Nhà vật lýĐứcNgười đoạt huy chương Max PlanckNhà khoa học

Rudolf Haag

German theoretical physicist Rudolf Haag founded modern quantum field theory and advanced quantum statistical mechanics with axiomatic and algebraic approaches.

1. Tổng quan

Rudolf Haag (Rudolf HaagGerman; 17 tháng 8 năm 1922 - 5 tháng 1 năm 2016) là một nhà vật lý lý thuyết người Đức, chủ yếu tập trung vào các vấn đề cơ bản của lý thuyết trường lượng tử. Ông được công nhận là một trong những người sáng lập ra công thức hiện đại của lý thuyết trường lượng tử, đã xác định cấu trúc hình thức của nó dựa trên nguyên lý cục bộ và các đại lượng quan sát cục bộ. Haag cũng có những tiến bộ quan trọng trong nền tảng của cơ học thống kê lượng tử. Những đóng góp của ông bao gồm việc xây dựng các khuôn khổ tiên đề và đại số cho lý thuyết trường lượng tử, đặc biệt là tiên đề Haag-Kastler và định lý Haag, cũng như việc phát triển lý thuyết tán xạ Haag-Ruelle.

2. Tiểu sử

Rudolf Haag có một cuộc đời học thuật và cá nhân phong phú, được định hình bởi những trải nghiệm thời chiến và niềm đam mê nghiên cứu khoa học.

2.1. Thời thơ ấu và Bối cảnh

Rudolf Haag sinh ngày 17 tháng 8 năm 1922 tại Tübingen, một thị trấn đại học ở trung tâm Baden-Württemberg, Đức. Gia đình ông thuộc tầng lớp trung lưu có học thức. Mẹ của Haag là nhà văn và chính trị gia Anna Haag (Anna HaagGerman), còn cha ông, Albert Haag (Albert HaagGerman), là giáo viên toán học tại một trường Gymnasium. Sau khi tốt nghiệp trung học vào năm 1939, ngay trước khi Chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ, ông đã đến thăm chị gái mình ở Luân Đôn. Tại đây, ông bị giam giữ với tư cách là "người nước ngoài thù địch" và trải qua thời gian chiến tranh trong một trại dân thường Đức ở Manitoba, Canada. Trong thời gian bị giam cầm, ông đã tận dụng thời gian rảnh rỗi sau công việc lao động bắt buộc hàng ngày để tự học vật lý và toán học.

2.2. Giáo dục và Con đường Học vấn

Sau chiến tranh, Haag trở về Đức và đăng ký học tại Đại học Kỹ thuật Stuttgart vào năm 1946, nơi ông tốt nghiệp ngành vật lý vào năm 1948. Năm 1951, ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Munich dưới sự hướng dẫn của Fritz Bopp (Fritz BoppGerman) và tiếp tục làm trợ lý cho ông cho đến năm 1956. Vào tháng 4 năm 1953, ông tham gia nhóm nghiên cứu lý thuyết CERN tại Copenhagen, được đặt tại Viện Niels Bohr và do Niels Bohr (Niels BohrDanish) trực tiếp chỉ đạo, do phòng thí nghiệm ở Geneva vẫn đang được xây dựng. Sau một năm, ông trở lại vị trí trợ lý ở Munich và hoàn thành habilitation (bằng cấp cao hơn tiến sĩ) của Đức vào năm 1954. Từ năm 1956 đến 1957, ông làm việc với Werner Heisenberg (Werner HeisenbergGerman) tại Viện Max Planck về Vật lý ở Göttingen.

2.3. Sự nghiệp Học thuật

Từ năm 1957 đến 1959, Rudolf Haag là giáo sư thỉnh giảng tại Đại học Princeton. Sau đó, từ năm 1959 đến 1960, ông làm việc tại Đại học Marseille. Năm 1960, ông trở thành giáo sư Vật lý tại Đại học Illinois Urbana-Champaign. Năm 1965, ông cùng với Res Jost (Res JostGerman) thành lập tạp chí Communications in Mathematical Physics (Communications in Mathematical PhysicsEnglish), một trong những tạp chí hàng đầu trong lĩnh vực này, và Haag giữ vị trí tổng biên tập đầu tiên cho đến năm 1973. Năm 1966, ông nhận vị trí giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Hamburg, nơi ông làm việc cho đến khi nghỉ hưu vào năm 1987. Sau khi nghỉ hưu, ông tiếp tục nghiên cứu về khái niệm sự kiện trong vật lý lượng tử.

3. Đóng góp Khoa học

Những đóng góp của Rudolf Haag đã định hình lại nền tảng của vật lý lý thuyết, đặc biệt là trong lý thuyết trường lượng tử và cơ học thống kê lượng tử.

3.1. Nền tảng của Lý thuyết Trường Lượng tử

Công trình của Haag đã đặt nền móng vững chắc cho việc thiết lập các khuôn khổ tiên đề và đại số của lý thuyết trường lượng tử, mang lại sự chặt chẽ toán học cho lĩnh vực này.

3.1.1. Định lý Haag và Lý thuyết Tán xạ

Vào đầu sự nghiệp của mình, Haag đã có những đóng góp đáng kể vào các khái niệm của lý thuyết trường lượng tử, bao gồm cả định lý Haag. Định lý này chỉ ra rằng bức tranh tương tác của cơ học lượng tử không tồn tại trong lý thuyết trường lượng tử tương đối tính, và rằng biểu diễn không gian Fock thông thường không thể được sử dụng để mô tả các trường lượng tử tương đối tính tương tác với các quan hệ giao hoán chính tắc. Thay vào đó, cần có các biểu diễn không gian Hilbert không tương đương của các trường. Phát hiện này đã làm cho một cách tiếp cận mới để mô tả các quá trình tán xạ của các hạt trở nên cần thiết. Trong những năm tiếp theo, Haag đã phát triển cái được gọi là lý thuyết tán xạ Haag-Ruelle.

3.1.2. Lý thuyết Trường Lượng tử Tiên đề và Đại số

Trong quá trình nghiên cứu, Haag nhận ra rằng mối quan hệ cứng nhắc giữa các trường và hạt được giả định cho đến thời điểm đó không tồn tại, và rằng việc giải thích hạt nên dựa trên nguyên lý cục bộ của Albert Einstein, nguyên lý này gán các toán tử cho các vùng của không thời gian. Những hiểu biết này đã được công thức hóa cuối cùng trong tiên đề Haag-Kastler cho các đại lượng quan sát cục bộ của các lý thuyết trường lượng tử. Khuôn khổ này sử dụng các yếu tố của lý thuyết đại số toán tử và do đó được gọi là lý thuyết trường lượng tử đại số hoặc, từ quan điểm vật lý, là vật lý lượng tử cục bộ.

Khái niệm này đã chứng tỏ hiệu quả trong việc hiểu các tính chất cơ bản của bất kỳ lý thuyết nào trong không gian Minkowski bốn chiều. Mà không đưa ra giả định về các trường thay đổi điện tích không thể quan sát được, Haag, hợp tác với Sergio Doplicher (Sergio DoplicherItalian) và John E. Roberts (John E. RobertsEnglish), đã làm sáng tỏ cấu trúc có thể có của các phân vùng siêu chọn lọc của các đại lượng quan sát trong các lý thuyết với lực tác dụng tầm ngắn. Các phân vùng có thể luôn được cấu tạo với nhau, mỗi phân vùng thỏa mãn hoặc para-Bose hoặc para-Fermi và đối với mỗi phân vùng có một phân vùng liên hợp. Những hiểu biết này tương ứng với tính cộng của điện tích trong giải thích hạt, với sự thay thế Bose-Fermi cho thống kê hạt, và với sự tồn tại của phản hạt. Trong trường hợp đặc biệt của các phân vùng đơn giản, một nhóm gauge toàn cục và các trường mang điện tích, có thể tạo ra tất cả các phân vùng từ trạng thái chân không, đã được tái tạo từ các đại lượng quan sát. Những kết quả này sau đó đã được tổng quát hóa cho các phân vùng tùy ý trong định lý Doplicher-Roberts. Việc áp dụng các phương pháp này vào các lý thuyết trong không gian chiều thấp cũng dẫn đến sự hiểu biết về sự xuất hiện của thống kê nhóm bện và nhóm lượng tử.

3.2. Cơ học Thống kê Lượng tử

Trong cơ học thống kê lượng tử, Haag, cùng với Nicolaas M. Hugenholtz (Nicolaas M. HugenholtzDutch) và Marinus Winnink (Marinus WinninkDutch), đã thành công trong việc tổng quát hóa đặc trưng Gibbs-von Neumann của các trạng thái cân bằng nhiệt bằng cách sử dụng điều kiện KMS (được đặt tên theo Ryogo Kubo (久保亮五Ryōgo KuboJapanese), Paul C. Martin (Paul C. MartinEnglish) và Julian Schwinger (Julian SchwingerEnglish)) theo cách mà nó mở rộng đến các hệ thống vô hạn trong giới hạn nhiệt động lực học. Hóa ra điều kiện này cũng đóng một vai trò nổi bật trong lý thuyết đại số von Neumann và dẫn đến lý thuyết Tomita-Takesaki (富田-竹崎理論Tomita-Takesaki rironJapanese). Lý thuyết này đã chứng tỏ là một yếu tố trung tâm trong phân tích cấu trúc và gần đây cũng trong việc xây dựng các mô hình lý thuyết trường lượng tử cụ thể. Cùng với Daniel Kastler (Daniel KastlerGerman) và Ewa Trych-Pohlmeyer (Ewa Trych-PohlmeyerPolish), Haag cũng đã thành công trong việc suy ra điều kiện KMS từ các tính chất ổn định của các trạng thái cân bằng nhiệt. Cùng với Huzihiro Araki (荒木不二洋Araki HuzihiroJapanese), Daniel Kastler và Masamichi Takesaki (竹崎正道Takesaki MasamichiJapanese), ông cũng đã phát triển một lý thuyết về thế hóa học trong bối cảnh này.

3.3. Lý thuyết Trường Lượng tử trong Không-Thời gian Cong

Khuôn khổ do Haag và Kastler tạo ra để nghiên cứu các lý thuyết trường lượng tử trong không gian Minkowski có thể được chuyển giao cho các lý thuyết trong không thời gian cong. Bằng cách làm việc với Klaus Fredenhagen (Klaus FredenhagenGerman), Heide Narnhofer (Heide NarnhoferGerman) và Ulrich Stein (Ulrich SteinGerman), Haag đã có những đóng góp quan trọng vào việc hiểu hiệu ứng Unruh và bức xạ Hawking.

3.4. Siêu đối xứng và các Đóng góp Lý thuyết Khác

Haag có một sự hoài nghi nhất định đối với những gì ông coi là những phát triển mang tính suy đoán trong vật lý lý thuyết, ví dụ như ông đã chỉ trích lý thuyết dây vì cho rằng nó hiểu sai khái niệm hạt trong khuôn khổ thông thường của lý thuyết trường lượng tử. Tuy nhiên, đôi khi ông vẫn giải quyết những câu hỏi như vậy. Đóng góp nổi tiếng nhất của ông trong lĩnh vực này là định lý Haag-Łopuszański-Sohnius, phân loại các siêu đối xứng có thể có của ma trận S mà không được bao phủ bởi định lý Coleman-Mandula. Định lý này cho phép một sự ghép nối không tầm thường của các nhóm đối xứng bên trong bosonic với các đối xứng hình học (nhóm Poincaré), điều mà định lý Coleman-Mandula loại trừ. Sau khi nghỉ hưu, ông đã tập trung nghiên cứu về khái niệm sự kiện trong vật lý lượng tử, một khái niệm cơ bản liên quan đến tính không thuận nghịch cơ bản.

4. Đời sống Cá nhân

Rudolf Haag sớm bộc lộ niềm yêu thích âm nhạc. Ông bắt đầu học violin, nhưng sau đó lại yêu thích piano hơn, và ông chơi đàn gần như mỗi ngày. Năm 1948, Haag kết hôn với Käthe Fues (Käthe FuesGerman), một trong những con gái của nhà vật lý lý thuyết người Đức Erwin Fues (Erwin FuesGerman). Họ có bốn người con là Albert, Friedrich, Elisabeth và Ulrich. Sau khi nghỉ hưu, ông cùng người vợ thứ hai, Barbara Klie (Barbara KlieGerman), chuyển đến Schliersee, một ngôi làng thanh bình trên dãy núi Bavaria.

5. Qua đời

Rudolf Haag qua đời vào ngày 5 tháng 1 năm 2016, tại Fischhausen-Neuhaus, phía nam Bavaria, hưởng thọ 93 tuổi.

6. Vinh danh và Giải thưởng

Rudolf Haag đã nhận được nhiều vinh danh và giải thưởng cao quý cho những đóng góp đột phá của mình trong vật lý lý thuyết:

  • Năm 1970, ông được trao Huy chương Max Planck vì những thành tựu xuất sắc trong vật lý lý thuyết.
  • Năm 1997, ông nhận Giải thưởng Henri Poincaré từ Hiệp hội Quốc tế về Vật lý Toán học, ghi nhận những đóng góp nền tảng của ông cho lý thuyết trường lượng tử với tư cách là một trong những người sáng lập công thức hiện đại của nó.
  • Từ năm 1980, Haag là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Đức Leopoldina.
  • Từ năm 1981, ông là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Göttingen.
  • Từ năm 1979, ông là thành viên thông tấn của Viện Hàn lâm Khoa học Bavaria.
  • Từ năm 1987, ông là thành viên thông tấn của Viện Hàn lâm Khoa học Áo.

7. Ấn phẩm

Rudolf Haag là tác giả của nhiều ấn phẩm khoa học có ảnh hưởng, bao gồm một cuốn sách giáo khoa quan trọng và nhiều bài báo nghiên cứu đột phá.

7.1. Sách giáo khoa

  • Haag, Rudolf (1996). Local quantum physics: Fields, particles, algebras. Ấn bản thứ 2. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

7.2. Các công trình khoa học chọn lọc

  • Haag, Rudolf (1955). "On quantum field theories". Dan. Mat. Fys. Medd. 29 (12): 1-37. (Liên quan đến định lý Haag)
  • Haag, Rudolf (1958). "Quantum field theories with composite particles and asymptotic conditions". Physical Review 112 (2): 669-673. (Liên quan đến lý thuyết tán xạ Haag-Ruelle)
  • Haag, Rudolf; Kastler, Daniel (1964). "An Algebraic approach to quantum field theory". Journal of Mathematical Physics 5 (7): 848-861. (Liên quan đến tiên đề Haag-Kastler)
  • Doplicher, Sergio; Haag, Rudolf; Roberts, John E. (1971). "Local observables and particle statistics. 1". Communications in Mathematical Physics 23 (3): 199-230.
  • Doplicher, Sergio; Haag, Rudolf; Roberts, John E. (1974). "Local observables and particle statistics. 2". Communications in Mathematical Physics 35 (1): 49-85. (Phân tích Doplicher-Haag-Roberts về cấu trúc siêu chọn lọc)
  • Haag, Rudolf; Hugenholtz, Nico M.; Winnink, Marius (1967). "On the Equilibrium states in quantum statistical mechanics". Communications in Mathematical Physics 5 (3): 215-236. (Liên quan đến điều kiện KMS)
  • Haag, Rudolf; Kastler, Daniel; Trych-Pohlmeyer, Ewa B. (1974). "Stability and equilibrium states". Communications in Mathematical Physics 38 (3): 173-193. (Liên quan đến tính ổn định và điều kiện KMS)
  • Araki, Huzihiro; Kastler, Daniel; Takesaki, Masamichi; Haag, Rudolf (1977). "Extension of KMS States and Chemical Potential". Communications in Mathematical Physics 53 (2): 97-134. (Liên quan đến điều kiện KMS và thế hóa học)
  • Haag, Rudolf; Narnhofer, Heide; Stein, Ulrich (1984). "On Quantum Field Theory in Gravitational Background". Communications in Mathematical Physics 94 (2): 219-238. (Liên quan đến hiệu ứng Unruh)
  • Fredenhagen, Klaus; Haag, Rudolf (1990). "On the Derivation of Hawking Radiation Associated With the Formation of a Black Hole". Communications in Mathematical Physics 127 (2): 273-284. (Liên quan đến bức xạ Hawking)
  • Haag, Rudolf; Lopuszanski, Jan T.; Sohnius, Martin (1975). "All possible generators of supersymmetries of the S-matrix". Nuclear Physics B 88 (2): 257-274. (Phân loại siêu đối xứng)
  • Haag, Rudolf (1990). "Fundamental Irreversibility and the Concept of Events". Communications in Mathematical Physics 132 (1): 245-252. (Liên quan đến khái niệm sự kiện)

8. Di sản và Tầm ảnh hưởng

Những thành tựu của Rudolf Haag đã để lại một di sản sâu sắc và lâu dài trong lĩnh vực vật lý lý thuyết, đặc biệt là trong lý thuyết trường lượng tử. Ông được coi là một trong những kiến trúc sư chính của cách tiếp cận tiên đề và đại số đối với lý thuyết trường lượng tử, mang lại sự chặt chẽ và nền tảng toán học vững chắc cho một lĩnh vực vốn phức tạp. Các công trình của ông, bao gồm định lý Haag, tiên đề Haag-Kastler, và lý thuyết tán xạ Haag-Ruelle, đã trở thành những khái niệm cốt lõi và là công cụ không thể thiếu cho các nhà nghiên cứu.

Việc ông đồng sáng lập và làm tổng biên tập đầu tiên của tạp chí Communications in Mathematical Physics (Communications in Mathematical PhysicsEnglish) cũng là một đóng góp quan trọng, tạo ra một diễn đàn học thuật hàng đầu cho sự phát triển của vật lý toán học. Những nghiên cứu của ông về cơ học thống kê lượng tử, đặc biệt là việc tổng quát hóa điều kiện KMS, đã mở rộng hiểu biết về các trạng thái cân bằng nhiệt trong các hệ vô hạn và có ảnh hưởng sâu rộng đến lý thuyết đại số von Neumann. Hơn nữa, công trình của ông trong việc áp dụng lý thuyết trường lượng tử vào không thời gian cong đã đóng góp vào việc làm sáng tỏ các hiện tượng như hiệu ứng Unruh và bức xạ Hawking.

Di sản của Haag không chỉ nằm ở các định lý và khuôn khổ mà ông đã phát triển, mà còn ở cách tiếp cận triết học của ông đối với vật lý, nhấn mạnh sự chặt chẽ và tính cục bộ. Tư duy của ông tiếp tục truyền cảm hứng và định hướng cho các thế hệ nhà vật lý tương lai trong việc khám phá những bí ẩn cơ bản của vũ trụ.