Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
Это открытие вызвало настоящую сенсацию среди физиков, которые раньше принимали за аксиому, что взаимодействия в микромире характеризуются определенной пространственной симметрией. Нарушение этой симметрии указывало на какие-то новые, неизвестные свойства элементарных частиц. Нобелевский комитет по физике, оценив важность этого открытия, уже в 1957 г., всего год спустя после опубликования Ли и Янгом их результатов, присудил им Нобелевскую премию.
Из уравнений волновой механики Дирака вытекает существование не только положительного «электрона», но и отрицательного «протона». После открытия позитрона физикам стало ясно, что наряду с веществом должно существовать и антивещество, состоящее из античастиц. Антипротон, однако, удалось обнаружить лишь через 20 лет после открытия позитрона. Это сделали в 1955 г. Эмилио Джино Сегре и Оуэн Чемберлен вместе с К. Вигандом и Т. Ипсилантисом на новом ускорителе (безатроне), построенном специально для поиска антипротона. Это было замечательным достижением, ибо теперь в принципе уже можно было бы получить антиводород. В 1956 г. на том же ускорителе был обнаружен и антинейтрон, он отличается от нейтрона лишь направлением магнитного момента.
Эти открытия значительно расширили представления о веществе и поставили вопрос: почему Вселенная построена из вещества и нет ли в ней областей, состоящих из антивещества? От ответа на него будет зависеть, какую модель эволюции Вселенной следует избрать. За открытие антипротона Чемберлен и Сегре были удостоены в 1959 г. Нобелевской премии по физике.
Эмилио Сегре осуществил немало интересных научных, исследований и открытий, принесших ему известность.
Некоторые из его коллег высказали сожаление, что Нобелевская премия была присуждена ему за открытие антипротона, т. е. за результат, который, по их мнению, доступен любому при наличии такой машины, как бетатрон; они полагали, что Сегре был достоин этой награды и за другие, более фундаментальные результаты.
Исследование частиц, число которых благодаря использованию ускорителей непрерывно возрастало, требовало новых методов их наблюдения и идентификации. Вслед за камерой Вильсона и ее усовершенствованной Блэкеттом модели, счетчиками Гейгера — Мюллера[3] и ядерными фотоэмульсиями Пауэлла пришел новый метод наблюдений, основанный на эффекте Черепкова. Явление, скрывающееся под этим названием, было давно известно ученым, свечение кристаллов и жидкостей под действием излучения наблюдалось неоднократно. Ещё в 20-е годы предпринимались попытки объяснить его механизм, но проблема была решена лишь после тщательных исследований советского ученого, начатых в 1932 г.
Сначала Павел Алексеевич Черенков, 28-летний аспирант академика Сергея Ивановича Вавилова, занимался исследованием люминесценции растворов урановых солей под действием гамма-лучей. В 1934 г. Черенков заметил, что наряду с обычной люминесценцией, вызываемой гамма лучами, возникает свечение иного характера. В 1936 г. он установил фундаментальное свойство этого излучения — его направленность.
Фактический материал, полученный Черенковым, позволил двум советским физикам, Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Михайловичу Франку, создать в 1937 г. теорию эффекта Черенкова. Оказалось, что излучение возникает при прохождении частицы через кристалл или жидкость со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Свет распространяется со скоростью 300 000 км/с только в вакууме. В воде, например, скорость света составляет лишь 200 000 км/с, и законы физики вполне допускают возможность движения какой-либо частицы со скоростью большей, чем эта. Электромагнитные волны, образующиеся при таком сверхсветовом движении частицы, имеют форму конуса, в вершине которого находится частица; зная угол у вершины конуса, можно определять скорость ее движения Черенков, будучи прежде всего экспериментатором, предложил использовать открытый им эффект для регистрации заряженных частиц. Этим методом и был зарегистрирован антипротон. Подготавливается грандиозный международный эксперимент, в котором планируется установить черенковские счетчики на дне моря для регистрации частиц высоких энергий, в том числе и нейтрино. Открытие Черенкова и предложенная Таммом и Франком теория этого эффекта принесли им в 1958 г. Нобелевскую премию по физике.
С появлением новых сверхмощных ускорителей стало ясно, что камера Вильсона свои возможности исчерпала. На смену ей пришел новый прибор, сконструированный в 1952 г. американским физиком Доналдом Артуром Глазером. Его пузырьковая камера состоит из резервуара с жидким водородом, находящимся при температуре, близкой к точке кипения. Проходя через него, заряженные частицы нарушают равновесие, и вдоль их пути образуются пузырьки газа. Хорошо известно, что жидкости имеют плотность значительно выше, чем газы. Чтобы создать такой эффект, как и в жидком водороде, заряженная частица должна пройти в газе в тысячу раз большее расстояние. На практике это означает, что след длиной 10 см в пузырькой камере равнозначен 100-метровому следу в камере Вильсона.
Такое тысячекратное увеличение возможностей позволяет значительно более длительное время следить за движением частиц и их превращениями. Современные пузырьковые камеры так велики, что фотокамера не в силах охватить их во всю глубину, поэтому для получения траекторий частиц иногда применяется голография, дающая трехмерное изображение траекторий даже очень короткоживущих частиц.
Доналд, Глазер, исследователь очень широкого диапазона, занимавшийся изучением элементарных частиц, космических лучей, молекулярной биологии, за создание пузырьковой камеры получил в 1960 г. Нобелевскую премию по физике.
Первая большая пузырьковая камера была сконструирована американским физиком Луисом Уолтером Альваресом. Он усовершенствовал конструкцию камеры, приспособив ее для количественных измерений. В 1955 г. в Радиационной лаборатории им. Э.О. Лоуренса в Беркли Альварес начал проводить обширные эксперименты и открыл десятки новых, неизвестных элементарных частиц. К 1960 г. это изобилие частиц стало беспокоить физиков — казалось маловероятным, чтобы было так много элементарных «кирпичиков» вещества.
Большая часть частиц, открытых Альваресом, имела исключительно короткую продолжительность жизни. Было установлено, что их образование объясняется резонансными явлениями. Например, нуклон, соединяясь с пи-мезоном, образует систему, которая ведет себя как новая частица, но быстро распадается. Сейчас известны сотни частиц-резонансов, и большая заслуга в этом принадлежит группе Альвареса. За обширные исследования, которые велись на протяжении более 10 лет, этот ученый получил в 1968 г. Нобелевскую премию по физике.
Уже в. 50-е годы стали накапливаться данные, ставящие под сомнение концепцию об элементарности известных тогда частиц. Заговорили об их структуре. В этой области работал Роберт Хофстедтер, профессор Станфордского университета. В 1955 г. он начал эксперименты по исследованию структуры нуклонов с помощью большого линейного ускорителя в Станфорде. Пучок электронов энергией в 1 млрд. эВ использовался для бомбардировки протонов и нейтронов. Картина рассеяния очень напоминала ту, которую в свое время наблюдал сотрудник Резерфорда. Марсден при изучении рассеяния альфа-частиц золотой фольги. Тогда, в 1911 г., в результате этих экспериментов было установлено, что атом имеет ядро. Эксперименты Хофстедтера показали, что протон и нейтрон также имеют «ядро», окруженное облаком из пи-мезонов, так называемой «мезонной шубой». За открытие внутренней структуры нуклонов Роберт Хофстедтер был удостоен в 1961 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Рудольфом Мёссбауэром, открывшим известный эффект, названный его именем.
Большое число частиц, обнаруженных в 50-е годы, заставило ученых заняться поиском системы для их классификации. Предполагалось, что протон и нейтрон следует рассматривать как фундаментальные частицы, из которых построены остальные. В свете этого пи-мезон, например, представляли как протон и нейтрон в связанном состоянии.
Эти представления были развиты в 1956 г. Сёити Сакатой, который принял за фундаментальные частицы протон, нейтрон и ламбда-нуль-гиперон. Эти частицы иногда называют сакатанами.
Через несколько лет оказалось, что Саката действительно уловил определенные закономерности в мире частиц. Его теория получила дальнейшее развитие и, по существу, была поставлена на новую основу Марри Геллманом и Джорджем Цвейгом. В 1964 г. они выдвинули гипотезу субчастиц, из которых построены нуклоны, мезоны и гипероны. Это — одно из самых последних и важнейших событий в физике, которое заслуживает самостоятельного рассмотрения.
Кварки. Великое объединение
В начале 60-х годов к нескольким элементарным частицам, которые физики считали составными частями атома, добавилось еще около 200… Это повергло ученых в уныние. Пытаясь найти выход из создавшегося положения, ученые стали разрабатывать теории, в которых предполагалось, что большинство известных элементарных частиц построены из субчастиц. Они и были признаны истинно элементарными.
