Toichiro Kinoshita: teoretikeren, hvis beregninger af g-2 kaster lys over vores forståelse af naturen - Physics World

Både i sit personlige og sit professionelle liv, den banebrydende teoretiske fysiker Toichiro "Tom" Kinoshita smedet den mest stabile vej gennem de mest tumultariske tider. Født den 23. januar 1925 i Tokyo, Japan, tilbragte han størstedelen af ​​sin karriere i USA, hvor han spillede en banebrydende rolle i udviklingen af kvanteelektrodynamik (QED). Mest bemærkelsesværdigt er hans beregninger af en af ​​dens nøglekonstanter – g-2 – hjalp med at gøre QED til den mest præcise teori i fysikkens historie.

Kinoshita, der døde den 23. marts 2023 i en alder af 98 år, var ikke fremmed for mig. Han var svigerfar til en nær ven, og jeg havde kendt ham i næsten tre årtier. Faktisk var jeg heldig at kunne tale med Kinoshita i dybden om hans lange og frugtbare karriere i løbet af en otte timers mundtlig historieinterview som jeg udførte i 2016 for Niels Bohr Bibliotek og Arkiv fra American Institute of Physics.

japanske rødder

Som jeg opdagede under vores samtale, var Kinoshita arving til en familie af risgårdsejere, som forventede, at deres mandlige barn ville overtage familievirksomheden. Deres planer blev forstyrret af Japans rolle i Anden Verdenskrig, som allerede var begyndt, da Kinoshita var teenager. De fleste af hans jævnaldrende blev udnævnt til at tjene i militæret, mange kom aldrig tilbage.

Men Kinoshita var heldig. Det japanske militær ønskede, at dem, der havde et talent for fysik, skulle beregne bombebaner for artilleri-spærringer ved kampfronten. Myndighederne pressede derfor Kinoshita igennem en tæt komprimeret version af hans gymnasie- og college-pensum på University of Tokyo. Undervejs lærte han avanceret fysik fra mentorer, der underviste i artikler, smuglet ind i Japan med ubåd, som var skrevet af Werner Heisenberg og andre tyske fysikere.

Kinoshita lærte avanceret fysik fra mentorer, der underviste i artikler, smuglet ind i Japan med ubåd, som var skrevet af Werner Heisenberg og andre tyske fysikere

I august 1945, mens han var på sin universitetsferie, var Kinoshita hjemme hos sine forældre i byen Yonago da han i radioen hørte, at Hiroshima, der lå omkring 125 km mod syd, var blevet fladtrykt. Som han fortalte mig i vores interview, vidste Kinoshita – fra eksplosionens størrelse – at dette ikke var en almindelig bombe, men en der skulle udnytte atomenergi. "Jeg vidste, hvad atomenergi kan gøre, så jeg tænkte med det samme, at det her måtte være en A-bombe," sagde han.

Et par dage senere var han kl Shinjuku togstation i Tokyo, da alle uventet blev bedt om at blive stående til vigtige nyheder. I hvad der var et meget usædvanligt træk, kom den japanske kejser på højttaleranlægget for at meddele, at Japan havde overgivet sig. Kinoshita var lettet, ligesom andre omkring ham også var; som så mange japanere var han bange for og rystet over den krig, som hans lands militære ledere begyndte. "Wow, det er godt. Jeg behøver ikke dø,” huskede han, da han tænkte.

Hundredtusindvis af amerikanske tropper ankom et par uger senere og besatte landet. Den nye amerikansk indsatte regering pressede et landsdækkende landreformprogram igennem. Kinoshita-familiens jord blev beslaglagt og fordelt blandt dens andelshavere, hvilket efterlod Kinoshita uden arv. Hvor mærkeligt det end kan virke, var han begejstret, fordi hans pludselige fattigdom befriede ham fra familiens forventninger om, at han ville blive udlejer af risfarme. I stedet ville han være i stand til at forfølge fysik.

Efter at have overlevet på stipendier fra University of Tokyo og fra undervisning i fysikklasser på et andet nærliggende universitet, dimitterede Kinoshita i 1947, før hun fortsatte med at tage en ph.d. Hans mentor var Sin-Itiro Tomonaga, som senere delte 1965 Nobelprisen i fysik med Richard Feynman og Julian Schwinger. Tomonaga gjorde Kinoshita opmærksom på Robert Oppenheimer, den amerikanske fysiker, der havde stået i spidsen for Manhattan-atombombeprojektet.

Freeman Dyson: den visionære tænker og maverick-videnskabsmand, der udfordrede autoritet

Oppenheimer arrangerede til gengæld Kinoshita og hans kollega Yoichiro Nambu – en anden fremtid Nobelprisvinderen – at være postdoc ved Institut for videregående studier (IAS) i Princeton, New Jersey. Kinoshita kunne dog knap skrabe pengene sammen til passagen, og han blev tvunget til at tage en fragtbåd fra Tokyo til Seattle. Han måtte også efterlade sin kone Masako eller "Masa" Kinoshita (født Matsuoka) – en tidligere elev i en af ​​hans klasser, som han havde giftet sig med i 1951. Hendes velhavende forældre, medlemmer af Japans lille marxistiske samfund, var blevet fængslet under krig, så tabte alt, da allierede bomber ødelagde deres familievirksomhed.

Fra Seattle besøgte Kinoshita laboratorier på den amerikanske vestkyst, herunder Lawrence Berkeley Laboratory og California Institute of Technology. Rejste med bus og tog tog han mod øst over Rockies, hvor han først besøgte Denver og derefter Enrico Fermis laboratorium i Chicago. Til sidst ankom han til Princeton, og hans kone sluttede sig til ham i 1953. Senere samme år boede han hos en værtinde, der ikke kunne udtale "Toichiro", og derfor døbte ham "Tom" - et navn, der skulle holde sig resten af ​​hans liv .

Vaklende fundamenter

I 1956 – efter to år på IAS og endnu et på Columbia University i New York – endte Tom og Masa på Cornell University, hvor han blev resten af ​​sin karriere. Der øvede Masa sig en traditionel japansk tekstilkunstform kendt som kumihimo, eller "samlede tråde", gav workshops i USA og Japan og udgav en monumental 360-siders bog om emnet i 1994. Hun genopdagede og udviklede en arkaisk og næsten glemt form for kumihimo der involverede komplekse loops, som omdisponerede det ved hjælp af hendes baggrund i matematik.

I 1962 besøgte Kinoshita CERN på et Ford Foundation-stipendium. På den anden dag af sit besøg i Genève deltog han i en laboratorierundvisning, og mens han var på det allerførste stop - blev han fascineret af en graf, som eksperimenterer ved Proton synkrotron havde klæbet til væggen. Efter at have målt den måde, myoner slingrer i et magnetfelt, ønskede de at vide, hvordan deres resultater stemte overens med den teoretiske værdi, og ledte efter nogen, der kunne beregne det.

Kinoshita var forbløffet over grafen, som mindede ham om aspekter af den forskning i QED, han havde udført med Tomonaga under krigen. Han droppede ud af turen, gik på biblioteket og arbejdede resten af ​​natten. Næste morgen vendte han tilbage til protonsynkrotronen og fortalte forsøgsdeltagerne: "Jeg ved hvordan!"

Det var spændende arbejde, for nummeret var intimt vævet ind i grundlaget for QED. Denne teori opfatter partikler som roterende magneter, med forholdet mellem deres magnetiske momenter og deres spin kendt som g. I den enkleste form for kvantemekanik, g har en værdi på præcis 2. Men virkeligheden måtte være anderledes, for myoner trækkes af spor af alle andre partikler – kendte og ukendte, leptoner og hadroner – som hver især en smule påvirker slingren.

I betragtning af at QED var en plan, der inkorporerede alt, hvad teoretikere vidste om, er forskellen mellem den eksperimentelt bestemte værdi af g og 2 målte derfor omfanget og nøjagtigheden af ​​hele QED's teoretiske arkitektur. Med andre ord at måle g-2 kunne afsløre, om den arkitektur var sund, selvom den ikke kunne fortælle dig den nøjagtige placering af en defekt.

I virkeligheden, g-2 var så fundamental for QED, at hvis naturen indeholdt ny fysik – partikler eller kræfter, der endnu ikke er opdaget, og dermed ikke i teorien – ville de vise sig som forskellen mellem den teoretisk forudsagte mængde og værdien målt i eksperimenter. Sjældent giver det mening at gå helt op i at forfølge beregninger af et tal; ingen måler opskriftens ingredienser til tusindedele af et gram eller benzin til milliardtedele af en liter. Men g-2 er anderledes. Fra en myons slingre kan du få præcision.

Beregningerne var dog utrolig svære, fordi de var uløselige og derfor skulle fortsætte i en række på hinanden følgende, stadig mere præcise tilnærmelser. Hvad mere er, skulle hver nyopdaget partikel og kraft inkorporeres. Fysikere udtrykker almindeligvis denne kompleksitet i form af "Feynman-diagrammer" for hver mulig interaktion, hvor hvert diagram svarer til en række lange ligninger, og Kinoshita var nødt til at evaluere hundredvis og endda tusindvis af dem.

Når fysikere siger, at QED er den mest præcist beregnede teori i videnskabshistorien, kan de takke Kinoshita

Dengang arbejdede Kinoshita alene og i hånden med at regne g-2. Som årene gik, tog han flere hjælpere og brugte kraftigere computere. Kinoshita tilbragte til sidst over et halvt århundrede som pioner inden for fysikbrug af supercomputere og blev en af ​​deres største brugere, da han summerede seks, otte og derefter 10 ordrer af Feynman-diagrammer at beregne g-2 stadig mere præcist. Når fysikere siger, at QED er den mest præcist beregnede teori i videnskabshistorien, kan de takke Kinoshita.

I mellemtiden blev en række stadig større og mere præcise eksperimenter bygget for at sammenligne den eksperimentelle værdi med hans: en sekvens på tre på CERN, en på Brookhaven National Laboratory , en anden hos Fermilab. Nogle gange var resultaterne tæt på Kinoshitas tal, og spredte frygt blandt fysikere for, at der ikke var nogen ny fysik, mens resultaterne på andre tidspunkter var så langt væk fra den forudsagte værdi, at både eksperimentelister og teoretikere var begejstrede.

Kinoshita blev en mere og mere profileret fysiker som den bedste person til at forstå grundlaget for partikelfysikkens standardmodel. Faktisk, g-2 blev et stadig mere højt profileret nummer, som verdens mest kraftfulde accelerator, den store Hadron Collider, fik færre og færre overraskelser.

På trods af at hun officielt trak sig tilbage fra Cornell i 1995, forblev Kinoshita aktiv i fysik. I 2018, 93 år gammel, udgav han et papir i Fysisk gennemgang D (97 036001) finpudse sin beregning af g-2 til 10. orden. Hans afsluttende papir – om den generelle teori om g-2 beregninger til alle ordrer – dukkede op året efter i atomer (7 28). Hans elev og tætte samarbejdspartner Makiko Niofra RIKEN forskningslaboratorium i Japan, er en af ​​fysikerne, der nu fortsætter arbejdet.

Det kritiske punkt

Stille, metodisk og omhyggelig, Kinoshita satte altid pris på eller ville bidrage til humoren i enhver situation. Sent i hans liv lærte vennerne at lede efter tegnet på, at han var ved at komme med en vittig bemærkning: en næsten umærkelig stigning i begge mundvige og en lille uddybning af de rynker, der omkransede dem. Til sidst flyttede Kinoshita væk fra Cornell, modvilligt, til et hus i Amherst, Massachusetts, bygget af arkitekten Ray Kinoshita, en af ​​hans tre døtre.

Hun havde designet et hus til sig selv med et separat opholdsområde til sine forældre, med shoji-skærme, åbne hylder og et træterrasse med udsigt ud i skoven, svarende til de boliger, de havde været vant til. University of Massachusetts gjorde Kinoshita til en adjunkt og gav ham et kontor, hvor han dukkede op næsten hver dag, indtil COVID ramte.

Udforskning af den nukleare verden: Gertrude Scharff-Goldhabers liv og videnskab

Beundrende kolleger stiller med jævne mellemrum Kinoshita frem til en Nobelpris. Han modtog det aldrig, sikkert fordi hans bidrag, selvom de er uundværlige for nutidig fysik, er svære at mærke. Fysikere har dog stor gavn af folk som Kinoshita, der er indgående fortrolige med de ressourcer, metoder og teknikker, der understøtter deres felt. Sådanne fysikere driver disciplinen fremad, men kan alligevel ikke let blive stukket i stykker som opdagere eller teoriskabere. Kinoshita var som en pålidelig og troværdig ingeniør, der giver dig tillid til, at det hus, du og hele dit samfund bor i, ikke vil kollapse.

Masa døde desværre sidste år, og Tom kort efter. De to vil blive begravet sammen i Ithaca, nær Cornell. Deres gravsten er designet af deres datter Ray og af Rays egen datter Emilia Kinoshita, designer og materialeforsker. Det vil indeholde en blanding af Feynman-diagrammer og kumihimo mønstre, der inkarnerer de dybeste former og rytmer i den uregerlige verden, som Masa og Tom gennemlevede og udforskede.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/toichiro-kinoshita-the-theorist-whose-calculations-of-g-2-shed-light-on-our-understanding-of-nature/