diesem Gebiet und versuchte auch einige Publikationen unterzubringen. Als diese von führenden Fachzeitschriften zurückgewiesen wurden, sah er das als ungerechtfertigte Zensur und trat aus Protest aus der American Physical Society aus. Ein weiteres umstrittenes Gebiet, auf dem er zuletzt aktiv war, ist die Theorie der Sonolumineszenz, die er als dynamischen Casimireffekt zu verstehen suchte.

Schwinger war seit 1947 verheiratet.

Werke[Bearbeiten]

  • Classical Electrodynamics (The advanced book program),1998 Westview Pr
  • Selected papers, Reidel 1979 (Herausgeber Flato, Fronsdal, Milton, mit (sehr) kurzem Kommentar von Schwinger selbst)
  • A quantum legacy - seminal papers of Julian Schwinger (Herausgeber Kimball Milton), World Scientific 2000
  • Einsteins Erbe, Spektrum Verlag (populäres, aber dennoch exaktes Buch über Relativitätstheorie, zuerst 1985)
  • als Herausgeber: Selected papers on Quantumelectrodynamics, dover (zuerst 1957, die klassischen Arbeiten von ihm selbst, Schwinger, Feynman)
  • QED - an individual view, J. physics, Bd. 43, 1982, sowie in L. Brown, Hoddeson „The birth of particle physics“, 1983

Literatur[Bearbeiten]

  • Jack Ng (Hrsg.) Julian Schwinger, world scientific 1996 (mit Beiträgen u.a. von Freeman Dyson und Schwinger selbst, in der er George Green seinen Tribut erweist „The greening of quantum field theory -- George Green and I“)
  • Jagdish Mehra, Kimball Milton Climbing the mountain -- the scientific biography of Julian Schwinger, Oxford 2000, Review von Robert Finkelstein, Cern Courier
  • Schweber QED and the men who made it, Princeton 1994
  • ders. The sources of Schwingers Greens functions, Proc.Nat.Acad. Bd.102, 2005, S.7783
  • Martin, Glashow, Nachruf in physics today Oktober 1995
  • Jeremy Bernstein A theory of everything, Springer 1996 (mit Essay zu Schwinger)

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Julian Schwinger – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Verweise[Bearbeiten]

  1. auf 1-Loop-Ebene
  2. der nicht bei ihm promovierte aber sein Student und Assistent war
  3. publiziert in Lawrence Biedenharn, van Dam „Selected Papers on the Quantum Theory of Angular Momentum“, Academic Press 1965
  4. Rarita hatte bei Eugene Feenberg promoviert und arbeitete mit Schwinger Anfang der 1940er Jahre an der Aufklärung der Tensor-Natur der Kernkräfte, wobei Rarita überwiegend die numerische Arbeit übernahm. Später war er Lehrer am Brooklyn College
  5. Physical Review Bd.82, 1951, S. 664. Siehe Bertlmann Anomalies in Quantum Field Theory, Clarendon Press 1996, S.2
  6. J. Zinn-Justin: Quantum Field Theory and Critical Phenomena, ISBN 0-19-851873-0