Нобелови лауреати – 1957 година

Ли Джендао (李政道)

24 ноември 1926 г.

Нобелова награда за физика, 1957 г. (заедно с Ян Ченин)

(За задълбоченото изследване на така наречения закон за четността, довело до важни открития в областта на елементарните частици.)

Китайско-американският физик Ли Джендао е роден в Шанхай. Той е третото от шестте деца на бизнесмена Ли Дженкун и Чанг Минчан. След като завършва през 1943 г. средното училище „Дзянсу“ в Канчу, Ли постъпва в Националния университет „Чеузян“ в Куейчу. След нахлуването на японците в Китай университетът се премества в Кунмин, където влиза в състава на обединението на евакуираните институти, получило названието Национален югозападен обединен университет. Ли се евакуира със своя университет през 1945 г. По същите причини студент в университета в Кунмин е и Ян Ченин, който по-късно е колега на Ли. Бакалавър на физическите науки Ли става през 1946 г. През същата година, като получава стипендия от китайското правителство, той постъпва в Чикагския университет, където се занимава под ръководството на Енрико Ферми. Там се запознава с Ян, който също е стипендиант на китайското правителство. Дисертацията за получаване на докторска степен, която Ли защитава успешно през 1950 г., се нарича „Съдържанието на водород в белите джуджета“ („Hydrogen Content of white Dwart Stars“).

През 1950 г. Ли прекарва няколко месеца като асистент-изследовател по астрофизика в Йеркската астрономическа обсерватория до езерото Женева (щат Уисконсин). През следващата година работи като асистент-изследовател по физика в Калифорнийския университет в Бъркли. Ли и Ян се срещат отново през 1951 г. в Института за фундаментални изследвания в Принстън (щат Ню Джърси). През 1953 г. Ли става асистент-професор във физическия факултет на Колумбийския университет, а през 1956 г., на двадесет и девет години, вече е професор. Той е най-младият професор за цялата история на Колумбийския университет. От 1960 г. до 1963 г. Ли заема поста професор в Института за фундаментални изследвания, а през 1963 г. се връща в Колумбийския университет.

Дружбата му с Ян укрепва през двете години, прекарани в Принстън. Тя продължава е лед това, когато Ли се връща в Колумбийския университет, а Ян остава в Института за фундаментални изследвания. Всяка седмица те се срещат, за да обсъждат научни проблеми. Един от тях се отнася за двата различни вида К-мезони – нестабилни частици, откривани след бомбардирането на атомните ядра с високоенергийни частици. К-мезоните се различават по характера на своето разпадане: единият от К-мезоните (наречен тета мезон) се разпада на два пи-мезона, а другият К-мезон (наречен тау мезон) – на три пи-мезона. Но според някои експериментални данни се получава, че тау и тета мезоните са една и съща частица, по-точно – имат еднакви маси и период на съществуване. Най-голямо основание да се смятат тау и тета мезоните за различни частици е законът за запазване на четността. Освен всичко друго, този закон посочва, че взаимодействията на частиците и огледалното отражение на тези взаимодействия удовлетворяват едни и същи закони и не се различават помежду си. Природата няма предпочитания нито към лявото, нито към дясното и затова сме прави да очакваме, че изходът от всеки експеримент ще бъде стабилен. Частиците или енергетичните състояния притежават определена четност и се наричат четни (+1) или нечетни (–1). Законът за запазването на четността твърди, че четността на разпадащата се частица е равна на произведението на четността на частиците, на които се резпада, затова пълната четност остава непроменена. Тъй като четността на пи-мезона е равна на –1, четността на системата от два пи-мезона е равна на (–1)·(–1) = +1. Следователно тета мезонът, който се разпада на два пи-мезона, трябва да има четност, равна на +1, а тау мезонът, който се разпада на три пи-мезона – четност, равна на (–1)·(–1)·(–1) = - 1. Така запазването на четността изисква тета и тау мезоните да са различни частици. Но напълно надеждни експериментални данни, свидетелстващи за тяхното сходство, противоречат на този извод. И Ли и Ян се заемат да размишляват над тази нерешена загадка.

Законът за запазването на четността е формулиран за първи път през 1925 г. и оттогава е всеобщо признат, защото прилагането му в теоретичните и експерименталните изследвания се оказва необичайно плодотворно. Освен това, запазването на четността се възприема интуитивно като нещо очевидно: защо природата трябва да предпочита едно нещо пред друго? На физиците са известни четири фундаментални взаимодействия: силно (между нуклоните – частиците, от които се състои ядрото), електромагнитно (между заредените частици), слабо (при излъчването на частици по време на радиоактивното разпадане) и гравитационно (между масите). Търсейки решение на проблема за тета и тау мезона, Ли и Ян анализират експерименталните данни, потвърждаващи запазването на четността. За свое учудване, те откриват, че съществуват множество данни, удостоверяващи запазването на четността при силното и електромагнитното взаимодействие, но няма данни, потвърждаващи запазването на четността при слабото взаимодействие. Гравитационното взаимодействие, най слабото от четирите, обикновено е пренебрежително малко при взаимодействието на субатомните частици. Експериментаторите никога дотогава не подлагат на пряка експериментална проверка запазването на четността при слабото взаимодействие, може би защото са вътрешно убедени в него. В процесите на разпадане на тета и тау мезоните главна роля играе именно слабото взаимодействие.

Ли и Ян са преди всичко теоретици, но предлагат няколко експеримента, предназначени да дадат окончателен отговор на въпроса за симетрията на дясното и лявото при слабите взаимодействия. След шест месеца трудна подготовка един от експериментите е осъществен през 1956-1957 г. от сътрудничката на Колумбийския университет Ву Дзинсян и други физици от Националното бюро за стандартите на САЩ в Станфорд. Радиоактивен кобалт, който се превръща при разпадането си в никел и излъчва енергия във вид на бета-излъчване (електрони) и неутрино (частица с нулева маса и нулев заряд), е поставен между намотките на електромагнит и охладен до температура, близка до абсолютната нула, което свежда до минимум влиянието на топлинните ефекти. Понеже атомите и техните ядра имат в някои отношения поведение на миниатюрни магнити, повечето атоми на кобалта се подреждат паралелно на силното магнитно поле в бобината, чиято посока е опорна. Бета-разпадането (излъчването на електрони) е резултат от слабото взаимодействие. Ако четността се запазва при разпадането на кобалта, по направление на северния и южния магнитен полюс източникът би трябвало да излъчва еднакъв брой електрони. Ву получава убедително доказателство, че към южния магнитен полюс се насочват повече електрони отколкото към северния. Така четността при слабите взаимодействия не се запазва. Изходът от експеримента е неочакван даже за Ли и Ян, въпреки изказаната от тях дръзка хипотеза.

Скоро това намира потвърждение при други експерименти, осъществени в Колумбийския университет от Ричард Л. Гаруин, Леон Ледерман и Марсел Вайнрич. Тези експериментатори използват разпадането на пи-мезоните и мю-мезоните, последвано от разпадане на мю-мезоните на електрони и неутрино (или антинеутрино). Те откриват, че мю-мезоните и електроните не се насочват нагоре и надолу симетрично, както би трябвало да се очаква, ако четността се запазва. Следващите експерименти, направени в различни лаборатории, доказват, че четността не се запазва и при разпадането на други частици.

Нарушаването на просъществувалия доста дълго закон за запазването на четността облекчава решаването на загадката за тау и тета мезоните: разпадането на една или друга частица може да става по два различни начина. Всичко това открива нови хоризонти за научните изследвания и заражда надеждата за възможността да се върви към постигането на целта, набелязана още от Алберт Айнщайн - създаване на единна теория, обхващаща и четирите фундаментални взаимодействия.

Научните интереси на Ли са разностранни. Той работи успешно в съвсем различни области на физиката като теорията за полето, статистическата механика (науката за атомния произход на топлинните явления), хидродинамиката, теорията за турбулентността и астрофизиката.

През 1950 г. Ли се жени да Чин Юйджан (Жанет), семейството има двама сина. Колегите на Ли го характеризират като скромен и затворен човек. Самият Ли смята, че основното му занимание е да размишлява. В свободното си време той чете романи със загадъчни сюжети и слуша музика. През 1963 г. Ли става гражданин на Съединените американски щати.

През 1957 г. Ли получава наградата Алберт Айнщайн на университета „Йешива“. През 1958 г. Принстънският университет го избира за свой почетен доктор. Той е член на Националната академия на науките на САЩ и на Американското физическо дружество.

Превод от руски: Павел Б. Николов