Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

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.

Занимаясь техническим усовершенствованием своей установки, Маркони постепенно пришел к выводу, что для радиопередатчика необходимы заземление и антенна. Увеличивая антенну, он непрерывно увеличивал и дальность передачи: от 2,5 км в 1895 г. она возросла в 1897 г. до 18 км. В это время Маркони перебрался в Англию и подал заявку на патент; в 1897 г. он получил патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи (А.С. Попов свое открытие не патентовал). Получив финансовую поддержку правительства, Маркони осуществил в 1902 г. связь через Атлантический океан — на расстояние в 3400 км. Это был успех не только итальянского изобретателя. Профессор физики Страсбургского университета Карл Фердинанд Браун изобрел в 1898 г. колебательный контур значительной емкости и с малым затуханием. Вскоре после этого он изготовил кристаллический детектор, который быстро нашел применение в первых радиоприемниках. Браун изобрел несколько типов антенн и предложил много других технических усовершенствований, которые способствовали развитию радиосвязи.

В начале нашего века существование радио стало фактом. В 1909 г. Нобелевский комитет по физике принял решение о награждении Маркони и Брауна. Это было признанием больших технических достижений, которые стали возможны благодаря теоретическим открытиям, сделанным в предшествующие несколько десятилетий. К сожалению, работы А.С. Попова — истинного изобретателя радио — остались малоизвестными на Западе. Он умер в 1906 г., так и не попав в поле зрения Нобелевского комитета.

В то время, когда Маркони и Браун были удостоены Нобелевской премии, в Кембридже работал Оуэн Уилланс Ричардсон. В знаменитой Кавендишской лаборатории он исследовал явление термоэлектронной эмиссии (испускание электронов нагретыми телами). Ранее Дж. Дж. Томсон установил, что металлы при сильном нагревании испускают электрически заряженные частицы. В 1901 г. Ричардсон вывел термодинамическую формулу зависимости плотности термоэлектронной эмиссии от температуры поверхности катода. Эти исследования довольно скоро перестали быть чисто теоретическими и нашли широкое применение при конструировании электронных ламп для радиотехники. Между прочим, первая электронная лампа, была создана самим Ричардсоном в 1901 г. — в известном смысле это можно рассматривать как дату рождения современной электроники.

G того времени радиотехника и радиосвязь стали бурно развиваться, и через 20 лет после изобретения радио появилось телевидение. Кинескоп, который, создает телевизионное изображение, является отдаленным потомком электронно-лучевой трубки, созданной Брауном в 1897 г. Впечатляющие успехи радио и телевидения вновь привлекли внимание Нобелевского комитета по физике, и по решению его членов в 1928 г. Нобелевская премия была присуждена Ричардсону.

На протяжении нескольких, десятилетий электронные лампы считались вершиной достижений инженерной мысли. Все более сложные их модификации, которые связывались во все более сложные системы, и привели в конце концов в 1946. г. к появлению первого компьютера. Два года спустя открытие, сделанное, в американской научно-исследовательской фирме «Белл телефон лабораторией, коренным образом изменило положение. Джон Бардин и Уолтер Браттейн открыли транзисторный эффект и изготовили первый полупроводниковый прибор — транзистор. Одновременно теорией этого процесса занимался сотрудник, той же лаборатории Уильям Брэдфорд Шокли.