НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1969 ГОДИНА – ФИЗИКА – МЪРИ ГЕЛ-МАН

Мъри Гел-Ман (Murray Gell-Mann)

15 септември 1929 г. – 24 май 2019 г.

Нобелова награда за физика

(За приноса му и откритията, свързани с класификацията на елементарните частици и техните взаимодействия.)

Американският физик Мъри Гел-Ман е роден в Ню Йорк и е най-малкият син на емигрантите от Австрия Артур и Полин (Райхщайн) Гел-Ман. На петнадесет години Гел-Ман постъпва в Йейлския университет и го завършва през 1948 г. с диплома на бакалавър на науките. Следващата година следва аспирантура в Масачузетския технологичен институт, където през 1951 г. получава докторска степен по физика. След една година в Принстънския институт за фундаментални изследвания (щат Ню Джърси) Гел-Ман започва работа в Чикагския университет с Енрико Ферми, отначало като преподавател (1952-1953), след това като асистент-професор (1953-1954) и адюнкт-професор (1954-1955).

През 50-те години физиката на елементарните частици (основната област, от която се интересува Гел-Ман) се намира в стадия на своето формиране. Основни средства за експериментални изследвания в този дял от физиката са ускорителите и „изстрелването“ на сноп частици в неподвижна мишена: при сблъсъка на частиците с мишената се появяват нови частици. С помощта на ускорителите експериментаторите успяват да получат няколко нови елементарни частици освен известните протони, неутрони и електрони. Физиците-теоретици се опитват да открият някаква схема, която би позволила да се класифицират все по-новите частици.

Учените откриват частици с необичайно (странно) поведение. Скоростта на появата на тези частици в резултат от някои сблъсъци свидетелства, че поведението им се определя от силното взаимодействие, за което е характерно бързото действие. Силното, слабото, електромагнитното и гравитационното взаимодействие са четирите фундаментални взаимодействия, лежащи в основата на всички явления. Заедно с това обаче странните частици се разпадат необикновено дълго, което би било невъзможно, ако тяхното поведение се определя от силното взаимодействие. Скоростта на разпадането на странните частици явно сочи, че процесът се определя доста повече от слабото взаимодействие.

Върху решаването на тази трудна задача съсредоточава вниманието си Гел-Ман. За изходна точка на своите разсъждения той избира понятието, известно с името зарядна независимост. Същността му се състои в определено групиране на частиците, подчертаващо тяхното сходство. Например, независимо че протонът и неутронът се различават по електрически заряд (протонът има заряд + 1, неутронът – 0), във всички други отношения те са тъждествени. Следователно могат да се смятат за две разновидности на един и същи вид частици, наречени нуклони и имащи среден заряд, или център на заряда, равен на ½. Прието е да се казва, че протонът и неутронът образуват дублет. Другите частици също могат да бъдат включени в аналогични дублети или в група от три частици, наречени триплети, или в „групи“, състоящи се само от една частица – синглети. Общото название на групата, състояща се от какъвто и да е брой частици, е мултиплет.

Всички опити да се групират странните частици по аналогичен начин не се увенчават с успех. Разработвайки своя схема за групирането им, Гел-Ман открива, че средният заряд на мултиплетите им са различни от ½ (средния заряд на нуклоните). Той достига до извода, че тази разлика може да е фундаментално свойство на странните частици, и предлага да се въведе ново квантово свойство, наречено странност. По причини от алгебричен характер странността на частиците е определена като равна на удвоената разлика между средния заряд на мултиплета и средния заряд на нуклоните. Гел-Ман доказва, че странността се запазва при всички реакции, в които участва силно взаимодействие. Иначе казано, сумарната странност на всички частици преди силното взаимодействие трябва да бъде абсолютно ранна на сумарната странност на всички частици след взаимодействието. Запазването на странността обяснява защо разпадането на подобни частици не може да се определя от силното взаимодействие. При сблъсъка на някои други, не странни частици, странните частици се появяват на двойки. Като странността на една частица компенсира странността на друга. Например, ако една частица в двойката има стойност + 1, странността на другата е равна на – 1. Именно затова сумарната странност на нестранните частици както преди, така и след сблъскването е равна на 0. След появата си странните частици се разлитат. Изолираната странна частица не може да се разпадне в резултат от силното взаимодействие, ако продуктите от разпада ѝ трябва да са частици с нулева странност, тъй като подобен разпад би нарушил запазването на странността. Гел-Ман доказва, че електромагнитното въздействие (характерното време на което е затворено между времето на силното и слабото взаимодействие) също запазва странността. Така странните частици, като се появят, оцеляват до разпада, определен от слабото взаимодействие, което не запазва странността. Своите идеи Гел-Ман публикува през 1953 г.

През 1955 г. Гел-Ман става адюнкт-професор във факултета по физика на Калифорнийския технологичен институт; през следващата година е редовен професор, а през 1976 г. заема почетния професорски пост, утвърден от Робърт П. Миликен.

През 1961 г. Гел-Ман открива, че системата от мултиплети, предложена от него за описване на странните частици, може да бъде включена в много по-обща теоретична схема, позволяваща му да групира всичките силно взаимодействащи частици в „семейства“. Своята схема Гел-Ман нарича осмичен път (по аналогия с осемте атрибута на праведния живот в будизма), защото някои частици се групират в осемчленни семейства. Предложената от него схема за класификация на частиците е известна също така под названието SU (3)-симетрия. Скоро независимо от Гел-Ман аналогична класификация на частиците предлага израелският физик Ювал Нееман.

Често сравняват осмичния път на Гел-Ман с периодичната система на химичните елементи на Д. И. Менделеев, в която химичните елементи с аналогични свойства са групирани в семейства. Както Менделеев, който оставя в периодичната система някои празни места, предсказвайки свойствата на неизвестните още елементи, така и Гел-Ман оставя свободни места в някои семейства от частици, предполагайки какви частици с правилен комплект от свойства трябва да запълнят „празнината“. Теорията на Гел-Ман получава частично потвърждение през 1964 г. след откриването на така наречения омега-минус-частица, чието съществуване е предсказано от него.

През 1963 г., като гостуващ професор в Масачузетския технологичен институт, Гел-Ман открива, че детайлната структура на осмичния път може да бъде обяснена, ако се предположи, че всяка частица, участваща в силното взаимодействие, се състои от триплет частици със заряд, който е дробна част от електрическия заряд на протона. До същото откритие достига и американският учен Джордж Цвайк, който работи в Европейския център за ядрени изследвания. Гел-Ман нарича частиците с дробен заряд кварки, като заимства думата от роман на Джеймс Джойс. Кварките могат да имат заряд + 2/3 или – 1/3. Има също така антикварки със заряд – 2/3 или + 1/3. Неутронът, който няма електрически заряд, се състои от един кварк със заряд + 2/3 и два кварка със заряд – 1/3. Протонът, който има заряд + 1, се състои от два кварка със заряд + 2/3 и един кварк със заряд – 1/3. Кварките с един и същи заряд могат да се различават по други свойства, иначе казано – има няколко вида кварки с един и същи заряд. Различните комбинации от кварки позволяват да се опишат всичките силно взаимодействащи частици.

Сред другите приноси на Гел-Ман за теоретичната физика трябва да отбележим предложеното от него съвместно с Ричард П. Фейнман понятие „ток“ на слабите взаимодействия и по-нататъшното развитие на „алгебрата на токовете“.

През 1955 г. Гел-Ман се жени за Дж. Маргарет Доу, архитектка. Семейството има син и дъщеря. Съпругата на Гел-Ман умира през 1981 г. Ученият обича да наблюдава птиците, увлича се от пешеходните разходки, пътешествията по места, недокоснати от цивилизацията. През 1969 г. Гел-Ман помага да се организира програма за изследване на околната среда, финансирана от Националната академия на науките на САЩ. Той се интересува и от историческа лингвистика.

Гел-Ман е удостоен с наградата Дани Хайнеман на Американското физическо дружество (1959 г.), с наградата за физика Ърнест Орландо Лоурънс на Комисията по атомна енергетика на Съединените щати (1966 г.), с медала Франклин на Франклиновия институт (1967 г.) и с медала Джон Дж. Карти на Националната академия на науките на САЩ (1968 г.). Той е член на Американската академия на науките и изкуствата, а също така е чуждестранен член на Лондонското кралско дружество. През 1959 г. Гел-Ман е удостоен с почетна степен на Йейлския университет.

Превод от руски: Павел Б. Николов