Tony Hilton Royle Skyrme (ur. 5 grudnia 1922 w Lewisham w Londynie, zm. 25 czerwca 1987 w Birmingham) – brytyjski fizyk teoretyczny i fizyk matematyczny, zajmujący się fizyką jądrową, teorią oddziaływań nukleonowych i nieliniowymi teoriami pola. Twórca modelu Skyrme’a, w którym bariony opisywane są jako solitony topologiczne pola mezonowego. Od jego nazwiska pochodzi określenie skyrmion.
Był uczestnikiem brytyjskiego programu atomowego Tube Alloys i amerykańskiego projektu Manhattan. Pracował w Atomic Energy Research Establishment w Harwell, na Uniwersytecie Malajskim oraz na Uniwersytecie w Birmingham. W 1985 roku otrzymał Medal Hughesa przyznawany przez Royal Society.
Tony Skyrme urodził się 5 grudnia 1922 roku w Lewisham, w południowo-wschodnim Londynie. Był jedynym dzieckiem Johna Hiltona Royle’a Skyrme’a, urzędnika bankowego, i Muriel May Roberts.
Uczęszczał do szkoły w Lewisham, a następnie uzyskał stypendium umożliwiające naukę w Eton College. Wyróżniał się szczególnymi zdolnościami matematycznymi.
W 1940 roku rozpoczął studia matematyczne w Trinity College na Uniwersytecie Cambridge. W 1942 roku ukończył pierwszą część egzaminów Mathematical Tripos z wyróżnieniem, a w 1943 roku trzecią część tych egzaminów.
Po ukończeniu studiów w 1943 roku Skyrme został skierowany do pracy naukowej związanej z brytyjskim programem rozwoju broni atomowej.
Dołączył do zespołu kierowanego przez Rudolfa Peierlsa na Uniwersytecie w Birmingham. Zespół prowadził obliczenia teoretyczne dotyczące procesów jądrowych i zagadnień istotnych dla konstrukcji broni atomowej.
W marcu 1944 roku Skyrme został wysłany do Stanów Zjednoczonych, gdzie uczestniczył w pracach projektu Manhattan.
Początkowo zajmował się zagadnieniami związanymi z rozdzielaniem izotopów uranu metodami dyfuzji gazowej w Nowym Jorku. Następnie pracował w laboratorium Los Alamos, gdzie uczestniczył w obliczeniach dotyczących implozyjnej konstrukcji broni jądrowej.
Po powrocie do Wielkiej Brytanii w 1946 roku otrzymał stypendium naukowe Trinity College w Cambridge, jednak działalność badawczą kontynuował głównie w Birmingham, w zespole Peierlsa.
W latach 1948–1949 pracował jako badacz w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Następnie przebywał w Institute for Advanced Study w Princeton, gdzie kontynuował badania z zakresu fizyki teoretycznej.
W 1950 roku Skyrme rozpoczął pracę w Atomic Energy Research Establishment (AERE) w Harwell.
Zajmował się tam fizyką jądrową i teorią oddziaływań nukleonowych, a następnie kierował grupą fizyki jądrowej w pionie fizyki teoretycznej.
W Harwell prowadził badania nad oddziaływaniami krótkiego zasięgu, strukturą jąder atomowych i nieliniowymi teoriami mezonowymi.
W tym okresie powstały jego najważniejsze prace dotyczące efektywnych oddziaływań jądrowych oraz topologicznego opisu barionów.
Na początku lat 60. Skyrme przeniósł się do Kuala Lumpur, gdzie objął stanowisko wykładowcy matematyki na Uniwersytecie Malajskim.
Prowadził tam działalność dydaktyczną, jednak duże obciążenie obowiązkami nauczycielskimi ograniczało możliwości prowadzenia własnych badań naukowych.
W 1964 roku powrócił do Wielkiej Brytanii i objął katedrę fizyki matematycznej na Uniwersytecie w Birmingham, zastępując Rudolfa Peierlsa.
Pozostał związany z uczelnią do końca życia.
W 1982 roku, po reorganizacji jednostek akademickich, jego stanowisko zostało przekształcone w profesurę matematyki stosowanej.
W ostatnich latach życia obserwował rosnące zainteresowanie swoimi wcześniejszymi pracami dotyczącymi nieliniowych teorii pola.
Zmarł 25 czerwca 1987 roku w Birmingham, w wieku 64 lat.
Jednym z ważnych obszarów badań Skyrme’a była teoria oddziaływań między nukleonami.
Opracował efektywny opis oddziaływań jądrowych oparty na potencjale kontaktowym i członach zależnych od pędów cząstek.
Podejście to stało się podstawą późniejszych parametryzacji oddziaływania Skyrme’a stosowanych w obliczeniach struktury jądrowej.
Oddziaływanie to jest wykorzystywane między innymi w metodach średniego pola i w opisach opartych na funkcjonałach gęstości energii.
Należy odróżnić efektywne oddziaływanie nukleonowe Skyrme’a od jego nieliniowego modelu mezonowego. Są to dwa odrębne, choć związane z tym samym fizykiem, kierunki badań.
Skyrme rozważał możliwość opisu cząstek materialnych jako stabilnych, przestrzennie rozciągniętych konfiguracji pola.
W przeciwieństwie do konwencjonalnego opisu, w którym nukleony wprowadza się jako niezależne pola fermionowe, proponował model, w którym bariony wyłaniają się jako rozwiązania nieliniowych równań pola mezonowego.
W latach 1958–1962 opublikował serię prac poświęconych takim teoriom.
W 1961 roku przedstawił artykuł A non-linear field theory, a w 1962 roku A unified field theory of mesons and baryons.
Najbardziej znanym osiągnięciem Skyrme’a było opracowanie nieliniowego modelu pola, w którym bariony są interpretowane jako solitony topologiczne.
W standardowej wersji modelu pole przyjmuje wartości w grupie:
Konfiguracje pola o skończonej energii można klasyfikować za pomocą liczby topologicznej związanej z grupą homotopii:
Liczba ta jest utożsamiana z liczbą barionową konfiguracji.
W modelu Skyrme’a barion nie jest zatem traktowany jako punktowa cząstka elementarna, lecz jako stabilna konfiguracja pola mezonowego.
W celu uzyskania stabilnych rozwiązań solitonowych Skyrme wprowadził dodatkowy człon do lagranżjanu nieliniowej teorii pola.
W jednej ze standardowych konwencji ma on postać:
gdzie:
Dodatkowy człon zawierający cztery pochodne pola pozwala przeciwdziałać zapadaniu się konfiguracji solitonowej.
Jest on jednym z charakterystycznych elementów modelu Skyrme’a.
Topologicznie nietrywialne rozwiązania modelu Skyrme’a są określane jako skyrmiony.
W pierwotnym kontekście reprezentują one konfiguracje pola mezonowego, którym można przypisać liczbę barionową.
W późniejszych dekadach pojęcie skyrmionu zostało rozszerzone na inne dziedziny fizyki, szczególnie na badania topologicznych struktur magnetycznych.
Skyrmiony magnetyczne są lokalnymi konfiguracjami uporządkowania spinowego, których własności matematyczne wykazują podobieństwa do solitonów modelu Skyrme’a.
Nie są jednak identycznymi obiektami fizycznymi.
Współczesna chromodynamika kwantowa opisuje oddziaływania silne za pomocą pól kwarkowych i gluonowych.
Model Skyrme’a jest natomiast efektywną teorią niskoenergetyczną, w której podstawowymi stopniami swobody są pola mezonowe.
W latach 80. XX wieku Edward Witten wykazał, że w granicy dużej liczby kolorów QCD bariony mogą być opisywane jako solitony efektywnej teorii mezonowej.
Prace Wittena i innych badaczy doprowadziły do ponownego zainteresowania koncepcją Skyrme’a.
W 1983 roku Gregory Adkins, Chiara Nappi i Edward Witten przedstawili obliczenia własności nukleonów w modelu Skyrme’a.
Rozwój ten nastąpił ponad dwadzieścia lat po pierwotnych publikacjach Skyrme’a.
Współcześnie termin „skyrmion” jest szeroko stosowany również w fizyce materii skondensowanej.
Skyrmiony magnetyczne obserwowano w materiałach o niekolinearnym uporządkowaniu spinowym.
Są one badane między innymi w związku z oddziaływaniem Działoszyńskiego–Moriyi oraz możliwością wykorzystania topologicznych struktur magnetycznych w spintronice.
Badania te stanowią rozwinięcie idei topologicznych struktur pola, lecz ich konkretne mechanizmy fizyczne różnią się od oryginalnego modelu barionowego.
W 1985 roku Tony Skyrme otrzymał Medal Hughesa przyznawany przez Royal Society za wkład w rozwój fizyki teoretycznej, w szczególności za oryginalne koncepcje nieliniowych teorii pola i ich zastosowania w fizyce cząstek.
Jego nazwisko zostało utrwalone w terminach:
W sierpniu 1948 roku poślubił Dorothy Millest, fizyczkę zajmującą się eksperymentalną fizyką jądrową.
Małżeństwo nie miało dzieci.
Skyrme interesował się elektroniką, fotografią i ogrodnictwem. Samodzielnie konstruował urządzenia elektroniczne, w tym odbiornik telewizyjny i sprzęt dźwiękowy.
Wraz z żoną odbywał liczne podróże, między innymi do Azji Południowo-Wschodniej. Zainteresowanie Malezją przyczyniło się do podjęcia przez niego pracy na uniwersytecie w Kuala Lumpur.
Znaczenie prac Skyrme’a obejmuje dwa ważne obszary fizyki.
Pierwszym jest efektywny opis oddziaływań nukleonowych, wykorzystywany w obliczeniach struktury jąder atomowych.
Drugim jest topologiczny opis barionów jako solitonów nieliniowego pola mezonowego.
Współczesne badania nad skyrmionami obejmują fizykę hadronów, fizykę matematyczną i magnetyzm.
Archiwum jego dokumentów, notatek badawczych i materiałów dydaktycznych znajduje się w zbiorach specjalnych Uniwersytetu w Birmingham.