Freeman J. Dyson

Physiker und Mathematiker

Freeman John Dyson (* 15. Dezember 1923 in Crowthorne, Berkshire; † 28. Februar 2020 in Princeton, New Jersey) war ein britisch-US-amerikanischer Physiker und Mathematiker. Besonders wichtig waren seine Arbeiten zur Quantenelektrodynamik, zur mathematischen Physik und zu Fragen der Zukunft von Leben und Technik im Weltall.

Dyson studierte Mathematik in Cambridge, unter anderem bei Godfrey Harold Hardy, und erwarb dort 1945 den Bachelorabschluss. Von 1943 bis 1945 arbeitete er als ziviler Analytiker beim britischen RAF Bomber Command unter Reuben Smeed und wertete statistisch die Verluste aus. Seine Vorschläge zur Verringerung dieser Verluste wurden nicht umgesetzt. Nach dem Krieg wechselte er zur theoretischen Physik, forschte ab 1947 mit einem Commonwealth-Stipendium an der Cornell University bei Hans Bethe, studierte am Institute for Advanced Study bei Robert Oppenheimer und arbeitete von 1949 bis 1951 als Research Fellow an der Universität Birmingham.

Obwohl er seine Dissertation nicht formal abschloss, wurde er 1951 Physikprofessor an der Cornell-Universität. 1953 wurde er ständiges Mitglied des Institute for Advanced Study in Princeton; 1957 nahm er die US-amerikanische Staatsbürgerschaft an. Er starb im Alter von 96 Jahren an den Folgen eines Sturzes.

Beiträge zur Quanten- und mathematischen Physik

In der Nachkriegszeit bewies Dyson die Äquivalenz, also die Gleichwertigkeit, zweier damaliger Formulierungen der Quantenelektrodynamik (QED). Die QED beschreibt die Wechselwirkung von Licht und elektrisch geladenen Teilchen. Dyson verband Richard Feynmans anschauliche Diagramm-Formulierung mit dem Variationsansatz von Julian Schwinger und Shin’ichirō Tomonaga. Seine Aufsätze trugen wesentlich dazu bei, dass Feynmans Formulierung akzeptiert wurde. Nach ihm ist der Dyson’sche Zeitordnungsoperator benannt, der in der Quantenmechanik eine grundlegende Rolle spielt.

Er wollte Diagrammverfahren auch auf die Mesonentheorie der starken Wechselwirkung anwenden. Enrico Fermi riet ihm jedoch davon ab, weil diese Theorie kein klares physikalisches Bild liefere und mathematisch nicht konsistent sei. Dyson wandte sich zunächst der Festkörperphysik zu.

1967/68 zeigte er gemeinsam mit Andrew Lenard, später weiter ausgearbeitet von Elliott Lieb und Walter Thirring, dass gewöhnliche Materie im Wesentlichen durch das Pauli-Prinzip der Fermionen stabil bleibt. Fermionen sind Teilchen, für die dieses Prinzip gilt; es verhindert, dass sie denselben Quantenzustand einnehmen. Die Stabilität beruht demnach nicht hauptsächlich auf der elektrostatischen Abstoßung von Elektronen oder Protonen. Dyson untersuchte außerdem, ob Gravitonen prinzipiell beobachtbar sind.

Als mathematischer Physiker führte er Dyson-Bosonen zur Behandlung wechselwirkender Spin-Wellen ein und leistete wichtige Beiträge zur Theorie der Zufallsmatrizen. Anfang der 1970er Jahre stellte er in einem Gespräch mit dem Zahlentheoretiker Montgomery einen Zusammenhang zwischen Zufallsmatrizen und der Verteilung der Nullstellen der Riemannschen Zetafunktion her.

Weltraum, Leben und Zukunft

Von 1957 bis 1961 arbeitete Dyson am Orion-Projekt. Dieses untersuchte interstellare Raumflüge mit Nuklearantrieb. Ein Prototyp mit konventionellem Sprengstoff wurde getestet. Das Projekt endete, nachdem der Vertrag zum Verbot von Nuklearwaffentests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser die Nutzung von Nuklearwaffen in der Atmosphäre untersagte. 1957 gehörte Dyson außerdem zum Entwicklungsteam des TRIGA-Reaktors, eines als inhärent sicher geplanten kleinen Kernreaktors.

Dyson argumentierte, eine fortgeschrittene Zivilisation könne einen Stern vollständig mit einer Struktur umgeben, um möglichst viel Energie zu gewinnen. Eine solche Dyson-Sphäre würde trotz Nutzung des Sternlichts Wärmestrahlung im Infrarotbereich abgeben. Deshalb schlug er vor, bei der Suche nach außerirdischem Leben nach großen infrarotstrahlenden Objekten zu suchen.

In „Time without end – physics and biology in an open universe“ in Reviews of Modern Physics, Bd. 51, 1979, untersuchte er die Zukunft des Lebens in einem dauerhaft expandierenden Universum. Er schlug auch einen Dyson-Baum vor: eine genetisch veränderte Pflanze, die auf einem Kometen wachsen könnte. Ausgehöhlte Kometen mit atembarer Atmosphäre könnten nach seiner Vermutung Menschen im äußeren Sonnensystem als Lebensraum dienen.

Philosophische und klimapolitische Positionen

In „Infinite in all Directions“ entwickelte Dyson eine dreistufige Metaphysik des Geistes. Er sah Hinweise auf geistige Vorgänge erstens in elementaren quantenmechanischen Prozessen, zweitens in direkter menschlicher Erfahrung und drittens in einer geistigen Komponente des Universums, die er Gott nannte.

In „Origins of Life“ vertrat er entgegen der herrschenden Meinung die Auffassung, Proteine und Zellen hätten vor den Nukleinsäuren existiert. In diesem Stadium der „Garbage Bag World“ sei zunächst ein Stoffwechsel aus sich gegenseitig katalysierenden Reaktionen entstanden. RNA sei danach zunächst als parasitische, sich selbst reproduzierende Reaktion ähnlich Viren entstanden und später durch eine Art Symbiose mit dem Zellstoffwechsel verbunden worden.

Seit den 2000er Jahren äußerte sich Dyson zur globalen Erwärmung und zum Einfluss erhöhter Kohlendioxid-Konzentrationen. Er hoffte auf genetisch veränderte Bäume als CO₂-Senken. Noch 2015 meinte er, positive Folgen der Erwärmung überwögen negative, etwa schnelleres Pflanzenwachstum und höhere landwirtschaftliche Erträge. Er war gegenüber modellbasierten Klimavoraussagen skeptisch und gehörte dem akademischen Beirat der klimawandelleugnenden Global Warming Policy Foundation an.

Mitgliedschaften und Auszeichnungen

Dyson war seit 1952 Mitglied der Londoner Royal Society, seit 1958 der American Academy of Arts and Sciences und seit 1964 der National Academy of Sciences der USA. Weitere Mitgliedschaften umfassten die Bayerische Akademie der Wissenschaften (ab 1975), die American Philosophical Society (ab 1976), die Accademia Nazionale dei Lincei (ab 2010) und die Russische Akademie der Wissenschaften (ab 2011).

Zu seinen wichtigen Auszeichnungen zählen der Dannie-Heineman-Preis für mathematische Physik (1965), die Lorentz-Medaille (1966), die Hughes Medal (1968), die Max-Planck-Medaille (1969), der Wolf-Preis (1981), die Oersted Medal (1991), der Templeton-Preis (2000) und der Henri-Poincaré-Preis (2012). Ehrendoktorwürden erhielt er 1968 von der Yeshiva University sowie 1974 von den Universitäten Glasgow und Princeton.