Julian Seymour Schwinger ( / ˈ ʃ w ɪ ŋ ər / ; 12 de febrero de 1918 - 16 de julio de 1994) fue un físico teórico estadounidense ganador del Premio Nobel . Es mejor conocido por su trabajo en electrodinámica cuántica (QED), en particular por desarrollar una teoría de perturbaciones relativistamente invariante y por renormalizar QED a un orden de bucle. Schwinger fue profesor de física en varias universidades.
Schwinger es reconocido como uno de los más grandes físicos del siglo XX, responsable de gran parte de la teoría cuántica de campos moderna, incluido un enfoque variacional , y las ecuaciones de movimiento para campos cuánticos. Desarrolló el primer modelo electrodébil y el primer ejemplo de confinamiento en dimensiones 1+1. Es responsable de la teoría de los neutrinos múltiples, los términos de Schwinger y la teoría del campo de espín 3/2.
Julian Seymour Schwinger nació en la ciudad de Nueva York, de padres judíos asquenazíes , Belle (de soltera Rosenfeld) y Benjamin Schwinger, un fabricante de prendas de vestir, [1] que había emigrado de Polonia a los Estados Unidos. Tanto su padre como los padres de su madre eran prósperos fabricantes de ropa, aunque el negocio familiar decayó después del desplome de Wall Street de 1929 . La familia siguió la tradición judía ortodoxa . El hermano mayor de Julian, Harold Schwinger, nació en 1911, siete años antes que Julian, que nació en 1918. [2]
Schwinger fue un estudiante precoz. Asistió a la escuela secundaria Townsend Harris de 1932 a 1934, una escuela secundaria de gran prestigio para estudiantes superdotados en ese momento. Durante la secundaria, Julian ya había comenzado a leer artículos de Physical Review de autores como Paul Dirac en la biblioteca del City College de Nueva York , en cuyo campus se encontraba entonces Townsend Harris. [3]
En el otoño de 1934, Schwinger ingresó como estudiante universitario en el City College de Nueva York. CCNY aceptó automáticamente a todos los graduados de Townsend Harris en ese momento y ambas instituciones ofrecieron matrícula gratuita. Debido a su intenso interés en la física y las matemáticas, Julian se desempeñó muy bien en esas materias a pesar de faltar a clases con frecuencia y aprender directamente de los libros. Por otro lado, su falta de interés por otros temas como el inglés le provocó conflictos académicos con los profesores de dichas materias. [4]
Después de que Julian se unió a CCNY, su hermano Harold, que anteriormente se había graduado de CCNY, le pidió a su ex compañero de clase Lloyd Motz que "conociera a [Julian]". Lloyd fue instructor de física de CCNY y Ph.D. candidato en la Universidad de Columbia en ese momento. Lloyd lo conoció y pronto reconoció el talento de Julian. Al darse cuenta de los problemas académicos de Schwinger, Lloyd decidió pedirle ayuda a Isidor Isaac Rabi , a quien conocía en Columbia. Rabi también reconoció inmediatamente las capacidades de Schwinger en su primera reunión y luego hizo arreglos para otorgarle a Schwinger una beca para estudiar en Columbia. Al principio, las malas notas de Julian en algunas materias en CCNY impidieron que le concedieran la beca. Pero Rabi persistió y mostró un artículo inédito sobre electrodinámica cuántica escrito por Schwinger a Hans Bethe , que casualmente estaba de paso por Nueva York. La aprobación del artículo por parte de Bethe y su reputación en ese ámbito fueron suficientes para asegurar la beca para Julian, quien luego se transfirió a Columbia. Su situación académica en Columbia era mucho mejor que en CCNY. Fue aceptado en la sociedad Phi Beta Kappa y recibió su licenciatura en 1936. [5]
Durante los estudios de posgrado de Schwinger, Rabi sintió que sería bueno para Julian visitar otras instituciones en todo el país, y Julian recibió una beca de viaje para el año 37/38 que pasó trabajando con Gregory Breit y Eugene Wigner . Durante este tiempo, Schwinger, que anteriormente ya tenía la costumbre de trabajar hasta altas horas de la noche, fue más allá e hizo más completo el cambio día/noche, trabajando de noche y durmiendo de día, costumbre que llevaría a lo largo de su carrera. Schwinger comentó más tarde que este cambio era en parte una forma de conservar una mayor independencia intelectual y evitar ser "dominado" por Breit y Wigner simplemente reduciendo la duración del contacto con ellos trabajando en diferentes horas. [6]
Schwinger obtuvo su doctorado bajo la dirección de Rabi en 1939, a la edad de 21 años.
Durante el otoño de 1939, Schwinger comenzó a trabajar en la Universidad de California, Berkeley , con J. Robert Oppenheimer , donde permaneció durante dos años como miembro del NRC . [7]
Después de haber trabajado con Oppenheimer, el primer nombramiento académico regular de Schwinger fue en la Universidad Purdue en 1941. Mientras estaba de permiso en Purdue, trabajó en el Laboratorio de Radiación del MIT en lugar de en el Laboratorio Nacional de Los Álamos durante la Segunda Guerra Mundial. Proporcionó apoyo teórico para el desarrollo del radar . Después de la guerra, Schwinger dejó Purdue para ir a la Universidad de Harvard , donde enseñó de 1945 a 1974. En 1966 se convirtió en profesor de física Eugene Higgins en Harvard.
Schwinger desarrolló una afinidad por las funciones de Green a partir de su trabajo con radar, y utilizó estos métodos para formular la teoría cuántica de campos en términos de funciones locales de Green de una manera relativistamente invariante. Esto le permitió calcular sin ambigüedades las primeras correcciones al momento magnético del electrón en electrodinámica cuántica. Trabajos anteriores no covariantes habían llegado a respuestas infinitas, pero la simetría adicional en sus métodos permitió a Schwinger aislar las correcciones finitas correctas.
Schwinger desarrolló la renormalización , formulando la electrodinámica cuántica sin ambigüedades en el orden de un bucle.
En la misma época, introdujo métodos no perturbativos en la teoría cuántica de campos, calculando la velocidad a la que se crean pares electrón - positrón al hacer túneles en un campo eléctrico, un proceso ahora conocido como "efecto Schwinger". Este efecto no se puede observar en ningún orden finito en la teoría de la perturbación.
El trabajo fundamental de Schwinger sobre la teoría cuántica de campos construyó el marco moderno de las funciones de correlación de campos y sus ecuaciones de movimiento . Su enfoque comenzó con una acción cuántica y permitió que bosones y fermiones fueran tratados por igual por primera vez, utilizando una forma diferencial de integración de Grassman . Dio elegantes demostraciones del teorema de la estadística de espín y del teorema CPT , y señaló que el álgebra de campo conducía a términos de Schwinger anómalos en varias identidades clásicas, debido a singularidades de corta distancia. Estos fueron resultados fundamentales en la teoría de campos, fundamentales para la comprensión adecuada de las anomalías .
En otros trabajos tempranos notables, Rarita y Schwinger formularon la teoría abstracta de Pauli y Fierz del campo spin-3/2 en una forma concreta, como un vector de espinores de Dirac, ecuación de Rarita-Schwinger . Para que el campo de espín 3/2 interactúe consistentemente, se requiere alguna forma de supersimetría , y Schwinger lamentó más tarde no haber seguido este trabajo lo suficiente como para descubrir la supersimetría.
Schwinger descubrió que los neutrinos existen en múltiples variedades, una para el electrón y otra para el muón . Hoy en día se sabe que existen tres neutrinos ligeros; el tercero es el compañero del leptón tau .
En la década de 1960, Schwinger formuló y analizó lo que hoy se conoce como modelo de Schwinger , la electrodinámica cuántica en una dimensión espacial y temporal, el primer ejemplo de una teoría confinante . También fue el primero en sugerir una teoría de calibre electrodébil, un grupo de calibres espontáneamente transformado en electromagnético a largas distancias. Su alumno Sheldon Glashow amplió esto al patrón aceptado de unificación electrodébil. Intentó formular una teoría de electrodinámica cuántica con monopolos magnéticos puntuales , un programa que tuvo un éxito limitado porque los monopolos interactúan fuertemente cuando el cuanto de carga es pequeño.
Habiendo supervisado 73 tesis doctorales, [8] Schwinger es conocido como uno de los asesores graduados en física más prolíficos. Cuatro de sus alumnos ganaron premios Nobel: Roy Glauber , Benjamin Roy Mottelson , Sheldon Glashow y Walter Kohn (en química).
Schwinger tenía relaciones mixtas con sus colegas, porque siempre se dedicó a una investigación independiente, diferente de la moda convencional. En particular, Schwinger desarrolló la teoría de la fuente , [9] una teoría fenomenológica para la física de partículas elementales, que es predecesora de la moderna teoría del campo efectivo . Trata los campos cuánticos como fenómenos de larga distancia y utiliza "fuentes" auxiliares que se asemejan a las corrientes de las teorías de campos clásicas. La teoría fuente es una teoría de campo matemáticamente consistente con resultados fenomenológicos claramente derivados. Las críticas de sus colegas de Harvard llevaron a Schwinger a dejar la facultad en 1972 para ir a la UCLA . Es una historia ampliamente contada que Steven Weinberg , quien heredó la oficina con paneles de Schwinger en el Laboratorio Lyman , encontró allí un par de zapatos viejos, con el mensaje implícito: "¿Crees que puedes llenar estos?" A partir de la teoría de las fuentes de Schwinger, Weinberg sentó las bases de la teoría del campo efectivo, más apreciada entre los físicos. A pesar del incidente de los zapatos, Weinberg le dio el crédito a Schwinger por la inspiración. [10]
En UCLA, y durante el resto de su carrera, Schwinger continuó desarrollando la teoría de las fuentes y sus diversas aplicaciones. Después de 1989, Schwinger se interesó mucho por la investigación no convencional sobre la fusión fría . Escribió ocho artículos teóricos al respecto. Renunció a la Sociedad Estadounidense de Física después de que ésta se negara a publicar sus artículos. [11] Sintió que se estaba suprimiendo la investigación sobre la fusión fría y se estaba violando la libertad académica. Escribió: "La presión por la conformidad es enorme. La he experimentado en el rechazo de los editores a los artículos enviados, basándose en críticas venenosas de árbitros anónimos. La sustitución de la revisión imparcial por la censura será la muerte de la ciencia".
En sus últimas publicaciones, Schwinger propuso una teoría de la sonoluminiscencia como un fenómeno radiativo cuántico a larga distancia asociado no con átomos, sino con superficies que se mueven rápidamente en una burbuja que colapsa, donde hay discontinuidades en la constante dieléctrica. El mecanismo de sonoluminiscencia respaldado ahora por experimentos se centra en el gas sobrecalentado dentro de la burbuja como fuente de luz. [12]
Schwinger recibió conjuntamente el Premio Nobel de Física en 1965 por su trabajo sobre electrodinámica cuántica (QED), junto con Richard Feynman y Shin'ichirō Tomonaga . Los premios y honores de Schwinger fueron numerosos incluso antes de ganar el Nobel. Incluyen el primer Premio Albert Einstein (1951), la Medalla Nacional de Ciencias de EE. UU. (1964), el D.Sc. títulos de la Universidad Purdue (1961) y la Universidad de Harvard (1962), y el Premio Naturaleza de la Luz de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos (1949). En 1987, Schwinger recibió el premio Golden Plate de la American Academy of Achievement . [13]
Como físico famoso, Schwinger fue comparado a menudo con otro físico legendario de su generación, Richard Feynman . Schwinger tenía una inclinación más formal y favorecía las manipulaciones simbólicas en la teoría cuántica de campos . Trabajó con operadores de campos locales, encontró relaciones entre ellos y consideró que los físicos deberían comprender el álgebra de los campos locales, por paradójico que fuera. Por el contrario, Feynman era más intuitivo y creía que la física podía extraerse enteramente de los diagramas de Feynman , que daban una imagen de las partículas. Schwinger comentó sobre los diagramas de Feynman de la siguiente manera:
Al igual que los chips de silicio de años más recientes, el diagrama de Feynman estaba acercando la computación a las masas. [14] [15]
A Schwinger no le gustaban los diagramas de Feynman porque sentía que hacían que el estudiante se centrara en las partículas y se olvidara de los campos locales, lo que, en su opinión, inhibía la comprensión. Llegó incluso a prohibirlos por completo en su clase, aunque los entendía perfectamente bien. Sin embargo, la verdadera diferencia es más profunda y Schwinger la expresó en el siguiente pasaje:
Con el tiempo, estas ideas condujeron a formulaciones lagrangianas o de acción de la mecánica cuántica, que aparecen en dos formas distintas pero relacionadas, que distingo como diferencial e integral . Este último, encabezado por Feynman, ha tenido toda la cobertura periodística, pero sigo creyendo que el punto de vista diferencial es más general, más elegante, más útil. [dieciséis]
A pesar de compartir el Premio Nobel, Schwinger y Feynman tenían un enfoque diferente de la electrodinámica cuántica y de la teoría cuántica de campos en general. Feynman utilizó un regulador , mientras que Schwinger pudo renormalizar formalmente a un bucle sin un regulador explícito. Schwinger creía en el formalismo de los campos locales, mientras que Feynman tenía fe en los caminos de las partículas. Seguían de cerca el trabajo de los demás y cada uno se respetaba. A la muerte de Feynman, Schwinger lo describió como
Un hombre honesto, el destacado intuicionista de nuestra época y un excelente ejemplo de lo que le espera a cualquiera que se atreva a seguir el ritmo de un tambor diferente. [17]
Schwinger murió de cáncer de páncreas . Está enterrado en el cementerio Mount Auburn ; , donde es constante la fina estructura , está grabado encima de su nombre en su lápida. Estos símbolos hacen referencia a su cálculo de la corrección ("anómala") al momento magnético del electrón .
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