НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1979 г. / ФИЗИКА / ШЕЛДЪН ЛИЙ ГЛАШОУ

Шелдън Лий Глашоу (Sheldon Lee Glashow)

5 декември 1932 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Абдус Салам и Стивън Уайнбърг)

(За приноса му в теорията за обединяване на слабите и електромагнитните взаимодействия между елементарните частици, включително и за предсказването на слабите неутрални токове.)

Американският физик Шелдън Ли Глашоу е роден в Ню Йорк. Той е най-малкият от тримата синове на Луис Глуховский е Бела Рубина, емигранти от Бобруйск. Бащата на Глашоу, който основава в Ню Йорк процъфтяваща кантора за ремонт на водопроводи, променя фамилията си на Глашоу. Глашоу учи в Средното научно училище в Бронкс. Негови съученици са Стивън Уайнбърг и Джералд Файнбърг, който след това става физик в Колумбийския университет. Глашоу им е признателен цял живот за това, че пробуждат у него интерес към физиката.

След като получава диплома на бакалавър в университета „Корнел“ през 1954 г., Глашоу следва аспирантура в Харвардския университет, която завършва през 1959 г. Дисертацията му „Векторният мезон при разпадането на елементарните частици“ („The Vector Meson in Elementary Particle Decays“) е написана под ръководството на Джулиан С. Швингър, който оказва силно влияние върху цялата последвала научна дейност на Глашоу. От 1958 до 1960 г. Глашоу е стипендиант на Копенхагенския университет. След това прекарва една година като физик изследовател в Калифорнийския технологичен институт, а после преподава физика в Станфордския университет и в Калифорнийския университет в Бъркли. През 1967 г. Глашоу се връща в Харвард, където през 1979 г. е назначен към катедрата по физика „Юджийн Хигинс“.

Значителна част от работата на Глашоу е свързана с проблема за обединяване на всичките сили, наблюдавани в природата. Учените от началото на XIX в. смятат, че в природата действат три различни и независими сили: гравитация, електричество и магнетизъм. Прогресът в опростяването на тази гледна точка е достигнат през 60-те години на XIX век от шотландския математика и физик Джеймс Кларк Максуел, който доказва, че електричеството и магнетизмът са различни прояви на една и съща същност, известна сега под названието електромагнитно поле. Теорията на Максуел позволява да се обясни много от това, което преди изглежда загадъчно (най-вече природата на светлината), и да се предскаже съществуването на радиовълните. Тя става символ за създаването на по-обща теория, която позволява да се обхванат всички природни сили. През първите три десетилетия на ХХ в., след откриването на атомното ядро, физиците научават за съществуването на още две взаимодействия: силно, задържащо заедно протоните и неутроните, образуващи атомното ядро, и слабо, водещо до разпадане на ядрото. Например радиоактивният разпад на неутроните с излъчване на бета-частици (електрони) и неутрино (процес, който допринася за отделяне на слънчевата енергия) е обусловен от слабото взаимодействие. Но и силното, и слабото взаимодействие се различават от по-рано известните сили в едно важно отношение: гравитацията и електромагнетизмът имат неограничен радиус на действие, докато силното взаимодействие е ефективно само на разстояния, които не надвишават размерите на атомното ядро, а слабото взаимодействие – на още по-малки разстояния.

Новаторските идеи, за които Глашоу, Абдус Салам и Стивън Уайнбърг са удостоени с Нобелова награда, довеждат до обединяване на електромагнетизма и слабото взаимодействие. Също както при обединяването от Максуел на електричеството и магнетизма, електромагнетизмът и слабото взаимодействие в теорията на Глашоу-Салам-Уайнбърг се разглеждат като различни аспекти на единно „електрослабо“ взаимодействие. Предприетият от Глашоу през 1960 г. първи опит за обединяване на електромагнетизма и слабото взаимодействие се основава на понятието за така наречената калибровъчна симетрия. Аналогична формулировка една година по-късно предлага и Салам. В ежедневието ние наричаме обекта симетричен, ако не се различава от огледалното си отражение. Физиците въвеждат много други видове симетрия. Например зарядова симетрия в електромагнетизма означава, че взаимодействието между две частици не се променя, ако всички отрицателни заряди се заменят с положителни и обратното – всички положителни с отрицателни. Калибровъчната симетрия е присъща на физическите свойства или съотношения, които остават инвариантни при промяна на мащаба или на началната точка при относителните измервания. През 1954 г. Ян Джънин и Робърт Л. Милс, които работят в Брукхейвънската национална лаборатория, разпространяват принципа на калибровъчната симетрия върху по-сложната физика на силното взаимодействие. Макар че не се превръщат в работна теория, техните изследвания прокарват път за всички следващи опити да се опишат фундаменталните взаимодействия, включително от Глашоу, Уайнбъг и Салам.

В определен смисъл предприетият от Глашоу през 1960 г. опит да обедини електромагнетизма и слабото взаимодействие трябва да се признае за успешен, тъй като неговата теория не само обединява тези сили, но и ги прави неразличими. Тя предсказва съществуването на четири частици, които пренасят взаимодействията. Една от тях може да се отъждестви с фотона като квант светлина, който е известен като първоизточник на електромагнитното взаимодействие. За останалите три частици, означени като W+, W и Z, се предполага, че пренасят слабото взаимодействие на материята. В теорията от 1960 г. всичките четири частици са без маса. В квантовата механика радиусът на взаимодействие е обратно пропорционален на масата на частицата преносвач, затова нулевата маса съответства на безкраен радиус на взаимодействие. Така, въпреки всички експериментални данни, теорията на Глашоу предполага неограничен радиус на взаимодействие не само за електромагнетизма, но и за слабото взаимодействие.

Предложената от Глашоу калибровъчна симетрия довежда до още един нетрадиционен извод: когато две частици си обменят електромагнитно взаимодействие, техните електрически заряди не се променят, тай като фотонът (пренасящ електромагнитно излъчване) не е носител на електрически заряд. Но във всички известни по това време слаби взаимодействия се осъществява пренос на единичен електрически заряд, например разпадащият се неутрон (с 0 заряд) може да даде началото на протон (със заряд +1) и електрон (със заряд -1). Такъв вид явление би могло да се обясни с обмен на частиците W+, W, които имат заряди, равни съответно на +1 и –1. Но въвеждането на електрически неутралната частица Z означава, че някои слаби взаимодействия трябва да протичат без обмен на заряд, както е при електромагнитното взаимодействие. Предсказването на събитията, наречени слаби неутрални токове, става по-късно експериментална проверка на обединените теории.

Глашоу се опитва да коригира основния недостатък в своята теория за безкрайния радиус на слабото взаимодействие, постулирайки големи маси на частиците W+, W- и Z₀. Но тази стратегия няма успех: ако се включи масата, теорията води до невъзможни резултати, например до безкрайна интензивност на някои слаби взаимодействия. Аналогични проблеми, появили се преди две десетилетия, са разрешени с помощта на математическа процедура, наречена ренормализация, но при слабото взаимодействие ренормализацията „не работи“. Проблемът на масивните частици W и Z> е решен след няколко години, когато Уайнбърг, Салам и други учени използват нови методи.

Работейки независимо един от друг през 1967 г. и 1968 г., Уайнбърг и Салам създават обединена теория за слабото и електромагнитното взаимодействие на основата на същата калибровъчна симетрия, която използва Глашоу. Теорията на Уайнбърг-Салам също утвърждава съществуването на четири пренасящи частици, но за изразяване на маса на частиците W+, W- и Z₀ и нулевата маса на фотона авторите въвеждат нов механизъм. Идеята за този механизъм, наречен спонтанно нарушаване на симетрията, води началото си от физиката на твърдото тяло. По-късно частиците W и Z> са открити експериментално от Карло Рубия сред продуктите на реакции, възникващи при сблъскване на частици, ускорени до висока енергия в ускорител.

Освен че работи върху слабото и електромагнитното взаимодействие, Глашоу допринася и за разбирането на силното взаимодействие. През 40-те и 50-те години в експериментите с ускорителите до високи енергия са открити много съществуващи за кратко време частици, свързани с протона и неутрона; към 1969 г. са известни повече от сто частици, които всичките се смятат за еднакво елементарни. Много физици не са удовлетворени от подобна ситуация. И през 1963 г. Мъри Гел-Ман и американският физик Джордж Цвайг предлагат начин, позволяващ да се намали броят на фундаменталните частици, необходими на теорията за материята. Те изказват хипотезата, че протонът, неутронът и всичките известни техни „роднини" могат да са сложни частици, състоящи се от няколко по-фундаментални частици, които Мъри Гел-Ман нарича кварки. Между себе си кварките трябва да са свързани със силни взаимодействия.

В първоначалния си вариант теорията на Гел-Ман има три вида кварки: u-кварки (от англ. up - горни), d-кварки (от англ. down - долни) и s-кварки (от англ. strange - странни). След една година, когато кварковият модел все още остава чисто умозрителен, Глашоу и физикът Джеймс Бьоркен предлагат да се въведе четвърти кварк - с. Глашоу го нарича омагьосан кварк (charm), защото действа подобно на вълшебна магия, позволявайки да се отстранят някои явления, предсказвани от трикварковата теория, но в действителност ненаблюдавани. През 1970 г. Глашоу, Жан Илиопулос и Лучано Маяни посочват още по-силни аргументи в полза на съществуването на омагьосания кварк. Частиците, съдържащи тези кварки, са открити през 1974 г. Предвиденото от Глашоу получава експериментално потвърждение.

Като става лауреат на Нобелова награда, Глашоу продължава да преподава и да се занимава с изследователска работа в Харвард. Той предприема опит да изгради теория, обединяваща силното и електрослабото взаимодействие. През 1978 г. съобщава за още по-ниски измерения на масата на неутриното. Новите измерения, основаващи се на анализ на взрив на свръхнова звезда, свидетелстват, че масата на всичките неутрино е недостатъчно за въртенето на разширяващата се Вселена, както предполагат някои учени.

През 1972 г. Глашоу се жени за Джоан Шърли Александър; семейството има трима синове и една дъщеря.

Глашоу е удостоен с медала Дж. Робърт Опенхаймер от университета в Маями (1977 г.) и Джордж Ледли от Харвардския университет (1978 г.). Има присъдени почетни степени от университета „Йешива“ университета „Екс Марсей“. Член е на Американското физическо дружество, на Американската академия на науките и изкуствата и на Националната академия на науките на САЩ.

Превод от руски: Павел Б. Николов