Нобелевская премия 2008 года: физика
Мы продолжаем знакомить вас с лауреатами Нобелевской премии нынешнего года в области естественных наук. На прошлой неделе речь шла о медицине, сегодня на очереди – рассказ о лауреатах-физиках.
Как вы, наверное, помните, их трое. Шведская королевская академия наук распределила премию следующим образом: одна половина призовых денег досталась американцу японского происхождения Йоихиро Намбу (Yoichiro Nambu), профессору Института имени Энрико Ферми при Чикагском университете, за открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в физике субатомных частиц; вторую половину разделили два японца – Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi), профессор Межуниверситетского исследовательского объединения в Цукубе, и Тосихиде Маскава (Toshihide Maskawa), профессор Института теоретической физики при Киотском университете, – за открытие первопричины нарушения симметрии, что позволило предсказать существование в природе, по меньшей мере, трёх семейств кварков.
Боюсь, что для подавляющего большинства наших слушателей формулировка Шведской королевской академии наук звучит несколько туманно, и это вполне естественно. Среди полусотни журналистов разных стран, собравшихся 7-го октября в Стокгольме на церемонию объявления лауреатов премии по физике, не нашлось ни одного, кто, выслушав объяснения члена Нобелевского комитета профессора Ларса Бринка (Lars Brink), рискнул бы задать вопрос по сути премированного открытия. С другой стороны, и новоиспечённый лауреат Макото Кобаяси, до которого удалось дозвониться репортёрам, оказался исключительно скупым на слова: на все обычные в подобных случаях вопросы отвечал лишь робким «да» или «нет», а то и вовсе отмалчивался. Положение спас Ларс Бринк: взяв трубку, он поинтересовался у японского коллеги, как тот решил такую-то проблему... И Кобаяси неожиданно оказался весьма говорливым собеседником. Вот только для присутствующих журналистов и суть вопроса, и смысл ответа остались абсолютной загадкой. Короче, чтобы в полной мере понять, а тем более интерпретировать работы новоиспечённых лауреатов, нужно обладать солидными познаниями в области теоретической физики да и владеть весьма сложным математическим аппаратом. Поэтому я постараюсь, так сказать, "на пальцах" объяснить, о чём тут идёт речь, и волей-неволей буду вынужден прибегать к разного рода упрощениям. Но этим мы займёмся чуть позже, а пока давайте познакомимся с лауреатами поближе. Впрочем, сделать это не так-то просто: уж не знаю, в чём тут дело, то ли в особой японской ментальности, то ли в скромности и скрытности данных конкретных индивидуумов, но факт остаётся фактом: даже главному редактору официального интернет-сайта Нобелевского комитета www.nobelprize.org удалось взять традиционное телефонное интервью только у одного из трёх лауреатов. Да что там интервью, даже фотографии награждённых появились на сайте с изрядной задержкой, да к тому же в чёрно-белом варианте. Две из них администраторы сайта всё же потом заменили на цветные, а одна так и осталась чёрно-белой. На ней изображён Йоихиро Намбу – старейший из троицы лауреатов. Ему 87 лет. Он родился 18-го января 1921-го года в Токио. Окончив гимназию в Фукуи, Намбу поступил в Токийский университет, где в 1942-м году получил степень бакалавра, а в 1952-м году защитил докторскую диссертацию. Однако уже тремя годами раньше он начал преподавать физику в университете Осаки, где через год – в возрасте 29-ти лет – стал профессором. В 1952-м году Намбу получил приглашение вести научные исследования в США. Сначала он работал в Принстонском университете, штат Нью-Джерси, а затем перебрался в Чикагский университет, штат Иллинойс. В 1970-м году Намбу получил американское гражданство. Несмотря на свой уже весьма преклонный возраст, учёный и сегодня продолжает активно трудиться в институте имени Эрико Ферми при Чикагском университете. По отзывам специалистов, он всегда настолько опережал своё время, что его порой с трудом понимали даже коллеги. Бруно Зумино (Bruno Zumino), физик Калифорнийского университета в Бёркли, в 1995-м году писал: «Я решил, что смогу в своей работе продвинуться вперёд сразу на 10 лет, если мне удастся постичь мысли Намбу. Поэтому я с ним очень обстоятельно побеседовал. Но пока я понял, что он мне сказал, 10 лет прошли». Открытие, удостоившееся теперь Нобелевской премии, отнюдь не единственное научное достижение Намбу. Он ввёл понятие о цвете кварков как одной из дополнительных внутренних характеристик этих субатомных частиц, ещё одного присущего им квантового числа, а затем предложил концепцию цветового взаимодействия, заложив основы квантовой хромодинамики. Намбу является и одним из основных разработчиков так называемой теории струн – направления математической физики, изучающего динамику одномерных протяжённых объектов. За свою долгую и плодотворную научную деятельность учёный удостоился множества почётных наград.
Второй по возрасту из трёх лауреатов-физиков – 68-летний Тосихиде Маскава. Он родился 7-го февраля 1940-го года в Нагое, столице префектуры Айти, в 1962-м году окончил местный университет, 5 лет спустя там же защитил докторскую диссертацию и проработал ещё 3 года, а в 1970-м году переехал в Киото. Если не считать 4-х лет с 1976-го по 1980-й, проведённых в Институте ядерных исследований при Токийском университете, вся дальнейшая научная деятельность Маскавы связана с Киото. Он работал профессором в Институте теоретической физики при Киотском университете, а с 1997 на протяжении 6-ти лет был даже директором этого института. С 2003-го года и до сегодняшнего дня Маскава является также профессором университета Киото-Сангё. За всю свою жизнь учёный ни разу не покидал Японию. У Маскавы даже нет загранпаспорта, так что поездка в декабре в Стокгольм на церемонию вручения премии сулит ему дополнительные хлопоты. До и общаться там придётся по-английски, а он этого терпеть не может, – поведала журналистам Акико (Akiko), жена лауреата. Сам же лауреат не смог преодолеть свою прямо-таки патологическую робость и внятно ответить на вопросы репортёров. Едва ли не единственная фраза, которую он сумел из себя выдавить, сводилась к тому, что удостоенная премии работа выполнена очень давно и что с конца 70-х годов его занимали совсем другие темы. Учёный всю жизнь сторонился публичных мероприятий, так что если ему предстояло получать премию или произносить речь, то вместо него это всегда делал его коллега и земляк Макото Кобаяси – самый младший из тройки нынешних лауреатов.
64-летний Кобаяси родился 7-го апреля 1944-го года в Нагое. Он так же, как и Маскава, окончил местный университет, в 1972-м году защитил там докторскую диссертацию, а затем вслед за своим старшим коллегой перебрался в Киотский университет. Там они и выполнили совместно ту работу, результаты которой отмечены теперь Нобелевской премией. В 1979-м году Кобаяси принял приглашение на работу в Национальную лабораторию физики высоких энергий в Цукубе близ Токио. С 1997-го года и по сегодняшний день учёный трудится в Межуниверситетском исследовательском объединении – научной организации, эксплуатирующей ускоритель высоких энергий КЕК в Цукубе. Таким образом, и Кобаяси, как и Маскава, на протяжении всей своей научной жизни практически не покидал Японию.
А теперь мне пора выполнить данное в начале передачи обещание и попытаться, пусть и предельно упрощённо, объяснить, в чём же состоит суть открытий, за которые эти трое учёных удостоились высших в научном мире наград. Начнём с Йоихиро Намбу, заслуга которого, напомню, в том, что он открыл механизм спонтанного нарушения симметрии в физике субатомных частиц. Явление спонтанного, то есть самопроизвольного, нарушение симметрии имеет место, когда в системе, описываемой симметричными физическими законами и отвечающей симметричным начальным условиям, сами по себе возникают несимметричные конечные состояния. Хотя все мы интуитивно полагаем, что окружающий нас макромир устроен симметрично, и это, в общем-то, верно, примеров спонтанного нарушения симметрии вокруг нас сколько угодно. Ну, скажем, если стальной стержень установить вертикально в гидравлический пресс и начать сжимать, то в какой-то момент он вдруг изогнётся вбок в произвольном направлении. То есть изначально симметричная система стала неустойчивой и спонтанно перешла в состояние, уже не обладающее исходной симметрией, зато более устойчивое. Карандаш, поставленный вертикально на остриё, несмотря на наши старания, не удержится в таком положении, а обязательно упадёт набок и этим нарушит симметрию. Однако тот факт, что мир, в котором мы живём, не является идеально симметричным, объясняется нарушениями симметрии даже не на микроскопическом, а на ещё более мелком, субатомном уровне. Заслуга Йоихиро Намбу состоит в том, что он в 1960-м году математически описал явление спонтанного нарушения симметрии в мире субатомных частиц. Учёный исходил при этом из гипотезы, что спонтанное нарушение симметрии скрывает, маскирует под внешне неупорядоченной оболочкой, присущую на самом деле природе упорядоченность и симметрию физических законов. Это допущение оказалось чрезвычайно плодотворным, поскольку стало важным вкладом в так называемую Стандартную модель физики элементарных частиц. Эта модель позволила объединить в одну общую теорию как все элементарные частицы, так и три вида фундаментального взаимодействия из четырёх. Тут необходимо короткое отступление, иначе понять суть открытия нобелевских лауреатов будет невозможно.
Согласно сегодняшним представлениям, элементарные частицы образуют три семейства – или, как говорят физики, три поколения. Каждое поколение состоит из двух лептонов и двух кварков. Напомню, что кварки обладают дробным зарядом, кратным трети заряда электрона, и не встречаются в свободном состоянии. Вся окружающая нас материя состоит из частиц первого поколения: два вида кварков – нижний и верхний – и один вид лептона – электрон – образуют атомы, ещё один лептон – электронное нейтрино – в состав атомов не входит, но является вездесущим, потому что практически беспрепятственно проникает сквозь материю. Два других поколения состоят из короткоживущих нестабильных частиц. Во втором поколении кварки называются странный и очарованный, два лептона – мюон и мюонное нейтрино. Третье поколение объединяет прелестный и истинный кварки, а также тау-лептон и тау-нейтрино. Кроме того, у каждой из этих 12-ти частиц существует и античастица, обладающая теми же параметрами, но электрическим зарядом противоположного знака. При столкновении частицы с соответствующей античастицей происходит их взаимная аннигиляция, они излучаются в виде чистой энергии. Согласно сегодняшним представлениям, в природе существуют также 4 вида взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Кварки удерживаются в составе атомного ядра сильным взаимодействием, которое переносится гипотетической частицей под названием глюон. Внутренняя стабильность атома обеспечивается электромагнитным взаимодействием, носителем которого являются фотоны. Видимый нами свет также может быть представлен как пучок фотонов. Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный бета-распад, реализуется W- и Z-бозонами. Впрочем, стандартная модель физики элементарных частиц рассматривает электромагнитное и слабое взаимодействия как различные проявления одного – электрослабого – взаимодействия. Предполагается, что должен существовать и гравитон – частица, реализующая гравитационное взаимодействие, однако пока обнаружить его экспериментально не удалось. Стандартная модель не включает в себя гравитационное взаимодействие, квантовая теория гравитации до сих пор не разработана.
Но давайте вернёмся к нашим лауреатам. Спонтанное нарушение симметрии, исследованное Йоихиро Намбу, отличается от тех нарушений симметрии, которые описали Макото Кобаяси и Тосихиде Маскава. Эти спонтанные явления, судя по всему, существовали в природе с момента зарождения Вселенной и очень удивили учёных, когда впервые проявились в 1964-м году в ряде физических экспериментов. Тогда Кобаяси и Маскава предложили своё объяснение этих явлений в рамках Стандартной модели, предположив существование в природе новых, в то время ещё неизвестных, семейств кварков. Профессор Кобаяси вспоминает:
Наша работа состояла из двух частей. Одна сводилась к постулату, что четырёх кварков недостаточно для объяснения этого феномена. Это был вполне логичный вывод, он напрашивался сам собой. А вторая часть работы заключалась в том, что мы должны были решить, какие новые частицы способны объяснить наблюдаемые нарушения симметрии. Там было много возможных вариантов, шесть кварков – лишь один из них. Но мы остановились именно на нём. И оказались правы.
Эти предсказанные Кобаяси и Маскавой новые кварки были экспериментально зарегистрированы лишь недавно, в 2001-м и 2002-м годах. Наблюдавшиеся при этом нарушения симметрии в точности отвечали тем параметрам, что были вычислены нынешними нобелевскими лауреатами почти 3 десятилетия назад.
Кстати, именно это нарушение симметрии, исследованное Кобаяси и Маскавой, пусть и ничтожно малое, сделало возможным само существование Вселенной, в которой мы сегодня живём, потому что в момент Большого взрыва вещества оказалось чуть больше, чем антивещества. Но со стандартной моделью связана и ещё одна проблема: в ней все частицы лишены массы, а без массы они должны перемещаться со скоростью света, так что никакие атомы, планеты и звёзды были бы невозможны. В качестве выхода из этого тупика британский физик Питер Хиггс (Peter Higgs) предложил считать Вселенную заполненной неким вязким полем, которое с разной силой тормозит разные частицы. Носителем такого поля является бозон Хиггса – пока сугубо гипотетическая частица, поиск которой уже давно, но до сих пор безрезультатно, ведётся с использованием всё более мощных ускорителей. Теперь исследователи возлагают все надежды на новый ускоритель частиц на встречных пучках – Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии близ Женевы. Профессор Кобаяси говорит:
Лично я ожидаю от БАКа, что он откроет нам некую новую физику, скорее всего, подтвердит так называемую теорию суперсимметрии. Стандартная модель в её нынешнем виде сохранит своё значение, но она будет дополнена и расширена. Впрочем, поживём – увидим. Ждать осталось недолго.
Вот и всё на сегодня. Через неделю в эфир выйдет последняя из трёх передач, посвящённых лауреатам Нобелевской премии 2008-го года в области естественных наук. Речь в ней пойдёт о химии.