Хью Дэвид Политцер

Краткая биография

Жизнь и работа

Хью Дэвид Политцер родился 31 августа 1949 года в Нью-Йорке. Он изучал физику в Мичиганском университете, где получил степень бакалавра в 1969 году, а затем продолжил обучение в Гарварде. Его научным руководителем был теоретик Сидни Коулман. Именно во время аспирантуры Политцер получил результат, который помог решить одну из центральных проблем физики элементарных частиц.

К началу 1970-х годов физики уже знали, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Эксперименты по глубоконеупругому рассеянию показывали при этом странную картину: внутри протона при больших энергиях кварки вели себя почти как свободные частицы. Это плохо сочеталось с другой очевидной особенностью природы — свободные кварки никто не наблюдал. Если взаимодействие между ними настолько сильное, что они остаются запертыми внутри протонов и других адронов, почему на очень малых расстояниях они выглядят почти независимыми?

Ответ появился в 1973 году. Политцер выполнил расчёт для неабелевых калибровочных теорий и показал, что их эффективная сила взаимодействия может уменьшаться при переходе к всё меньшим расстояниям, или, что эквивалентно, к всё большим энергиям. Его статья «Reliable Perturbative Results for Strong Interactions?» была опубликована в Physical Review Letters 25 июня 1973 года. В том же номере журнала вышла независимая работа Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека, пришедших к соответствующему результату другим путём.

Это свойство получило название асимптотической свободы. Оно звучит парадоксально: сильное взаимодействие действительно является сильным, но его эффективная интенсивность зависит от масштаба. Когда кварки находятся чрезвычайно близко друг к другу, взаимодействие ослабевает настолько, что их движение можно приближённо описывать как движение почти свободных частиц. Именно поэтому при очень высоких энергиях становятся возможны точные расчёты с помощью методов теории возмущений.

На больших расстояниях ситуация меняется: взаимодействие становится сильным, и простое приближение свободных кварков перестаёт работать. Кварки наблюдаются только внутри составных частиц — адронов. Это явление называют конфайнментом. Конфайнмент и асимптотическая свобода тесно связаны с поведением квантовой хромодинамики на разных масштабах, хотя одно не является простым математическим доказательством другого. Такая необычная зависимость силы взаимодействия от расстояния стала одной из определяющих особенностей квантовой хромодинамики, или QCD, — современной теории сильного взаимодействия.

Ключ к этому поведению связан с тем, что переносчики сильного взаимодействия — глюоны — сами несут цветовой заряд и взаимодействуют друг с другом. Это принципиально отличает QCD от квантовой электродинамики, где фотон электрического заряда не имеет. В результате квантовые флуктуации в вакууме изменяют наблюдаемую силу взаимодействия между кварками особым образом: на малых расстояниях эффективная константа связи уменьшается. Политцер, Гросс и Вильчек обнаружили именно математическое свойство теории, которое делает такое поведение возможным.

Открытие стало решающим шагом в становлении QCD как теории сильного взаимодействия и позволило связать квантовую теорию поля с результатами экспериментов на ускорителях. В 2004 году Хью Дэвид Политцер, Дэвид Гросс и Фрэнк Вильчек получили Нобелевскую премию по физике «за открытие асимптотической свободы в теории сильного взаимодействия». Формулировка премии подчёркивала совместное значение трёх независимых вкладов, а не приписывала открытие одному исследователю.

После защиты докторской диссертации Политцер продолжил заниматься теоретической физикой и связал значительную часть своей научной карьеры с Калифорнийским технологическим институтом. Его ранняя работа стала частью фундамента современной физики частиц. Асимптотическая свобода объясняет, почему сильное взаимодействие может одновременно удерживать кварки внутри вещества и позволять физикам рассматривать их почти как свободные объекты в столкновениях при очень высоких энергиях.