Страница 25 из 92
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.
Выводы Ли и Янга базировались на данных распада K-мезонов. Решающая информация о так называемых тау- и тета-частицах, указывающая на их идентичность, была получена в 1956 г. Вэлом Фитчем из Принстонского университета. В 1961 г. этот же исследователь открыл нейтральный K-мезон, или, точнее, его античастицу. Эти два микрообъекта отличаются только одним из квантовых чисел — странностью. Согласно теории, получаемый пучок нейтральных K-мезонов должен состоять приблизительно из одинакового числа частиц и античастиц. В то время как имеющие малую продолжительность жизни нейтральные K-мезоны быстро распадаются на два пи-мезона, это, согласно закону сохранения комбинированной четности, не распространяется на их античастицы. Эксперименты такого рода были проведены в 1964 г. в Принстоне Вэлом Фитчем и Джеймсом Кронином. Поначалу экспериментальные данные согласовались с теорией, но затем в 0,2% случаев наблюдался распад более устойчивых античастиц.
Это было катастрофой для теории. Последний принцип симметрии— закон комбинированной четности — оказался нарушенным. Результаты Кронина и Фитча были оглашены в августе 1964 г. на XII Международной конференции по физике высоких энергий, происходившей в Дубне. Впоследствии были обнаружены и другие процессы, где нарушается пространственно-зарядовая симметрия. Стало очевидным, что открыто некое фундаментальное свойство слабых взаимодействий.
В соответствии с современными теориями, объясняющими электромагнитные и слабые взаимодействия обменом фотонами и бозонами, нарушение симметрии обусловлено именно последними (квантами слабого взаимодействия). Такое нарушение не могло получиться в системе из двух пар кварков (ud и sc), и поэтому в 1973 г. Кобаяси и Маскава предположили существование третьей пары кварков (bt). В 1975 г. был открыт тяжелый тау-лептон, состоящий из этой пары кварков, а в 1977 г. — ипсилон-мезон (У), состоящий из двух связанных b-кварков. Шестой t-кварк открыт летом 1984 г. в ЦЕРН той же группой исследователей, которая обнаружила промежуточные векторные бозоны. Он был замечен при распаде W-частиц.
Современная физика, ставящая своей целью объяснить все многообразие явлений в рамках одной теории, уже нашла взаимосвязь между нарушениями комбинированной четности и эволюцией Вселенной. Астрофизические исследования показывают, что во Вселенной практически нет антивещества. Встречающиеся единичные античастицы, по всей вероятности, имеют вторичное происхождение. Предполагается, однако, что на очень ранних стадиях возникновения Вселенной, когда только образовались частицы, число нуклонов и антинуклонов было почти одинаковым. Из этого «почти» и возник мир, в котором мы живем. Частицы и античастицы аннигилировали, в результате чего возникло излучение — фотоны. Если бы число античастиц и частиц было одинаковым, то во Вселенной сегодня не было бы вещества, а только одни фотоны. К счастью, мир «с самого начала» был слегка асимметричен. В свете подобных представлений приходится признать нарушение комбинированной четности.
Начало таким теоретическим рассуждениям было положено сенсационным открытием Фитча и Кронина в 1964 г. Нобелевский комитет по физике проявил в последние годы замечательную последовательность в своих решениях. В 1978 г. были награждены Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Вильсон — за открытие реликтового фонового электромагнитного излучения, которое возникло еще в момент рождения Вселенной. В 1979 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вайнбергу, Глэшоу и Саламу за создание объединенной теории слабых и электромагнитных взаимодействий, а в 1980 г. Нобелевскую премию получили Вэл Логсдон Фитч и Джеймс Уотсон Кронин за открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии. Эти три открытия, сделанные в различных областях науки, — новые зернышки в мозаике, воссоздающей все более законченную картину мира.
V. РАДИОВОЛНЫ
В середине прошлого столетия исследования в области электричества, магнетизма и оптики достигли больших высот, что позволило объединить все существующие представления в одну теорию, получившую название электродинамики. Это сделал известный английский физик Джеймс Клерк Максвелл. Экспериментальную проверку новой теории осуществил немецкий ученый Генрих Рудольф Герц.
В 1887 г. он построил опытную установку, с помощью которой доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве, подтвердив тем самым предсказания теории Максвелла. В своих опытах Герц пользовался сконструированным им генератором электромагнитных колебаний (вибратором Герца); эти колебания улавливались другим прибором — резонатором. Герц провел обширные исследования свойств электромагнитных волн и подтвердил их сходство со светом. Однако у Герца не возникло мысли, что посредством этих волн можно передавать информацию, подобно тому как это делается с помощью электрических сигналов в телеграфном кабеле. Тем не менее несколько лет спустя эта идея получила распространение в мире ученых. Русский физик Александр Степанович Попов опубликовал в 1895 г. результаты своих исследований относительно возможности передачи сообщений с помощью электромагнитных волн[6]. В том же году 20-летний итальянец Гульельмо Mapкони (человек, не имеющий специальной теоретической подготовки и получивший лишь домашнее образование), вдохновленный работами Герца, начал свои эксперименты.
5
Одновременно (и независимо) с Ли и Янгом закон сохранения комбинированной четности предложил советский ученый академик Лев Давыдович Ландау, — Прим. ред.
6
А.С. Попов в 1889 г, впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние. В 1894 г. он сконструировал генератор электромагнитных колебаний и когерер — элемент приемника, а также изобрел приемную антенну. 24 мая 1896 г. он передал первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: «Генрих Герц», — Прим. ред.