Хью Дэвид Политцер: аспирант, который переписал теорию сильного взаимодействия

В 1973 году аспирант Гарварда, которому до получения должности преподавателя оставались еще годы, выяснил, что кварки — частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, — ведут себя совсем не так, как ожидали физики: чем ближе они друг к другу, тем слабее сила взаимодействия между ними. Это был настолько странный результат, что Политцер поначалу опасался, что совершил ошибку. Ошибки не было, и это открытие, сделанное одновременно и независимо Дэвидом Гроссом и Фрэнком Вильчеком в Принстоне, принесло всем троим Нобелевскую премию три десятилетия спустя.

Сын семьи беженцев из Бронкса

Хью Дэвид Политцер родился 31 августа 1949 года в Нью-Йорке в семье с собственной историей вынужденного переселения: его родители бежали из Чехословакии в Англию в 1939 году, спасаясь от нацистской оккупации, а после Второй мировой войны эмигрировали в США. Он учился в Высшей научной школе Бронкса (Bronx High School of Science) — знаменитой государственной школе, выпустившей непропорционально большое количество американских нобелевских лауреатов, которую окончил в 1966 году. Затем он поступил в Мичиганский университет, где в 1969 году получил степень бакалавра физики, после чего перешел в Гарвард для обучения в аспирантуре, где работал под руководством физика-теоретика Сидни Коулмана и в 1974 году защитил докторскую диссертацию.

Расчет, объяснивший конфайнмент кварков

Решающий вклад Политцера был сделан еще до того, как он закончил докторантуру. В 1973 году, будучи аспирантом, он рассчитал, что происходит с сильным ядерным взаимодействием — силой, удерживающей кварки внутри протонов и нейтронов, — по мере уменьшения расстояния между ними. Традиционная интуиция, основанная на таких силах, как электромагнетизм и гравитация, подсказывала, что взаимодействие должно усиливаться на малых расстояниях. Политцер обнаружил обратное: сильное взаимодействие фактически ослабевает по мере сближения кварков — свойство, которое стали называть асимптотической свободой. В то же время и совершенно независимо Дэвид Гросс и его аспирант Фрэнк Вильчек в Принстоне пришли к такому же выводу. Статья, опубликованная Политцером вместе с работой Гросса-Вильчека, появилась в журнале Physical Review Letters в 1973 году и разрешила настоящий парадокс в физике элементарных частиц: она объясняла, как сильное взаимодействие может удерживать кварки в постоянном конфайнменте внутри таких частиц, как протоны, и при этом вести себя так, будто его почти не существует в экспериментах по столкновению частиц высоких энергий, которые физики проводили в то время, — потому что на экстремально малых расстояниях, исследуемых в этих столкновениях, сила ослабевает. Это открытие стало фундаментальным столпом квантовой хромодинамики — теории, описывающей сильное взаимодействие.

От младшего научного сотрудника до профессора Калтеха

После получения докторской степени Политцер провел три года, с 1974 по 1977, в качестве младшего научного сотрудника Гарвардского общества стипендиатов (Harvard Society of Fellows) — высокоселективной постдокторской должности, которая освобождает молодых ученых от преподавательских обязанностей для занятий исследованиями. Затем он перешел в Калифорнийский технологический институт (Калтех), сначала в качестве приглашенного доцента в 1975 году, получил постоянную должность в 1976 году и стал профессором в 1979 году. С 1986 по 1988 год он был исполнительным директором физического факультета Калтеха, а в конечном итоге получил звание профессора теоретической физики имени Ричарда Чейса Толмана. Помимо асимптотической свободы, Политцер также работал с Томасом Аппельквистом над теоретическими предсказаниями, связанными с чармонием — связанным состоянием очарованного кварка и антикварка, внеся дальнейший вклад в молодую область физики кварков в 1970-х годах.

Нобелевская премия десятилетия спустя

Нобелевская премия по физике 2004 года была присуждена совместно Политцеру, Дэвиду Гроссу и Фрэнку Вильчеку «за открытие асимптотической свободы в теории сильного взаимодействия», признавая работу, которую все трое завершили в 1973 году, более тридцати лет назад. Это напоминание о том, как долго Нобелевский комитет иногда ждет, чтобы подтвердить, что теоретический результат выдержал десятилетия экспериментальной проверки. Политцер уже получал признание за ту же работу ранее, включая премию Сакураи по теоретической физике элементарных частиц в 1986 году и премию по физике высоких энергий Европейского физического общества в 2003 году, а в 2011 году он был избран членом Американской академии искусств и наук.

Физик вне проторенных путей

Интересы Политцера вне физики элементарных частиц были необычно публичными для теоретика. Он играет на банджо и проводил исследования по физике струнных инструментов, применяя свою профессиональную подготовку к хобби. В 1980-х годах он был ведущим вокалистом группы с ироничным названием «Профессор Политцер и Ро-мезоны» (Professor Politzer and the Rho Mesons) — игра слов с субатомной частицей. Он также неожиданно появился на экране в голливудском фильме 1989 года «Толстяк и Малыш» (Fat Man and Little Boy) о Манхэттенском проекте, сыграв физика Роберта Сербера, что, согласно одному подсчету, дало ему число Эрдёша-Бэкона, равное пяти, — ироничный показатель, сочетающий дистанцию академического сотрудничества с дистанцией сотрудничества в кино.

Почему Хью называют гением

Гениальность Политцера основана на единственном, резко контринтуитивном расчете, сделанном им еще в студенческие годы, который шел вразрез с физической интуицией, к которой физиков приучила любая другая сила природы. Обнаружение того, что сила становится слабее, а не сильнее на малых расстояниях, требовало как технического владения еще молодой математикой квантовой теории поля, так и достаточной независимости мышления, чтобы довериться ответу, который на первый взгляд казался неверным. Самая честная сложность этой истории заключается в том, что открытие было не только его: Дэвид Гросс и Фрэнк Вильчек пришли к тому же выводу независимо и практически в тот же момент, и решение Нобелевского комитета разделить премию на троих отражает эту одновременность, а не умаление работы Политцера. Подобные почти одновременные открытия обычны в физике, когда область готова к идее, и это не стирает достижение, а скорее контекстуализирует его: прозрение Политцера было не столько изолированной вспышкой индивидуальной гениальности, сколько наиболее острой ранней артикуляцией вывода, который математика квантовой хромодинамики в некотором смысле ждала, чтобы кто-то заметил.

Наследие

Асимптотическая свобода остается одной из несущих идей Стандартной модели физики элементарных частиц, лежащей в основе современных расчетов того, как кварки и глюоны ведут себя внутри протонов, нейтронов и обломков столкновений частиц высоких энергий на таких установках, как Большой адронный коллайдер. Политцер продолжал свою карьеру в Калтехе десятилетиями после открытия, которое прославило его имя, оставив после себя корпус работ по теоретической физике, дополненный необычайно эклектичным набором внешних занятий — от акустики банджо до роли второго плана в одном из голливудских драматических фильмов о Манхэттенском проекте.