Нобелевская премия 2004 года: физика
В эфире - вторая из трёх передач, посвящённых нобелевским лауреатам 2004-го года в области естественных наук. Сегодня речь пойдёт о физике.
«...Многие из полученных Фрадкиным результатов являются классическими. В методических вопросах Фрадкин не имеет себе равных... В связи с трудностями квантовой теории поля... в середине 50-х – начале 60-х годов возникло скептическое отношение к этой теории; к сожалению, этот скептицизм в какой-то мере распространился и на работы Фрадкина; некоторые из полученных им существенных результатов не были своевременно замечены и впоследствии переоткрывались другими авторами; в некоторых же важных вопросах и сам Фрадкин не проявил должной настойчивости. Может, наиболее драматический пример – исследование бета-функции Гелл-Мана–Лоу в неабелевых калибровочных теориях (я не буду тут расшифровывать эти специальные термины, скажу лишь, что в зависимости от знака бета-функции имеет место либо трудность «Московского нуля» – именно так было во всех исследовавшихся до сих пор теориях, – либо гораздо более благоприятная ситуация, условно называемая «асимптотическая свобода»). У Фрадкина и его соавтора Игоря Тютина тут всё было «в руках», но они не обратили внимания на знак бета-функции или не придали этому должного значения, поглощённые преодолением расчётных трудностей... Асимптотическая свобода была потом открыта Вилчеком и Гроссом и одновременно Политцером, это открытие составило эпоху в теории элементарных частиц...»
На эту выдержку из «Воспоминаний» Андрея Дмитриевича Сахарова я наткнулся, собирая материал для сегодняшней передачи, передачи, которая посвящена именно Фрэнку Уилчеку (Frank A. Wilczek), Дейвиду Гроссу (David J. Gross) и Дейвиду Политцеру (H. David Politzer) – лауреатам Нобелевской премии 2004-го года по физике. Понятно, что упоминаемый академиком Сахаровым Фрадкин не имеет ко мне никакого отношения – речь идёт о ныне покойном физике-теоретике Ефиме Самойловиче Фрадкине (24.02.1924-24.05.1999), – однако тот факт, что мой однофамилец, можно сказать, упустил Нобелевскую премию, заставил меня с особым вниманием взглянуть на это открытие и на учёных, его совершивших.
Ещё Фауст в бессмертной трагедии Гёте стремился к тому, «чтобы понять, уединясь, Вселенной внутреннюю связь». В решение именно этой проблемы и внесли свой весомый вклад новоиспечённые нобелевские лауреаты. Премия присуждена им «за открытие асимптотической свободы в теории сильного взаимодействия». Правда, отмеченная премией работа была опубликована в 1973-м году, то есть 3 с лишним десятилетия назад. Тогда старшему из её авторов – Дейвиду Гроссу – было чуть больше 30-ти, а младшему – Фрэнку Уилчеку – чуть больше 20-ти. Возможно, впрочем, что это обстоятельство сыграло положительную роль: ведь известно, что в теоретической физике и математике главные, действительно революционные открытия совершаются людьми молодыми. Профессор Ларс Бергстрём (Lars Bergström), член Нобелевского комитета, поясняет:
Они отважились сформулировать физическую теорию в области, на которую учёные более преклонного возраста махнули рукой, решив, что это безнадёжно и не стоит тратить на это силы. Но этим троим хватило мужества сунуться в самое пекло. И там они сделали своё главное открытие, после которого вдруг всё сразу стало ясно.
Итак, кто же они, лауреаты Нобелевской премии нынешнего года по физике? Коллеги, хорошо знающие всех троих, говорят, что людей, более разных по темпераменту и характеру, трудно сыскать.
Дейвид Гросс родился в 1941-м году в Вашингтоне, округ Колумбия. В 1966-м году он защитил докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Бёркли, после чего приступил к научно-исследовательской работе – сначала в Гарвардском, а затем – в Принстонском университетах. Сегодня профессор Гросс руководит Институтом теоретической физики имени Кэвли (Kavli) при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. За свои научные достижения он удостоен множества престижных премий и наград. Кроме того, он является членом Американского физического общества, Национальной академии наук, Американской академии гуманитарных и точных наук, Американской ассоциации за прогресс науки, а также целого ряда общественных комитетов и комиссий, что позволяет ему влиять на организационные и административные решения, касающиеся теоретической физики и науки вообще. В связи с этим некоторые коллеги Дейвида Гросса полагают, что он порой злоупотребляет своим влиянием, и поговаривают о его властолюбии и даже высокомерии.
Впрочем, профессор Йохен Бартельс (Jochen Bartels), научный сотрудник самого крупного немецкого ускорителя частиц – электронного синхротрона DESY в Гамбурге, – придерживается иного мнения:
Я знаю всех троих лауреатов по докладам, конференциям, международным встречам. Это действительно очень разные типы. Дейвид Гросс, несомненно, самый уверенный в себе. Я вовсе не считаю его высокомерным, но вполне могу себе представить, что кому-то он таким показался.
Фрэнк Уилчек родился в 1951-м году в Нью-Йорке. Получив степень бакалавра в Чикагском университете, он приступил к научно-исследовательской работе в Принстонском университете под руководством профессора Гросса. Здесь они и произвели те самые расчёты, которые легли в основу теории, удостоенной теперь Нобелевской премии. В 1974-м году Уилчек защитил докторскую диссертацию и на протяжении 7-ми лет преподавал и вёл научную работу в Принстоне. Затем он получил должность профессора Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, а с 1988-го по 2000-й годы снова работал в Принстоне, в том самом Институте перспективных исследований, где некогда трудился Альберт Эйнштейн. Более того, Уилчек внешне удивительно похож на автора теории относительности: он неизменно приветлив, немного рассеян, небрежен в одежде, непокорная, хоть и изрядно поредевшая, шевелюра топорщится на висках... Впрочем, духовное родство с Эйнштейном Уилчек всячески подчёркивает и сам в этом охотно признаётся:
Когда 4 года назад я работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, я поселился в том же доме, в котором в своё время жил Эйнштейн. И я всегда надеялся, что всё же получу Нобелевскую премию именно там. Это было бы забавно...
Профессор Бартельс добавляет:
Уилчек действительно является горячим поклонником – или, если хотите, последователем Эйнштейна. Перебравшись на работу в Принстон, он оказался в бывшем доме Эйнштейна не по воле случая, а потому, что очень этого хотел и сумел на этом настоять. То есть он уже в то время отличался верой в себя и в свои силы.
Сегодня Уилчек – профессор знаменитого Массачусетского технологического института в Кеймбридже близ Бостона, лауреат многих престижных премий. Он считается поистине непревзойдённым генератором идей, одним из ведущих в мире учёных в области физики элементарных частиц. При этом его отличает ещё и незаурядный талант популяризатора: мало кто из теоретиков способен столь доходчиво и понятно излагать самые сложные построения и гипотезы.
О Дейвиде Политцере биографические сведения весьма скудны: он ведёт очень замкнутый образ жизни, избегает публичных выступлений, практически не даёт интервью. В первые дни после присуждения ему премии на официальном сайте Нобелевского комитета в Интернете не был указан даже возраст лауреата. Да и сегодня всё, что известно о Политцере, укладывается в несколько строк: родился в 1949-м году, в 1974-м защитил докторскую диссертацию в Гарвардском университете и вот уже четверть века является профессором на физическом факультете Калифорнийского технологического института в Пасадене. Его последняя научная публикация вышла в свет более 8-ми лет назад. Едва стали известны имена учёных, удостоенных премии, журналисты бросились обзванивать новоиспечённых лауреатов, но с Политцером разговора не получилось: в ответ на приветствие «Доброе утро!» он буркнул, что в Калифорнии утро ещё не наступило, и повесил трубку. Да и по словам официального представителя Нобелевского комитета, известившего физика о присуждении ему премии, тот не выказал никаких эмоций и, судя по всему, улёгся спать дальше.
Аналогичное впечатление от общения с Политцером сложилось и у профессора Бартельса:
Третий, Политцер, запомнился мне очень сдержанным, погружённым в себя, почти робким. Судя по всему, значительные различия имеют место не только в характерах, но и в научной активности троих лауреатов: если Гросс и Уилчек опубликовали множество очень важных и серьёзных работ помимо той, что отмечена теперь премией, то Политцер после этой работы, которая, кстати, была его докторской диссертацией, заметного вклада в развитие физики элементарных частиц не внёс.
Впрочем, журналисты всё же раскопали одну любопытную деталь о робком и нелюдимом Политцере: 15 лет назад он дал себя уговорить и снялся... в художественном фильме. Речь идёт о голливудской картине «Толстяк и Малыш» («Fat Man And Little Boy»), известной также под названием «Повелитель теней» («The Shadowmakers»). Эта лента режиссёра Роланда Джоффа (Roland Joffe) с Полом Ньюменом (Paul Newman) в главной роли повествует об истории Манхэттенского проекта, то есть создания первой атомной бомбы. Политцер сыграл в картине небольшую роль физика Роберта Сербера (Robert Serber). Он долго колебался, ссылаясь на то, что у него дома даже телевизора нет, а тут придётся самому выйти на съёмочную площадку. Однако режиссёр его успокоил, сказав, что эта роль не потребует ни особого таланта, ни слишком много времени.
Но пора уже рассказать и о том, за что же герои нашей сегодняшней передачи удостоились Нобелевской премии. Конечно, чтобы строго научно изложить суть открытия Гросса, Уилчека и Политцера, мне пришлось бы углубиться в дебри квантовой хромодинамики – так именуется отрасль науки, основу которой они заложили. Но ведь термины наподобие «функции Грина», «полей Янга-Миллса», «диаграммы Фейнмана», «глюонной вершины», «конфайнмента», «абелевых и неабелевых групп» и многие другие в том же роде вряд ли уместны в радиопередаче, не говоря уже о том, что по-настоящему понять и интерпретировать работу лауреатов можно, лишь используя сложный математический аппарат. Поэтому я волей-неволей вынужден прибегнуть к упрощениям и ограничиться пусть не совсем точными, зато наглядными сравнениями.
Согласно сегодняшним представлениям физиков, весь материальный мир построен из элементарных частиц и античастиц, связанных разного вида взаимодействиями. Количество обнаруженных элементарных частиц измеряется уже сотнями, и учёные открывают всё новые. Зато видов фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами известно всего четыре: это гравитация, электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Первые два вида взаимодействия вряд ли нуждаются в пояснениях, поскольку все мы постоянно сталкиваемся с гравитацией и электромагнетизмом в повседневной жизни. Что же касается двух других видов взаимодействия, то тут, следует, видимо, напомнить: слабое взаимодействие расталкивает протоны и нейтроны, образующие ядра атомов; сильное взаимодействие удерживает их вместе. Согласно квантовой теории, фундаментальные взаимодействия осуществляются путём обмена частицами – так называемыми бозонами, – или квантами силовых полей. Так, самой первой частицей-переносчицей взаимодействия, которую удалось обнаружить, оказался фотон – квант электромагнитного излучения. Гросс, Уилчек и Политцер посвятили свои работы изучению и объяснению сильного взаимодействия, связывающего между собой кварки – частицы, из которых состоят все так называемые адроны, включая и привычные для нашего уха протоны и нейтроны. Кстати, само слово «кварк», не имеющее смыслового значения в английском языке, позаимствовано у ирландского писателя Джеймса Джойса (James Joyce). Герой его романа «Поминки по Финнегану» во сне часто слышит одну и ту же загадочную фразу: «три кварка для мистера Марка». Поскольку кварки в свободном виде не встречаются, а всегда образуют группы по 2 или по 3, а кроме того, обладают целым рядом необычных свойств, включая так называемые «цвет» и «аромат», их и назвали этим странным словом. А частицы-переносчицы сильного взаимодействия именуются глюонами – от английского слова «glue» («клей»). Хотя Гросс, Уилчек и Политцер произвели весьма сложные математические вычисления, их результат, – подчёркивает профессор Бартельс, – сводится к вещи, понятной любому дилетанту:
Речь идёт, собственно, лишь о знаке перед одной определённой константой. Этот знак – он оказался отрицательным – долгое время был неизвестен, и поговаривают, что даже один из нынешних лауреатов на каком-то этапе выказывал сомнения, не может ли он быть всё же положительным.
Но плюс или минус – это чистая математика, а каков физический смысл этого результата, как его интерпретировать? Оказалось, что он описывает необычное свойство сильного взаимодействия: в отличие от прочих видов взаимодействия, ослабевающих с увеличением расстояния между объектами, взаимодействие между кварками с увеличением расстояния между ними растёт. Один из лауреатов – Дейвид Гросс – проводит такую аналогию:
Это можно представить себе так, будто частицы связаны между собой резиновыми лентами. Чем дальше удаляются друг от друга частицы, тем сильнее натягиваются ленты, так что растащить их совсем практически невозможно. Зато когда частицы расположены близко друг к другу, они почти не ощущают действие лент, находятся практически в свободном состоянии. Это явление мы и назвали асимптотической свободой.
С тех пор, как Гросс, Уилчек и Политцер опубликовали свои результаты, предложенная ими теория подтвердила свою научную состоятельность в ходе экспериментов на ускорителях частиц и стала прочной составной частью так называемой стандартной модели, описывающей взаимодействия в микромире. Сегодня физики-теоретики всего мира работают над универсальной формулой строения Вселенной, которая позволила бы согласовать стандартную модель с теорией относительности. Пока без особого успеха. Во всяком случае, частицы-переносчицы гравитации пока не обнаружены. Что же касается новоиспечённых нобелевских лауреатов, профессор Бартельс подчёркивает:
Это заслуженная награда за новаторское научное достижение. Это были очень сложные вычисления и – что также следует подчеркнуть – все трое поняли значение своих результатов. То есть премия – и за сами расчёты, и за их интерпретацию.
Именно об этом и писал академик Сахаров в своих воспоминаниях, с выдержки из которых я начал сегодняшнюю передачу: как ни печально, мой однофамилец, блестяще справившись с трудностями вычислительного характера, не распознал важность полученного результата. А Гросс, Уилчек и Политцер распознали, за что теперь и удостоились высшей в научном мире награды.
Вот и всё на сегодня. В следующем выпуске радиожурнала «Наука и техника» через неделю речь пойдёт о лауреатах Нобелевской премии нынешнего года по химии.