Шелдон Л. Глэшоу. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Шелдон Л. Глэшоу (Glashow)

( 5.12.1932)

Нобелевская премия по физике, 1979 г. за «за изобретение пузырьковой камеры» совместно с Абдусом Саламом и Стивеном Вайнбергом. Они были награждены премией за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание слабых нейтральных токов. Теория калибровочной симметрии, развитая Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, нашла впечатляющее подтверждение в 1973 г., когда были обнаружены слабые нейтральные токи

Американский физик Шелдон Ли Глэшоу родился в Нью-Йорке. Он был младшим из трех сыновей эмигрантов из Бобруйска Льюиса Глуховски и урожденной Беллы Рубин. Отец Глэшоу, основавший в Нью-Йорке процветающую контору по ремонту водопровода, изменил фамилию на Глэшоу Глэшоу учился в Средней школе наук в Бронксе. Одноклассниками его были Стивен Вайнберг и Джеральд Файнберг, ставший потом физиком в Колумбийском университете. Глэшоу сохранил им признательность за то, что они пробудили в нем интерес к физике.

После получения диплома бакалавра наук в Корнеллском университете в 1954 г. Глэшоу поступил в аспирантуру при Гарвардском университете, которую закончил в 1959 г. Его диссертация «Векторный мезон в распадах элементарных частиц» ("The Vector Meson in Elementary Particle Decays") была написана под руководством Джулиуса С. Швингера, оказавшего большое влияние на всю последующую научную деятельность Глэшоу С 1958 по 1960 г. Глэшоу был стипендиатом Копенгагенского университета. Затем он провел год в качестве физика-исследователя Калифорнийского технологического института, после чего преподавал физику в Станфордском университете, в Калифорнийском университете в Беркли. В 1967 г. Глэшоу возвратился в Гарвард, где в 1979 г. был назначен на кафедру физики имени Юджина Хиггинса. На этом посту он пребывает до сих пор.

Значительная часть работ Глэшоу посвящена проблеме объединения всех сил, наблюдаемых в природе Ученые начала XIX в считали, что в природе действуют три различные и внешне независимые силы гравитация, электричество и магнетизм. Прогресс в упрощении такой точки зрения был достигнут в 60-е гг. прошлого столетия шотландским математиком и физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, показавшим, что электричество и магнетизм представляют собой различные проявления одной и той же сущности, известной теперь под названием электромагнитного поля Теория Максвелла позволила объяснить многое из того, что прежде казалось загадочным (главным образом природу света), и предсказать существование радиоволн. Она стала стимулом к созданию более общей теории, которая позволила бы охватить все силы природы.

В первые три десятилетия XX в. после открытия атомного ядра физики узнали о существовании еще двух взаимодействий сильного, удерживающего вместе протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, и слабого, приводящего к распаду ядра. Например, радиоактивный распад нейтронов с испусканием бета-частиц (электронов) и нейтрино (процесс, вносящий вклад в выделение энергии Солнцем) обусловлен слабым взаимодействием. Однако и сильное, и слабое взаимодействия отличаются от ранее известных сил в одном важном отношении гравитация и электромагнетизм имеют неограниченный радиус действия, сильное же взаимодействие эффективно только на расстояниях, не превышающих размеры атомного ядра, а слабое взаимодействие – на еще меньших.

Новаторские теоретические идеи, за которые Глэшоу, Абдус Салам и Вайнберг были удостоены Нобелевской премии, привели к объединению электромагнетизма и слабого взаимодействия. Так же как и максвелловское объединение электричества и магнетизма, электромагнетизм и слабое взаимодействие в теории Глэшоу – Салама – Вайнберга рассматриваются как различные аспекты единого «электрослабого» взаимодействия. Предпринятая Глэшоу в 1960 г. первая попытка объединения электромагнетизма и слабого взаимодействия была основана на понятии так называемой калибровочной симметрии. Аналогичную формулировку годом позже предложил и Салам. В обыденной жизни мы называем предмет симметричным, если он неотличим от своего зеркального отражения. Физики ввели много других типов симметрии. Например, зарядовая симметрия в электромагнетизме означает, что взаимодействие между двумя частицами не изменяется, если все отрицательные заряды заменить положительными и, наоборот, все положительные отрицательными. Калибровочная симметрия присуща физическим свойствам или соотношениям, которые остаются инвариантными при изменении масштаба или опорной точки для относительных измерений. В 1954 г. Янг Чжэньнин и Роберт Л. Миллс, работавшие в Брукхейвенской национальной лаборатории, распространили принцип калибровочной симметрии на более сложную физику сильного взаимодействия. Хотя их исследования так и не превратились в рабочую теорию, они проложили путь для всех последующих попыток описать фундаментальные взаимодействия, в том числе Глэшоу, Вайнбергом и Саламом.

В определенном смысле попытку, предпринятую Глэшоу в 1960 г., объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие следует признать успешной, так как его теория не только объединила эти силы, но и сделала их неразличимыми. Она предсказывала существование четырех частиц – переносчиков взаимодействий. Одну из них можно было бы отождествить с фотоном квантом света, который уже был известен как переносчик электромагнитного взаимодействия. Остальные три частицы, обозначенные W⁺, W и Z, предположительно были переносчиками слабого взаимодействия материи. В теории 1960 г. все четыре частицы были безмассовыми. В квантовой механике радиус взаимодействия обратно пропорционален массе частицы-переносчика, поэтому нулевая масса соответствует бесконечному радиусу взаимодействия. Таким образом, вопреки всем экспериментальным данным теория Глэшоу предполагала неограниченный радиус взаимодействия не только для электромагнетизма, но и для слабого взаимодействия.

Предложенная Глэшоу калибровочная симметрия привела к еще одному нетрадиционному выводу: когда две частицы обмениваются электромагнитным взаимодействием, их электрические заряды не изменяются, так как фотон (переносчик электромагнитного излучения) не является носителем электрического заряда. Однако во всех известных в то время слабых взаимодействиях осуществлялся перенос единичного электрического заряда, например, распадающийся нейтрон (с 0 зарядом) мог порождать протон (с зарядом +1) и электрон (с зарядом –1). Явления такого рода можно было бы объяснить обменом частицами W⁺ и W^– с зарядами, равными соответственно +1 и –1. Но введение электрически нейтральной частицы Z означает, что некоторые слабые взаимодействия должны происходить без обмена зарядом, как при электромагнитном взаимодействии Предсказание событий, называемых слабыми нейтральными токами, впоследствии стало решающей экспериментальной проверкой объединенных теорий.

Глэшоу попытался исправить основной недостаток своей теории бесконечный радиус слабого взаимодействия, постулируя большие массы частиц W⁺, W^–и Z⁰. Однако такая стратегия не имела успеха если включить массы, то теория приводила к невозможным результатам, например к бесконечной интенсивности некоторых слабых взаимодействий. Аналогичные проблемы, возникшие двумя десятилетиями раньше, были разрешены с помощью математической процедуры, называемой перенормировкой, но в случае слабого взаимодействия перенормировка «не срабатывала». Проблема массивных частиц W и Z была решена через несколько лет, когда Вайнберг, Салам и другие ученые применили новые методы.

Работая независимо друг от друга в 1967 и 1968 гг., Вайнберг и Салам создали объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодействий на основе той самой калибровочной симметрии, которой пользовался Глэшоу Теория Вайнберга – Салама также утверждала существование четырех частиц-переносчиков, но для придания масс частицам W⁺, W^– и Z⁰ и нулевой массы фотону авторы ввели новый механизм. Идея этого механизма, называемого спонтанным нарушением симметрии, берет начало в физике твердого тела. В последствии частицы W и Z были обнаружены экспериментально Карло Руббиа среди продуктов реакций, возникающих при столкновениях частиц, разогнанных до высоких энергий на ускорителе.

В 1979 г. Глэшоу, Саламу и Вайнбергу была присуждена Нобелевская премия по физике «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание слабых нейтральных токов». В своей Нобелевской лекции Глэшоу поделился воспоминаниями о тех днях, когда Джулиус Швингер впервые побудил его заняться поиском объединенных взаимодействий «В 1956 г., когда я делал свои первые шаги в теоретической физике, теория элементарных частиц напоминала лоскутное одеяло Электродинамика, сильные и слабые взаимодействия были совершенно самостоятельными дисциплинами, преподававшимися и изучавшимися в полном отрыве друг от друга. Последовательной теории, которая бы объединяла все взаимодействия, тогда не существовало». И далее заметил «С тех пор многое изменилось... Теперь мы располагаем теорией, которая представляет собой цельное произведение искусства лоскутное одеяло превратилось в гобелен».

Помимо работ по слабому и электромагнитному взаимодействиям Глэшоу внес важный вклад и в понимание сильного взаимодействия В 40-х и 50-х гг. в экспериментах на ускорителях высоких энергий было открыто много короткоживущих частиц, связанных с протоном и нейтроном, к 1969 г. было известно более 100 частиц, которые все считались одинаково элементарными. Многих физиков такая ситуация не удовлетворяла. И в 1963 г. Марри Гелл-Манн и американский физик Джордж Цвейг предложили способ, позволяющий уменьшить число фундаментальных частиц, необходимых для теории материи. Они высказали гипотезу и о том, что протон, нейтрон и все известные их «родственники» могут быть сложными частицами, состоящими из нескольких более фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками. Между собой кварки должны быть связаны сильным взаимодействием.

В первоначальном варианте теории Гелл-Манна было три типа кварков: и-кварки (от англ. up – верхние), (d-кварки (от англ. down – нижние) и s-кварки (от англ. strange – странные). Через год, когда кварковая модель все еще оставалась чисто умозрительной, Глэшоу совместно с физиком Джеймсом Д. Бьоркеном предложил ввести четвертый кварк c. Глэшоу назвал его очарованным кварком (charm), поскольку тот действовал подобно волшебным чарам, позволяя устранить некоторые явления, предсказываемые трехкварковой теорией, но в действительности ненаблюдаемые. В 1970 г. Глэшоу вместе с Джоном Илиопулосом и Лучиано Маиани выдвинули еще более сильные аргументы в пользу существования очарованного кварка. Частицы, содержащие эти кварки, были открыты в 1974 г. Предвидение Глэшоу получило экспериментальное подтверждение.

Став лауреатом Нобелевской премии, Глэшоу продолжает преподавать и заниматься исследовательской работой в Гарварде. Он предпринял попытку построить теорию, объединяющую сильное и электрослабое взаимодействия. В 1987 г. Глэшоу (вместе с Джоном Н. Бахколлом из принстонского Института фундаментальных исследований) сообщил о более низких оценках массы нейтрино. Новые оценки, основанные на анализе взрыва сверхновой звезды, свидетельствуют о том, что масса всех нейтрино недостаточна для обращения расширения Вселенной, как предполагали некоторые ученые.

В 1972 г. Глэшоу женился на Джоан Ширли Александер; у них родилось трое сыновей и дочь. Глэшоу удостоен медали Дж. Роберта Оппенгеймера университета Майами (1977) и Джорджа Ледли Гарвардского университета (1978) и почетных степеней университета Йешива и университета Аикс-Марселя. Глэшоу состоит членом Американского физического общества. Американской академии наук и искусств и Национальной академии наук США.

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.