Нобелевская премия по физике 2008 года присуждена американцу Йоичиру Намбу (Yoichiro Nambu) за «открытие механизма спонтанного нарушения симметрии на субатомном уровне» и двум ученым из Японии Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi) и Тосихидэ Маскава (Toshihide Maskawa), за «объяснение нарушения СР-симметрии и предсказание существования в природе, по меньшей мере, трех семейств кварков».
За этим сложным определением стоит вот что…
Нобелевские лауреаты по физике (слева направо): Йоичиру Мамбу , Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава .
Мир в большинстве случаев только кажется нам симметричным. У любого человека два глаза, два уха, две руки и две ноги. Вроде бы все симметрично. Но при внимательном взгляде выясняется, что одна нога чуть больше другой, а правая рука, как правило, сильнее левой.
Откуда такие различия? Точного ответа на этот вопрос ученые пока не знают. В микромире тоже нет полной симметрии. И заслуга Йоичиру Намбу состоит прежде всего в том, что он попытался объяснить, почему это так.
Во Вселенной, как известно, существуют не только частицы, но и античастицы — например, электрону соответствует протон. Частицы эти по массе и другим параметрам соответствуют друг другу, но имеют заряды разного знака; электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно. Причем если обе частицы столкнутся друг с другом, то происходит взрывная реакция аннигиляции — обе частицы исчезают, выделяя огромное количество энергии.
В момент рождения нашей Вселенной, по законам симметрии, должно было образоваться одинаковое количество частиц и античастиц. И если бы симметрия была полной, за Большим взрывом последовало бы множество малых, аннигиляционных, и Вселенная исчезла бы, не успев толком возникнуть.
Однако, на наше счастье, законы симметрии в мире соблюдаются лишь приблизительно. Как подсчитал Йоичиру Намбу, достаточно было всего одной «лишней» частицы материи на каждые 10 миллиардов частиц материи и антиматерии в первый момент существования Вселенной, чтобы она уцелела.
В общем, когда Йоичиру Намбу с коллегами попытались описать аналогичные цепные процессы в мире элементарных частиц, то из их описания последовало множество важных следствий.
В частности, предложенный Намбу механизм спонтанного нарушения симметрии позволил ввести понятие Хиггсовского поля, названного так по имени английского теоретика. Именно под его воздействием, как полагают теоретики, так крепко держатся друг за друга протоны и нейтроны в атомном ядре. Носителем, или квантом, поля Хиггса ныне считается особая частица — Хиггсовский бозон. Его предполагают обнаружить в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, подтвердив тем самым предвидение теоретика, получившего за это половину Нобелевской премии.
Вторую часть премии поделили между собой два японских исследователя — Макото Кобаяси из Организации по исследованиям в области ускорителей высоких энергий и Тосихидэ Маскава из Института теоретической физики имени Юкавы Киотского университета. Их работы стали своего рода развитием идей, предложенных Намбу, применительно к более узкой области CP-симметрии. Буквы С и Р обозначают два типа симметрии — зарядовую (С — от английского слова charge — «заряд») и зеркальную (Р — от parity — «соответствие»).
Первая состоит в том, что частицы и античастицы, как уже говорилось, имеют одинаковые свойства, отличаясь только зарядами.
Вторая, зеркальная, симметрия показывает, что все события квантового мира протекают одинаково вне зависимости от того, происходят они в нашем мире или в зеркально отраженном. Хотя сами по себе события и объекты в нашем и зазеркальном мире имеют некоторые отличия.
Так, по мнению современных физиков, устроен наш мир. Любое материальное тело состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из протонов, нейтронов и других элементарных частиц, элементарные частицы — из кварков. Но конец ли это цепочки?
Поглядите на себя в зеркало, причешитесь. Какой рукой вы это сделали? Правой. А вот ваш двойник в зеркале причесывается левой рукой…
Совместная же CP-симметрия, или CP-четность, означает, что, несмотря на некоторые несоответствия, свойства частиц и античастиц в нашем и зеркально отраженном пространстве в целом совпадают.
Какое-то время физики считали, что законы СР-симметрии выполняются всегда. Однако в 1956 году выяснилось, что распад ядер радиоактивного кобальта-60 происходит с нарушением зеркальной симметрии. А чуть позднее выяснилось, что некоторые элементарные частицы — например, К-мезоны и их антидвойники — ведут себя чуть-чуть по-разному при слабых взаимодействиях, которые определяют радиоактивный распад ядер.
Эти события заставили ученых всерьез задуматься, почему такое возможно. И, в конце концов, теоретики предположили, что элементарные частицы, в свою очередь, состоят из неких «первокирпичиков», причем они в тех же К-мезонах и К-антимезонах чуть-чуть разные.
В 1964 году один из самых молодых тогда нобелевских лауреатов американец Мюррей Гелл-Манн предложил назвать эти «кирпичики» материи кварками. Название нового класса элементарных частиц он позаимствовал из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где чайки истошно кричат: «Три кварка для мистера Марка!» В самом романе не объясняется, что такое кварк, но ясно, что им обозначается нечто зыбкое, почти не материальное. В общем, название физикам понравилось, и оно прижилось.
Сегодня теоретики уже рассуждают о разных видах кварков и дают им романтичные имена: strange — странный, charm — очаровательный, beauty — прекрасный, top — высший и т. д. Некоторые из этих кварков предсказаны нынешними нобелевскими лауреатами.
«Прежде всего, мы поняли, что трех и даже четырех кварков недостаточно, чтобы объяснить нарушение СР-симметрии, — пояснил Макото Кобаяси. — И мы стали думать, какие же новые частицы могли бы объяснить это нарушение. Вариантов было довольно много, но лишь один из них — наличие шести кварков — показался нам единственно верным».
Однако никому до сих пор не удалось наблюдать сами эти кварки в эксперименте. Возможно, это удастся сделать опять-таки с помощью Большого адронного коллайдера. Он предназначен для того, чтобы разгонять и сталкивать адроны. Так называется самый распространенный класс элементарных частиц — их открыто уже несколько сотен, наиболее известны среди них протоны и нейтроны.
По мнению теоретиков, все адроны состоят либо из трех кварков, либо из пары кварк — антикварк. При этом получается, что заряд кварка равен либо плюс двум третям, либо минус одной трети заряда электрона.
Но дробный заряд электрона — это, согласитесь, нечто вроде двух третей лошади. В школе такой ответ получается лишь при решении задач нерадивыми учениками. А в случае с дробными зарядами кварков и весьма эрудированные ученые никак разобраться не могут что к чему. И тому, кто сумеет решить эту задачку, не исключено, по праву достанется еще одна Нобелевская премия.
С. НИКОЛАЕВ
* * *
Дорогие друзья!
Вышел в свет электронный архив журнала с 1956 по 2007 год.
В электронном издании реализованы: удобная система навигации, полнотекстовой поиск, возможность создавать закладки.
Минимальные системные требования к компьютеру:
• Операционная система Microsoft «Windows» 2000/XP/Vista
• Процессор Pentium III 700 МГц (рекомендуется Pentium IV 1500 МГц и выше) % 512 Мб и выше оперативной памяти
• DVD ROM
• Разрешение экрана от 800x600 (SVGA)
• Возрастных ограничений нет
Условия приобретения архива опубликованы на сайте журнала http://utechnik.org