Стивен Вайнберг. Физики - нобелевские лауреаты на сайте "Физика вокруг нас"

Стивен ВАЙНБЕРГ (Weinberg)

(родился 3 мая 1933 г.)

Нобелевская премия по физике, 1979 г.совместно с Шелдоном Л. Глэшоу и Абдусом Саламом. 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 Стивен Вайнберг родился в Нью-Йорке; сын Евы (в девичестве Израэль) Вайнберг и Фредерика Вайнберга, судебного стенографиста. Его ранний интерес к науке стимулировался отцом и поощрялся в научно ориентированной школе в Бронксе, где одним из его учителей был Шелдон Л. Глэшоу. К шестнадцати годам интересы В. сосредоточились на теоретической физике.

Получив в 1954 г. степень бакалавра в Корнеллском университете, В. работал в течение года в Институте теоретической физики в Копенгагене (ныне Институт Нильса Бора). Вернувшись в США, он в 1957 г. получил докторскую степень в Принстонском университете, причем диссертация была посвящена приложениям перенормировки, а также математической технике, занявшей важное место в его более поздних работах.

После защиты докторской диссертации В. с 1957 г. работал в Колумбийском университете, а затем преподавал в Калифорнийском университете в Беркли вплоть до 1969 г., когда он стал преподавателем Массачусетского технологического института. В 1973 г. он перешел в Гарвардский университет на должность профессора физики, унаследовав этот пост от Джулиуса С. Швингера. Одновременно он служил главным научным сотрудником в Смитсоновской астрофизической обсерватории.

Как он указал в собственном отчете, его интересы были весьма широки, включая «большое многообразие тем – высокоэнергическое поведение диаграмм Фейнмана (по имени Ричарда П. Феиниана), нейтральные токи слабых взаимодействий, нарушение симметрии, теория рассеяния, физика мюонов и т.д., – тем, выбранных зачастую просто потому, что хотелось самостоятельно разобраться в некоторых областях физики». В своем наиболее знаменитом исследовании он попытался унифицировать фундаментальные силы природы.

В начале XIX в. физики свели силы, действующие в природе, к трем гравитации, электричеству, магнетизму. В 1870-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл установил, что электричество и магнетизм не являются независимыми силами, а представляют собой различные аспекты силы, называемой теперь электромагнетизмом. Максвеллу удалось показать, что свет представляет собой электромагнитное явление, и определить его скорость, предсказать существование радиоволн и воодушевить дальнейших исследователей на поиски глубинного принципа, который свел бы воедино все силы природы.

После открытия атомного ядра в XX в. ученым пришлось добавить еще две дополнительные силы: сильное взаимодействие и слабое взаимодействие Сильное взаимодействие удерживает вместе протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро. Напротив, слабое взаимодействие, вместо того чтобы удерживать частицы вместе, разъединяет их, как, например, это происходит при радиоактивном испускании бета-лучей (электронов). В отличие от гравитации и электромагнетизма, которые действуют на неограниченных расстояниях, сильное взаимодействие не распространяется за границы ядра. Слабое взаимодействие распространяется на еще меньшую область. Согласно В., Глэшоу и Абдусу Саламу, электромагнитные и слабые силы представляют собой различные аспекты единой «электрослабой» силы.

С помощью концепции, названной калибровочной симметрией, Глэшоу первым попытался объединить электромагнетизм со слабыми силами (слабыми взаимодействиями) в 1960 г. Существует несколько типов симметрий, в том числе зеркальная симметрия (как у пары перчаток) и зарядовая симметрия (сила взаимодействия между двумя частицами, несущими электрический заряд, не изменится, если частицы обменяются своими зарядами). Симметрия, обусловленная калибровочной инвариантностью, имеет дело с математическими величинами, абсолютные значения которых (в отличие от относительных) не влияют на физические взаимодействия, так что начало отсчета можно произвольно менять, не изменяя при этом ни одной из наблюдаемых величин.

Хотя сам термин «калибровочная симметрия» был введен в 1920 г., данную концепцию можно проследить и в более ранних работах. И в самом деле, теорию электромагнетизма Максвелла можно интерпретировать как применение этого принципа симметрии. Выводы теории Максвелла остаются теми же самыми, независимо от того, от какой точки отсчитывать величины напряжении. За такую точку обычно выбирается та, которая соответствует, как сказал бы инженер-электрик, потенциалу Земли. Абсолютное значение электрического потенциала не играет никакой роли; напряжение равно разности потенциалов в двух точках, за одну из которых можно принять точку Земли. Пытаясь применить принцип калибровочной симметрии к более сложной физике сильных взаимодействий, Янг Чжэньнин и Роберт Л. Миллс в 1954 г. весьма существенно продвинулись по пути создания единой концепции сил в природе, куда внесла свой вклад и работа Глэшоу, В. и Салама.

Новое продвижение произошло в 19601., когда Глэшоу предположил существование четырех частиц, служащих носителями как электромагнетизма, так и слабого взаимодействия. Одна из них, фотон (или квант света), была уже известна как носитель электромагнитной энергии. Три другие частицы (которые теперь носят название бозонов –W ⁺,W^– и Z⁰) служат посредниками при слабых взаимодействиях. Поскольку частицы-переносчики не имели массы, слабые взаимодействия должны, согласно теории Глэшоу, осуществляться на неограниченных расстояниях, что очевидным образом противоречило экспериментальным данным. Чтобы справиться с этой трудностью, Глэшоу постулировал большие массы бозонов W⁺, W^– и Z⁰, но теперь теория предсказывала, что некоторые слабые взаимодействия должны осуществляться и с бесконечной силой.

Используя калибровочную теорию, как и Глэшоу, В. предложил в 1967 г. единую теорию. Его решение, которое зависит от механизма, известного как спонтанное нарушение симметрии, состоит в том, что фотон по-прежнему считается не имеющим массы, тогда как остальные три частицы массой обладают. Согласно этой теории, электромагнитные и слабые силы идентичны при крайне высоких энергиях. При этих условиях массы бозонов W и Z слабо влияют на процесс, поскольку массивные частицы легко образуются из имеющейся энергии (в теории относительности Альберта Эйнштейна устанавливается эквивалентность массы и энергии). Таким образом, обмен W- и Z-бозонами в точности таков же, как и обмен фотонами, а силы слабого взаимодействия столь же сильны, как и электромагнитные. Однако при более низких энергиях частицы W и Z образуются редко, так что слабые взаимодействия становятся реже и проявляются на меньших расстояниях, чем электромагнитные. Поскольку мир земной физики существует при относительно низких энергиях, разница между этими двумя силами проявляется больше, чем их сходство.

Год спустя после того, как В. сообщил о своей теории, Абдус Салам независимо от него предложил аналогичную теорию. Их идеи не привлекали к себе особого внимания вплоть до 1971 г., когда нидерландский физик Герхард Хофт применил математическую технику, называемую перенормировкой и предложенную Джулиусом С. Швингером и Синъитиро Томонагой, которая позволила ему и другим исследователям завершить обоснование единых сил в природе. Теория калибровочной симметрии, развитая Глэшоу, В. и Саламом, нашла впечатляющее подтверждение в 1973 г., когда были обнаружены слабые нейтральные токи в экспериментах, проведенных в Лаборатории национального ускорителя им. Ферми близ Чикаго и в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) близ Женевы. В 1983 г. W- и Z-бозоны были обнаружены в ЦЕРНе Карло Руббиа и его коллегами.

В., Глэшоу и Салам были награждены в 1979 г. Нобелевской премией по физике «за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание слабых нейтральных токов». В Нобелевской лекции В. говорил о симметриях, или регулярностях, проявляющихся в законах природы. «Мы можем изучать материю только при низких температурах, где, похоже, симметрии спонтанно нарушаются, так что природа не выглядит простой или единой... Но, наблюдая долго и упорно, мы можем выявить формы симметрий, которые, хотя и нарушены, представляют собой именно те принципы, которые управляют всеми ядерными явлениями».

С 1982 г. В. занимает пост профессора Техасского университета в Остине. Он был консультантом Института оборонных исследований (1960...1973) и Агентства по разоружению и контролю над вооружениями США (1971 1973). В дополнение к работе по элементарным частицам и теории поля, включая квантовую теорию и общую теорию относительности, он проявляет большой интерес к астрономии и астрофизике.

В. и Луиза Голдвассер поженились в 1954 г., у них есть дочь. В часы досуга он любит изучать средневековую историю.

В. получил премию Дж. Роберта Оппенгеймера Университета Майами (1973), премию Дэнни Хейнемана (1977) Американского физического общества и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1979). Он является членом американской Национальной академии наук. Американского физического общества, Американского астрономического общества, Лондонского королевского общества и Американской академии средневековья. Он имеет почетные ученые степени Нокс-колледжа, Чикагского, Рочестерского, Йельского, Нью-йоркского университетов и Университета Кларка.

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