Лю́элин Хи́ллет То́мас ( англ. Llewellyn Hilleth Thomas ; 21 октября 1903 , Лондон — 20 апреля 1992 , Роли ) — британский и американский физик-теоретик и специалист по прикладной математике . Научные работы Томаса посвящены атомной , ядерной и молекулярной физике , теории относительности , астрофизике , гидродинамике , теории ускорителей элементарных частиц , созданию и использованию вычислительных методов решения физических задач. К основным достижениям учёного относятся использование релятивистских эффектов для расчёта спин-орбитального взаимодействия в атоме водорода ( прецессия Томаса ) и создание приближённой теории многочастичных квантовых систем ( теория Томаса — Ферми ).

Биография

Лондон — Кембридж — Копенгаген (1903—1929)

Люэлин Хиллет Томас родился в Лондоне и был старшим из пяти детей в семье, имевшей валлийские корни. Его отец Чарльз Джеймс Томас был медицинским инспектором Лондона ( ). До семи лет Хиллет, как его обычно называли родственники и друзья, воспитывался дома матерью Уинифред Мэй Томас (до замужества Льюис), которая обучила сына чтению, письму, арифметике, элементарной геометрии и истории. Затем он поступил в частную начальную школу, а с 11 до 18 лет посещал лондонскую частную школу , где изучал латинский и греческий языки, математику, физику и химию, в том числе по книгам Дж. Дж. Томсона ( Elements of Electricity and Magnetism ), Джеймса Джинса ( Mechanics ) и Уильяма Осгуда ( Calculus ). В 1919 году Томас сдал вступительные экзамены в Лондонский университет , а в 1921 году — экзамены, предшествующие выпускному ( intermediate examination ), и получил стипендию на обучение в Тринити-колледже Кембриджского университета с упором на чистую и прикладную математику. В Кембридже он посещал лекции Чарльза Галтона Дарвина , Джона Литтлвуда , Джеффри Тэйлора , Ральфа Фаулера , Артура Эддингтона , Артура Милна и Джозефа Лармора . В 1923 году Томас получил стипендию на обучение в высшем колледже ( senior college scholarship ), а спустя год, после успешного прохождения математического курса ( ), получил степень бакалавра искусств по математике с отличием и стипендию Исаака Ньютона ( Isaac Newton Studentship ) .

К этому времени Томас начал работать под руководством Ральфа Фаулера над вопросами, связанными с квантовой теорией строения атома. Квантовая механика ещё не была создана к этому моменту, поэтому проблема прохождения заряженных частиц через вещество рассматривалась начинающим учёным в рамках так называемой старой квантовой теории , в частности им использовались некоторые результаты Дугласа Хартри (другого ученика Фаулера), касавшиеся орбит электронов в атоме Бора . Томас также написал работу по адиабатическим инвариантам в квантовой теории и был награждён за неё премией Смита ( ). В 1925 году Томас получил стипендию на прохождение стажировки ( traveling fellowship ) и отправился на год в Институт Нильса Бора в Копенгагене , один из основных центров, где в то время как раз создавалась квантовая механика . Однако, по его собственному признанию, Томас «всегда медленно принимал новые идеи и ничего из этого не понимал в течение четырёх или пяти лет» .

За время пребывания в Копенгагене молодой учёный, работая самостоятельно, получил несколько важных результатов. В статье «Вычисление атомных полей» ( англ. The calculation of atomic fields , 1927) он разработал квазиклассическую статистическую модель атома, в которой электроны распределены однородно по фазовому пространству , причём электронная плотность однозначно связана с потенциальной энергией в электромагнитном поле, создаваемом ядрами и другими электронами. Получив самосогласованное уравнение для потенциала и численно решив его, Томас смог вычислить значение эффективного ядерного заряда, экранированного электронами, в удовлетворительном согласии с данными, взятыми из других источников. Теория была в 1927 году независимо развита Энрико Ферми , который применил для её разработки новую квантовую статистику, обобщена в 1930 году Полем Дираком , который учёл обменное взаимодействие между электронами, и потому носит название теории Томаса — Ферми или теории Томаса — Ферми — Дирака . В последующие годы модель Томаса — Ферми, несмотря на свою ограниченность, широко использовалась для получения приближённых качественных результатов в атомной и ядерной физике, физике плазмы, астрофизике, физике твёрдого тела и послужила прототипом современной теории функционала плотности , разработанной в середине 1960-х годов .

Другим достижением Томаса за время нахождения в Копенгагене стало объяснение величины расщепления линий тонкой структуры спектров за счёт так называемой прецессии Томаса — релятивистской поправки к спин-орбитальному взаимодействию , которая возникает вследствие некоммутативности сложения скоростей и которую необходимо учитывать при рассмотрении движения частицы со спином (электрона) вокруг ядра. Гипотеза спина, предложенная незадолго до этого Гаудсмитом и Уленбеком , вызывала сомнения, поскольку давала величину расщепления линий в атоме водорода, которая в два раза превышала наблюдаемую на опыте. Учёт релятивистских эффектов объяснил появление в формуле коэффициента ${\displaystyle 1/2}$ , часто называемого фактором Томаса, и тем самым позволил получить согласующуюся с экспериментальными данными тонкую структуру линий и их расщепление в аномальном эффекте Зеемана . Позже, в 1926 году, Томас рассмотрел общую задачу о движении вращающегося электрона во внешнем электромагнитном поле и получил уравнения, которые были переоткрыты в 1959 году и известны под названием уравнений Баргмана — Мишеля — Телегди ( Bargmann-Michel-Telegdi equation ). Эти соотношения нашли применение для объяснения эффектов спиновой поляризации в электрон-позитронных накопительных кольцах и в экспериментах с мюонами . Статья Томаса «Движение вращающегося электрона» ( англ. The Motion of the Spinning Electron , 1926) сыграла решающую роль в принятии представлений о спине и убедила в его существовании даже такого скептика, как Вольфганг Паули .

По возвращении в Кембридж Томас был избран членом ( fellow ) Тринити-колледжа, в 1927 году защитил докторскую диссертацию, а ещё год спустя получил степень магистра искусств .

Университет штата Огайо (1929—1946)

В 1929 году по рекомендации Фаулера Томас получил место доцента ( assistant professor ) в Университете штата Огайо , а в 1936 году он занял должность полного профессора физики. Здесь он преподавал ряд курсов по различным разделам физики, астрофизики и астрономии. В это время его научные интересы охватывали широкий круг тем: атомная и ядерная физика, астрофизика, квантовая теория сложных молекул и твёрдых тел , физика ускорителей , квантовая теория поля , динамика газов и жидкостей, вычислительная математика . Так, в 1930 году он написал пионерскую статью, посвящённую радиационной вязкости, то есть излучению электромагнитных волн движущимися потоками вещества, например, в окрестностях звёзд. В другой важной работе, написанной в 1935 году, Томас рассмотрел проблему взаимодействия между нуклонами и приложил свои результаты к описанию структуры ядра трития . В 1938 году он показал, что при определённой конфигурации магнитного поля, предполагающей периодическую зависимость от азимутального угла, орбиты заряженных частиц в циклотроне оказываются устойчивыми и изохронными . Этот результат лёг в основу идеи изохронного циклотрона, устройства, которое нашло широкое применение в ядерной физике и медицине .

Во время Второй мировой войны , в 1943—1945 годах, Томас работал на Абердинском испытательном полигоне , в Лаборатории баллистики ( ). Здесь он занимался военными исследованиями в области баллистики и физики взрыва, написал несколько внутренних отчётов и статью, посвящённую ударным волнам . Среди его коллег были Грегори Брейт , Субраманьян Чандрасекар и Эдвин Хаббл . После войны Томас продолжал сотрудничество с этой лабораторией и состоял членом её научного комитета. Учебный 1945/46 год стал последним, который он провёл в университете штата Огайо .

Колумбийский университет и IBM (1946—1968)

В 1946 году по рекомендации Исидора Раби и Джона фон Неймана Томас был приглашён на работу в только что организованную при Колумбийском университете Лабораторию научных вычислений имени Томаса Дж. Уотсона ( ), которая финансировалась корпорацией IBM . В соответствии с условиями работы в компании, он занял должность «техника» ( technician ) и занимался проблемами применения вычислительных машин для научных исследований, а также читал в университете лекции по методам численного решения дифференциальных уравнений . Ещё в 1946 году Томас первым выдвинул идею памяти на магнитных сердечниках , позже разработал принципы хранения информации при помощи электромагнитной линии задержки , предложил метод решения систем линейных уравнений, известный как алгоритм Томаса , одним из первых использовал компьютерные методы для решения ряда физических задач (например, нахождения методом итерации волновых функций системы трёх квантовых частиц, решения задач гидродинамики, теории упругости, вычисления распределения электронной плотности в атомах). Роль Томаса в осуществлении в лаборатории различных программ и исследований была столь велика, что её директор как-то заметил: «Вероятно, на схеме организационной структуры должна быть отдельная ячейка с именем Томаса» . Кроме того, в 1950 году он получил место профессора на физическом факультете университета, где читал лекции по общей теории относительности , теории групп , квантовой механике, магнитогидродинамике . Его работы в области физики в этот период были посвящены изучению динамики релятивистских частиц, гидродинамике, вычислению распределения заряда в сложных атомах и т.д. Благодаря разносторонности и глубине знаний Томас получил на физическом факультете известность как «мудрец со 116-й улицы» ( the sage of 116th Street ) .

В 1954 году, когда в США разрабатывались проекты больших спутников, Томас предложил способы защиты от потенциально вражеских космических аппаратов. Это привлекло к нему внимание в разгар маккартизма , поскольку он не был американским гражданином и потому его деятельность вызывала подозрения. Чтобы получить допуск к секретной работе и избавиться от проблем, в 1957 году Томас получил гражданство США. Кроме Лаборатории баллистики, он сотрудничал с Лабораторией морской артиллерии ( ) и проектом «Шервуд» ( ) Комиссии по атомной энергии . В 1968 году Томас вышел в отставку со своих постов в Уотсоновской лаборатории и Колумбийском университете .

Последние годы (1968—1992). Семья

После выхода в отставку Томас стал приглашённым профессором физики и математики в , где преподавал и занимался исследованиями до 1976 года. В 1980 году физический факультет этого университета учредил ежегодную Томасовскую лекцию ( L. H. Thomas Lecture ), читать которую приглашают видных учёных. Томас скончался в Роли (Северная Каролина) 20 апреля 1992 года в возрасте 88 лет .

Со своей будущей женой Наоми Эстель Фреч ( Naomi Estelle Frech ) Томас познакомился осенью 1929 года в университете штата Огайо, где девушка была студенткой. Она получила степень магистра искусств в области спектроскопии в 1932 году, а спустя год они поженились. В течение следующих девяти лет у них родилось четверо детей — два мальчика (один из них умер в восьмилетнем возрасте) и две девочки. Наоми Эстель работала учителем математики и физики в Packer Collegiate Institute и пережила мужа почти на 16 лет .

Награды и членства

• Премия Смита ( , 1925)
• Член Национальной академии наук США (1958)
• (1963)
• Почетный доктор наук Кембриджского университета (1965)
• Премия Дэвиссона — Джермера ( , 1982)
• Член Американского физического общества , Американской ассоциации содействия развитию науки , Королевского астрономического общества и др.

Основные публикации

• Thomas L. H. The motion of the spinning electron (англ.) // Nature . — 1926. — Vol. 117 . — P. 514 . — doi : .
• Thomas L. H. The calculation of atomic fields // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. — 1927. — Vol. 23. — P. 542—548. — doi : .
• Thomas L. H. The kinematics of an electron with an axis // Philosophical Magazine . — 1927. — Vol. 3. — P. 1—22. — doi : .
• Thomas L. H. Radiation field in a fluid in motion // Quarterly Journal of Mathematics. — 1930. — Vol. 1. — P. 239—251. — doi : .
• Thomas L. H. The interaction between a neutron and a proton and the structure of H ${\displaystyle ^{3}}$ // Physical Review . — 1935. — Vol. 47. — P. 903—909. — doi : .
• Thomas L. H. The paths of ions in the cyclotron I. Orbits in the magnetic field // Physical Review. — 1938. — Vol. 54. — P. 580—588. — doi : .
• Shaffer W. H., Nielsen H. H., Thomas L. H. The rotation-vibration energies of tetrahedrally symmetric pentatomic molecules. I // Physical Review. — 1939. — Vol. 56. — P. 895—907. — doi : .
• Thomas L. H. // Journal of Chemical Physics . — 1942. — Vol. 10. — P. 532—537. — doi : .
• Thomas L. H. // Journal of Chemical Physics. — 1944. — Vol. 12. — P. 449—453. — doi : .
• Sheldon J., Thomas L. H. // Journal of Applied Physics . — 1953. — Vol. 24. — P. 235—242. — doi : .
• Thomas L. H. The stability of plane Poiseuille flow // Physical Review. — 1953. — Vol. 91. — P. 780—783. — doi : .
• Bakamjian B., Thomas L. H. Relativistic particle dynamics. II // Physical Review. — 1953. — Vol. 92. — P. 1300—1310. — doi : .
• Thomas L. H. (англ.) // Time : magazine. — 1954, May 3rd.
• Thomas L. H., Umeda K. // Journal of Chemical Physics. — 1957. — Vol. 26. — P. 293—303. — doi : .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Thomas L. H. Reminiscences // International Journal of Quantum Chemistry. — 1975. — Vol. S9. — P. 3—4. — doi : .
• Thomas L. H. Recollections of the discovery of the Thomas precessional frequency // AIP Conference Proceedings. — 1983. — Vol. 95. — P. 4—12. — doi : .
• Храмов Ю. А. Томас Левелин Хиллет (Thomas Llewellyn Hilleth) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 262. — 400 с. — 200 000 экз.
• Price P. J. Llewellyn H. Thomas // Physics Today . — 1994. — Vol. 47, № 9 . — P. 115—116. — doi : .
• Jackson J. D. // Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences. — Washington, 2009. — P. 1—18.
• Zangwill A. Hartree and Thomas: the forefathers of density functional theory // Archive for History of Exact Sciences. — 2013. — Vol. 67. — P. 331—348. — doi : .

Ссылки

• Kuhn T. S. , Uhlenbeck G. (англ.) . American Institute of Physics (10 мая 1962). Дата обращения: 16 марта 2016.
• (англ.) . American Institute of Physics. Дата обращения: 16 марта 2016. Архивировано из 22 марта 2016 года.
• (англ.) . North Carolina State University Libraries. Дата обращения: 16 марта 2016.
• Jackson J. D. (англ.) . American Physical Society (14 февраля 2010). Дата обращения: 16 марта 2016.