Кеннет Вільсон

Фотографія Кеннет Вільсон (photo Kennet Vilson)

Kennet Vilson

  • День народження: 08.06.1936 року
  • Вік: 80 років
  • Місце народження: Уолтхэм, США
  • Громадянство: США

Біографія

Американський фізик Кеннет Геддес Вільсон народився в Уолтхэме (штат Массачусетс) і був старшим із чотирьох дітей Емілі (в дівоцтві Бэккингэм) Вільсон і Едгара Брайта Вільсона-молодшого. Його батько, фахівець з мікрохвильової спектроскопії, викладав хімію в Гарвардському університеті. Свою початкову освіту Ст. здобув у приватних школах в Массачусетсі. Він був особливо обдарований в області математики і пізніше згадував, що, очікуючи на шкільний автобус, розважався витягом в розумі кубічних коренів. Провівши рік у школі при Магдаленколледже в Оксфорді (Англія), потім закінчив квакерскую Джордж-скул в штаті Пенсільванія в 1952 р. Поступив в Гарвардський університет у 16 років він вивчав математику і фізику і отримав ступінь бакалавра там же в 1956 р. Потім він виконав аспірантську роботу з квантової теорії поля під керівництвом Маррі Гелл-Мана в Каліфорнійському технологічному інституті (Калтеху), отримавши докторський ступінь в 1961 р. Його докторська дисертація називалася «Дослідження рівняння Лоу і рівнянь Чу-Мандельштама» («An Investigation of the Low and the Equation Chew Mandelshtam Equations»). Ст. був нагороджений последиссертационной стипендією в Гарварді, а потім отримав стипендію фонду Форда (1962…1963) для роботи в Церні (Європейському центрі ядерних досліджень). У 1963 р. він поступив на роботу на фізичний факультет Корнеллського університету, де став професором у 1970 р.

У своїй ранній роботі, присвяченій елементарним частинкам і взаємодій між ними, Ст. використовував математичну техніку, звану перенормировкой, яку запропонували Гелл-Ман, Лоу (колега Гелл-Мана по Калтеху) та інші, щоб подолати деякі труднощі в квантовій електродинаміці. При безпосередньому додатку квантової теорії до поведінки елементарних частинок довелося зіткнутися з такими незручними величинами, як нескінченний заряд. Гелл-Ман та Лоу використовували групи перенормировок, щоб видозмінити математичне уявлення, наприклад, точкової частинки, такий, як електрон, щоб усунути перешкоди подальшому додатком теорії. В. зробив свій внесок у цю теорію, вирішуючи у своїй докторській дисертації задачу, пов’язану з До-мезонами (каонами). В університеті корнелл частково завдяки роботам своїх колег Майкла Фішера і Бенджаміна Уайдома він зацікавився критичними явищами, маючи на увазі подальші додатки груп перенормировок.

Критичні явища – це особлива поведінка матеріалів при певних зовнішніх умовах (наприклад, температурі і тиску), коли властивості матеріалів різко змінюються. Ці особливі умови носять назву критичної точки. Наприклад, якщо взяти воду, температура, при якій рідина твердне або стає пором, залежить від тиску. При кипінні рідина і пар співіснують, і якщо їх тримати в замкнутому об’ємі, то можна сказати, що вони перебувають у рівновазі; зазвичай їх легко розрізнити, оскільки у них величезна різниця в щільності. Однак, коли точка кипіння піднімається разом з тиском, щільність рідини зменшується із збільшенням температури, оскільки рідина розширюється (тиск лише незначно ущільнює воду), тоді як пар (газ) сильно стискається і стає щільніше. Якщо збільшувати нагрівання, щоб підтримувати точку кипіння, коли тиск зростає, то ми нарешті досягнемо точки (тиск 219 атмосфер, температура 374ºС), коли дві щільності стають однаковими і кипіння зникає. Тепер вже не можна відокремити рідина від пари, так і сам питання втрачає свій звичайний зміст. Ці значення тиску і температури визначають критичну точку води. Інший приклад критичної точки дає температура називається крапкою Кюрі по імені П’єра Кюрі), нижче якої феромагнітний матеріал починає спонтанно намагнічуватися і вище якої він залишається ненамагниченным. Якщо магніт нагрітий вище точки Кюрі, то він втрачає свої магнітні властивості і не «згадує» про своєму первісному стані, коли його знову охолодять. Критичні явища вперше систематично вивчалися в 1860-х рр. на двоокису вуглецю.

Системи з критичними точками володіють особливою зв’язком між взаємодіями на дуже коротких відстанях (мікрорівні) та макрохарактеристиками тіла. У випадку з водою микромасштабные явища зводяться до руху молекул і межмолекулярному тяжінню. У випадку з магнітами визначальною є здатність елементарних магнітів, пов’язаних зі спінами електронів, впливати на своїх сусідів, спонукаючи їх до певного упорядкування. Поблизу критичної точки ці рядові впливу зростають у багато разів за своєю величиною, що веде до узгодженого макроповедению. Кількісне розуміння критичних явищ стикається зі складністю великого числа незалежних микровзаимодействий (ступенів свободи) і діють на більш значних відстанях кореляцій між різними областями, які врешті-решт охоплюють все матеріальне тіло. Величини флуктуируют від точки до точки і від області до області, утворюючи безліч різних рівнів взаємодії, або величин масштабу.

Вчені енергійно взялися за цю проблему, намагаючись знайти шляхи, які дозволили б зменшити складності до прийнятних меж, не порушуючи при цьому справедливості самої теорії. У 1937 р. російський фізик Лев Ландау запропонував метод, названий теорією усередненого поля, для випадку з магнітами, в якому він усреднял флуктуації намагніченості, припускаючи, що мають значення лише флуктуації на атомному рівні. У 1944 р. норвезько-американський хімік Ларі Онсагер знайшов кількісне рішення для двомірної моделі, що дозволило йому обчислити магнітні властивості, а також показати помилковість теорії Ландау. В результаті виникла необхідність створити нову, більш загальну теорію. У 1965 р. Уайдом припустив, що зміна масштабу взаємодій поблизу критичної точки не повинно порушувати справедливості математичного опису. У 1966 р. американський фізик Лео Каданофф запропонував розділити феромагнітну систему поблизу критичної точки на комірки, у кожній з яких містилося б невелике число магнітів атомного рівня, причому розмір комірки визначав би величину масштабу. Інші вчені теж внесли свій вклад у можливе вирішення цієї проблеми. Але саме застосування Ст. теорії груп перенормировок дало успішний метод для опису поведінки поблизу критичної точки і дозволило знаходити кількісні оцінки властивостей системи з допомогою комп’ютерів.

У самому справі, Ст. розбив систему на блоки, розташовані на зразок сітки, як це робив Каданофф. Починаючи з дрібного масштабу і великого числа маленьких блоків, він застосовував процедуру усереднення. Потім, поступово збільшуючи масштаб і розміри блоків, він повторював цю процедуру знову і знову до тих пір, поки вона не зводилася до підсумкового поданням, яке давало чисельні результати, які узгоджуються з експериментальними даними. На кожному кроці флуктуації меншого масштабу усереднюють, а флуктуації більшого масштабу наближалися до того, щоб включати в себе всю систему. Він також виявив, що системи поблизу своїх критичних точок можуть бути охарактеризовані невеликим числом параметрів, що володіють якістю універсальності. Іншими словами, аналогічні параметри можна використовувати для розрахунків поведінки дивно великого числа інших систем. Пізніше Ст. і Фішер розвинули деякі аспекти цього методу далі, збільшивши його цінність.

Інші фізики швидко визнали важливість досягнення Ст. Ландау називав критичні явища найбільш важливою невирішеною проблемою теоретичної фізики, і сам В. пізніше говорив, що завдання, до яких застосовувався його метод, належали до найбільш важким у фізиці. «Якщо б це було не так, – пояснював він, – то їх вирішили б з допомогою більш простих методів набагато раніше».

Ст. був удостоєний у 1982 році Нобелівською премією з фізики «за теорію критичних явищ у зв’язку з фазовими переходами». При презентації лауреата Стіг Лундквіст, член Шведської королівської академії наук, у своїй промові привітав Ст. з його «елегантним і глибоким» рішенням проблеми фазових переходів. Разультаты, отримані Ст., сказав він, «дали повне теоретичне опис поведінки поблизу критичної точки, а також привели до методів чисельного знаходження критичних значень. За десятиліття, минуле з часу публікації його перших робіт, – продовжував Лундквіст, повне торжество його ідей і методів підтвердила сама життя».

Практичного застосування ренормалізації можна очікувати в таких областях, як просочування рідини крізь тверде тіло, заморожування, поширення тріщин в металах і протягом нафти в підземних резервуарах, в яких складні мікроскопічні фізичні процеси проявляються в макроскопічних ефекти. В останні роки Ст. намагається застосувати свої методи до теорії кварків – частинок, які, як вважає Гелл-Ман, служать будівельними блоками для протонів, нейтронів та інших внутрішньоатомних частинок, які вважалися раніше елементарними.

З 1976 р. В. приділяє основну увагу комп’ютерного моделювання. Виявивши, що його теоретична робота обмежена швидкістю і пам’яттю сучасних комп’ютерів, він став виступати за створення суперкомп’ютерних центрів, що обслуговують вчених.

У 1982 р. В. одружився на Елісон Браун, спеціалістка з комп’ютерів Корнеллской комп’ютерної служби. Колишній музикант-любитель, який грав на гобої, він любить народні танці і піші подорожі. Він сам характеризує себе як «трудоголіка, який в масі можливостей бачить передусім на їх масу».

В. є членом американської Національної академії наук, Американської академії наук і мистецтв. Серед інших його нагород: премія Денні Хейнемана Американського фізичного товариства (1973), премія Вольфа Фонду Вольфа (1980), яку він розділив з Фішером і Каданоффом і Почесна нагорода випускникам Каліфорнійського технологічного інституту (1981). Він має почесний учений ступінь доктора Гарвардського університету.