Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
Связь исследований микромира с изучением Вселенной — одно из самых поразительных явлений в современной физике. Это — поистине замечательное объединение.
В современной физике на повестке дня стоят и другие объединения. Речь идет о силах, действующих в окружающем нас мире. Еще в XVII в. Ньютон описал гравитационное взаимодействие, управляющее движением небесных тел. В XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм, создав единую теорию электромагнитного взаимодействия. В 30-е годы нашего столетия, после открытия нейтрона, заговорили о сильном (ядерном) взаимодействии, связывающем нуклоны в атомном ядре, а исследования бета-распада привели к понятию слабого взаимодействия. Стали предприниматься попытки их объединения.
Альберт Эйнштейн 35 лет своей жизни посвятил созданию единой теории электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Он начал свою работу тогда, когда еще не были известны другие виды взаимодействий, существующие в микромире. Эйнштейн не достиг успеха. Однако в последнее десятилетие другие исследователи сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействия, создав единую теорию электрослабого взаимодействия. Над этой проблемой работали многие ученые, среди которых выделяются имена Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама — лауреатов Нобелевской премии по физике за 1979 г.
Попытки создать теорию слабого взаимодействия ученые стали предпринимать в 50-х годах — после того, как Ричард Фейнман, Юлиус Швингер и Синъитиро Томонага создали современную квантовую электродинамику. К 1948 г. независимо друг от друга они разработали теорию, связывающую квантовую механику с релятивистскими представлениями, которая позволила объяснить экспериментальные результаты, полученные в спектроскопии и других исследованиях атомов. В частности, японский физик Томонага создал в 1946 г. теорию, математический аппарат которой давал возможность довольно точно рассчитывать процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов.
Американский физик Р. Фейнман известен не только работами в области квантовой электродинамики, но и знаменитыми диаграммами Фейнмана, которые позволяют наглядно объяснить возможные превращения частиц.
Ю. Швингер из Гарвардского университета вычислил аномальный магнитный момент электрона и объяснил так называемый «лэмбовский сдвиг» в спектре водорода, открытый Уиллисом Лэмбом — одним из лауреатов Нобелевской премии по физике за 1955 г. Ю. Швингер был учителем Шелдона Глэшоу, о котором речь пойдет дальше.
За создание релятивистской квантовой электродинамики Фейнман, Швингер и Томонага были удостоены в 1965 г. Нобелевской премии по физике.
После того как эта задача в общих чертах была решена, ученые занялись слабыми взаимодействиями. К 1958 г. благодаря работам Ричарда Фейнмана, Марри Геллмана, Роберта Маршака и Эннакала Ченди Джорджа Сударшана была разработана универсальная теория слабых взаимодействий. Еще тогда, возвращаясь к некоторым идеям Ферми 30-х годов, Швингер высказал мысль о возможности объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Примерно к тому же периоду относятся и первые работы А. Салама, С. Вайнберга и Ш. Глэшоу.
В современных теориях ядерных взаимодействий квантовые представления приводят к выводу о существовании объектов двух классов частиц вещества и частиц — квантов поля, которые переносят взаимодействие. Еще Юкава, теоретически предсказавший существование квантов сильного взаимодействия, пытался ввести подобные представления и для слабого взаимодействия. Работы Янга Чжэньнина и Роберта Миллса (1954 г.) позволили развить эту идею дальше. Теперь решением проблемы занялись многие ученые, ив 1961 г. Шелдон Глэшоу сумел создать теорию слабого взаимодействия. Помимо описания слабого взаимодействия стало возможным установить его связь с электромагнитным взаимодействием. В электродинамике взаимодействие передается нейтральным фотоном. Согласно новой объединенной теории, электрослабое взаимодействие передается четырьмя частицами, три из которых (два так называемых промежуточных векторных бозона и один нейтральный бозон) имеют довольно большую массу, а четвертой является фотон. Необходимость большой массы частиц — переносчиков слабого взаимодействия вытекает из того, что это взаимодействие осуществляется на очень коротких расстояниях, тогда как не имеющий массы фотон обусловливает дальнодействующее электромагнитное взаимодействие. Но чтобы подтвердить экспериментально существование бозонов, необходимы сверхмощные ускорители. В ряде известных научных центров началось их конструирование, и некоторые из них вступят в строй в ближайшие годы. Одновременно физики и инженеры, стремясь расширить возможности уже существующей техники, приступили к ее усовершенствованию.
Еще в 60-е годы советский физик Герш Ицкович Будкер, работавший в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР указал, что возможности ускорителя существенно возрастут, если вместо бомбардировки ускоренными частицами неподвижной мишени использовать соударение встречных пучков частиц; в частности, он предложил использовать столкновение протонов с антипротонами. Главная проблема при этом состояла в получении достаточно однородных пучков частиц, движущихся с одинаковой скоростью. В 1956 г. голландский инженер Симон Ван дер Меер, работавший в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), сконструировал датчики, которые позволяли следить за состоянием потока частиц. При возникновении каких-либо неоднородности в пучке немедленно производится соответствующая корректировка режима ускорителя и таким образом достигается однородность пучков. Проект начал претворяться в жизнь в 1978 г., когда итальянский физик Карло Руббиа предложил использовать для этой цели сооружающийся большой ускоритель протонов (протонный суперсинхротрон), важным элементом которого стал накопитель, разработанный Ван дер Меером.
С помощью этой аппаратуры через несколько лет. подготовительных работ наконец удалось добиться желаемого успеха. В январе 1983 г. были обнаружены промежуточные векторные бозоны W+ и W— а в мае удалось зарегистрировать и нейтральные Z0-бозоны, которые наблюдаются в десять раз реже. В подготовке и проведении этого сложнейшего эксперимента участвовало несколько десятков человек: физиков, инженеров и техников, однако особый, принципиальный вклад внесли в нее Карло Руббиа, который спланировал и привел в движение весь проект, и Симон ван дер Меер, сконструировавший необходимую аппаратуру. В 1984 г., менее чем через полтора года после открытия, эти два ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.
Объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий возвестила о новом этапе в развитии современной физики, отмеченном стремлением к унификации различных представлений и открытию более фундаментальных свойств материи. Разработка объединенной теории позволит углубить наши знания о кварках. Следующим этапом развития физики микромира должно стать создание единой теории сильных и электрослабых взаимодействий.
В более, отдаленном будущем ученые надеются создать общую теорию, в которой должны слиться воедино электромагнетизм, гравитация, сильное и слабое взаимодействия, таким образом, возможно, удастся осуществить мечту Эйнштейна о великом объединении всех сил природы.
Новые представления о строении частиц и их взаимодействии позволили внести ясность в вопрос о симметрии в микромире. Длительное время считалось, что физическое взаимодействие характеризуется так называемой пространственной четностью, т. е. оно симметрично по отношению к операции зеркального отражения; иными словами, если изменить направление движения всех объектов на противоположные (взять зеркальное отражение процесса), то ничего не изменится. Это интуитивное представление было разрушено в 1956 г., когда Ли Цзундао и Янг Чжэньнин показали, что в. слабых взаимодействиях пространственная четность нарушается.
Другим типом симметрии, который физики принимали, исходя из интуитивных соображений, была симметрия между частицами и античастицами, называемая симметрией относительно операции зарядового сопряжения. Предполагалось, что, если в ядерной реакции все частицы заменить их античастицами, то конечный результат не изменится. Экспериментальные данные, однако, опровергли и это мнение. Тогда, чтобы спасти положение, теоретики предположили, что в слабых взаимодействиях сохраняется комбинированная четность[5], т. е., чтобы законы симметрии здесь выполнялись, необходимо вместе с зеркальным отражением произвести замену всех частиц их античастицами, иначе говоря, совершить оба преобразования одновременно. И действительно, в этом случае результаты опытов подкрепляли теорию, и «духи» на некоторое время успокоились.
