Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 254

2. května 2016

Tomonaga – úsvit kvantové elektrodynamiky

Před 110 lety se narodil japonský teoretický fyzik a jedna z hlavních osobností kvantové elektrodynamiky, Šin-ičiró Tomonaga.

Fotogalerie (1)

Šin-ičiró Tomonaga (zdroj Wikimedia Commons)

Dějiny fyziky jsou dějinami trpělivého a nikdy nekončícího hledání přírodních zákonů. Na konci druhého milénia fyzikové otevřeli okna do podivuhodného světa elementárních částic. Od zárodečné podoby kvantové fyziky, kterou předložil na zasedání Německé fyzikální společnosti v Berlíně profesor Max Planck 14. prosince 1900, vede stále se rozšiřující cesta až ke kvantové mechanice, popisující chování subatomárních částic, ale také vysvětlující, proč a jak se tyto částice shlukují a vytvářejí atomy, z atomů molekuly a z molekul takové látky, jaké známe z každodenního života – a vedle nich i formy dosud nepoznané. Kvantová fyzika je nezvyklá, ale neuvěřitelně účinná teorie subatomárního světa, která nám nedává názorné odpovědi v jazyce obvyklých klasických představ. Říká například, že nějaká částice může existovat v celé řadě různých stavů zároveň, a to s různými pravděpodobnostmi. Kvantová fyzika také stírá principiální rozdíl mezi částicí a polem. Vzájemné působení – interakce – mezi částicemi tvořícími látku je v klasické fyzice popsáno polem; kvantová fyzika však i toto pole kvantuje na nové částice – bosony. Tak protony (tvořené kvarky) a elektrony spolu podle klasické elektrodynamiky interagují elektromagnetickým polem; to je však podle kvantové elektrodynamiky kvantováno na fotony. Částice i pole jsou popsána stejným formalismem – vlnovými rovnicemi.

Kvantové teorie

V roce 1927 se zrodila kvantová teorie elektromagnetického pole. Jde o aplikaci principů kvantové mechaniky na elektromagnetické pole (kde vede k fotonům) a na pole popisující elektrony a pozitrony. Jako velmi obtížný úkol se ukázalo vypracovat její matematický základ; to se podařilo až v roce 1948. Podíleli se na tom američtí fyzikové Richard Feynman (1918-1988), Julian Schwinger (1918-1994) a zcela nezávisle na nich také japonský teoretický fyzik Šin-ičiró (Sin-itiro) Tomonaga. Letos si v kalendáři historie vědy a techniky připomínáme 110 let od jeho narození.

V Kjótu studoval na císařské univerzitě

Teoretický fyzik světového významu Šin-ičiró Tomonaga se narodil 31. března 1906 v Tokiu jako syn univerzitního profesora filozofie Sanjróa Tomonagy. Studoval fyziku a matematiku na císařské univerzitě v Kjótu (Kyoto Imperial University), považované již tehdy za jednu z nejlepších v Japonsku. Ihned po absolutoriu zde začal přednášet, ale záhy nastoupil do Výzkumného institutu fyziky a chemie v hlavním městě Tokiu.

Již během vysokoškolských studií se seznámil s budoucím celoživotním věrným přítelem, blízkým věkem i vědeckým zaměřením, Hideki Yukawou (1907-1981), který se v roce 1949 stal prvním japonským laureátem Nobelovy ceny za fyziku za mezonovou teorii vazeb v atomovém jádru. Přestože byli přátelé, názorově po celý život neústupně vědecky soupeřili. Během studijního pobytu na univerzitě v Lipsku v letech 1937 až 1939, kde pracoval na doktorandské práci týkající se jaderných materiálů, se Tomonaga současně zabýval jadernou fyzikou a kvantovou teorií u nositele Nobelovy ceny za fyziku (1932), profesora Wernera Heisenberga.

Cesta k Nobelově ceně za fyziku

V souvislosti se zahájením druhé světové války se vrátil předčasně domů a v roce 1941 se stal profesorem teoretické fyziky na Tokijské univerzitě, kde později založil Institut jaderných studií (tvořený skupinou specializovaných badatelů - teoretických fyziků). Byl prezidentem univerzity a předsedou japonské státní vědecké rady. Nezávisle na amerických vědcích R. P. Feynmanovi a J. S. Schwingerovi vypracoval základní principy kvantové elektrodynamiky s hlubokými důsledky pro fyziku elementárních částic, za což se pak s nimi po více než dvaceti letech v roce 1965 podělil o Nobelovu cenu za fyziku. Teprve jejich práce nalezly odpověď na mnohé nevyřešené problémy teorie pole, kterou ve dvacátých letech minulého století založili Němec W. K. Heisenberg, Švýcar W. Pauli a Francouz P. A. M. Dirac. Profesor Tomonaga, v pořadí druhý japonský nobelista v oboru fyziky a chemie (dnes je jich 22), zemřel ve věku 73 let v Tokiu 8. července 1979.

Čas války

Jeho život a práci silně ovlivnila příprava a průběh druhé světové války, do které se proti Japonsku jako spojenci Německa zapojily také Spojené státy. Mezinárodní vědecké kontakty a výměna informací – zvláště ve strategické oblasti jaderné fyziky a chemie, zaměřené tehdy na vývoj jaderných zbraní – se přerušily na nejméně dvě desetiletí. Je možné, že Tomonaga přišel na jednu z nejúspěšnějších teorií, která kdy byla navržena (od své první formulace nebyla podstatně doplněna ani vylepšena) jako první, ale vzhledem k izolaci japonských vědců mohl své myšlenky uveřejnit až po skončení války.

Odstranil nepohodlná nekonečna

Svoji vědeckou práci zaměřil především na problémy jaderné fyziky – teorii atomového jádra a interakci elementárních částic a polí. Již v doktorandské práci se věnoval otázkám vnitřního tření a tepelné vodivosti jaderných materiálů. Poté se převážně zabýval mezonovou teorií (mezony jsou středně těžké nestabilní částice s hmotností ležící mezi hmotností elektronu a protonu, rozpadající se nakonec po velmi krátké době na elektrony a neutrina) a studiem struktury mezonových polí. Během druhé světové války vypracoval teorii oscilačního mechanismu magnetronu. Pro tehdejší úroveň poznání v elektronice byla významná obzvlášť teorie mikrovlnných stereoobvodů, kterou zkonstruoval jako analogii s teorií atomového jádra. (Japonci zamýšleli použít magnetrony, silné generátory mikrovln, ve válce.) V kvantové elektrodynamice se zabýval odstraněním nekonečných hodnot některých výrazů (např. vlastní energie elektronu), které by se neměly objevit v konečných výsledcích (např. interakční energie soustavy dvou elektronů), tzv. renormalizací, a našel vhodné metody, i když byl izolován od poznatků zahraničních vědců.

Teorie popisující atomy i galaxie

Kvantová elektrodynamika popisuje elektromagnetickou interakci, tedy vedle gravitace jedinou interakci pozorovatelnou v makrosvětě (vedle nich jsou ještě slabá a silná interakce v mikrosvětě). Týká se tedy všech jevů všedního života a obyčejného světa, od pevné půdy pod našima nohama až po funkci laseru, od chemie metabolismu až po práci počítače. Jeden ze zakladatelů tohoto odvětví, legendární americký fyzik Richard Feynman, ji nazval „klenotem fyziky“. A nakonec slovní hříčka: QED je tradiční značka pro konec matematického důkazu, Quod erat demonstrandum (což bylo dokázati). Ve fyzice se ale zkratkou QED označuje kvantová elektrodynamika.

Zdroje

Asimov, I.: Atom. Cesta subatomárním vesmírem. Jota. Brno 1997.
Bakerová, J.: Fyzika. 50 myšlenek, které musíte znát. Slovart. Praha 2013.
Bober, J.: Laureáti Nobelovy ceny. Obzor. Bratislava 1971.
Brož, I.: Slasti a strasti. Příběhy ze života nositelů Nobelovy ceny a jejího zakladatele. Olympia. Praha 2010.
Bührke, T.: Převratné objevy fyziky - Od Gallilea k Lise Meitnerové. Academia. Praha 1999.

Ferreira, P. G.: Nádherná teorie. Sto let obecné teorie relativity. Vyšehrad. Praha 2015.

Feynman, R., P.: Neobyčejná teorie světla a látky - Kvantová elektrodynamika. Aurora. Praha 2001.

Houdek, F.: Moudrost vědy v citátech. Triton. Praha 2015.

Chown, M.: Kvantová teorie nikoho nezabije. Kniha Zlín. Zlín 2010.

Norrby, E.: Nobelovy ceny a přírodní vědy. Academia. Praha 2013.

Heřman, J.: Od jantaru k tranzistoru. FCC Public. Praha 2006.

Jackson, T.: Fyzika. 100 objevů, které změnily historii. Slovart. Praha 2014.

Kraus, I.: Století fyzikálních objevů. Academia. Praha 2014.

Kvasnica, J.: Matematický aparát fyziky. Academia. Praha 2000.

Manly, S., L.: Teorie relativity a kvantová fyzika pro začátečníky. Vopěnka Martin-Práh. Praha 2015.

Parsons, P., aj.: 30 vteřin na vědu. Fortuna. Praha 2012.

Pickhover, C. A.: Kniha o fyzice. Argo/Dokořán. Praha 2015.