НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1979 г. / ФИЗИКА / СТИВЪН УАЙНБЪРГ

Стивън Уайнбърг (Steven Weinberg)

3 май 1933 г. – 23 юли 2021 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Шелдън Лий Глашоу и Абдус Салам)

(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 Стивън Уайнбърг е роден в Ню Йорк; син е на Ева (Израел) Уайнбърг и на Фредерик Уайнбърг, съдебен стенограф. Ранният му интерес към науката е стимулиран от баща му и е поощрен в училището в Бронкс, където един от неговите учители е Шелдън Л. Глашоу. На шестнадесет години Уайнбърг насочва вече интересите си към теоретичната физика.

Като получава през 1954 г. степента бакалавър в университета „Корнел“, Уайнбърг работи една година в Института за теоретична физика в Копенхаген (днес институт „Нилс Бор“). След завръщането си в САЩ получава през 1957 г. докторска степен в Принстънския университет за дисертация, посветена на приложенията на ренормализацията, математическа техника, която заема важно място в по-късните му работи.

След защитата на докторската си дисертация Уайнбърг работи от 1957 г. в Колумбийския университет, а след това преподава в Калифорнийския университет в Бълкли до 1969 г., когато става преподавател в Масачузетския технологичен институт. През 1973 г. се мести в Харвардския университет, за да заеме длъжността професор по физика, наследявайки този пост от Джулиан Швингър. Едновременно с това служи като главен научен сътрудник в Смитсоновата астрофизична обсерватория.

Както посочва самият Уайнбърг, интересите са му доста широки и включват „голямо разнообразие от теми: високоенергетичното поведение на диаграмите на Файнман (по името на Ричард П. Файнман), неутралните токове при слабите взаимодействия, нарушаването на симетрията, теорията за разсейването, физиката на мюоните и така нататък - теми, избрани често само защото ми се искаше да се ориентирам самостоятелно в някои области на физиката“. В най-известното си изследване той прави опит да унифицира фундаменталните сили на природата.

В началото на XIX в. физиците свеждат силите, действащи в природата до три: гравитация, електричество и магнетизъм. През 1870 г. шотландският физик Джеймс Кларк Максуел установява, че електричеството и магнетизмът не са независими сили, а са различни аспекти на сила, която сега се намира електромагнетизъм. Максуел успява да докаже, че светлината е електромагнитно явление, да предскаже съществуването на радиовълните и да въодушеви по-нататъшните изследователи да търсят общ принцип, който да обедини всичките природни сили.

След откриването на атомното ядро през ХХ в. на учените се налага да добавят още две допълнителни сили: силното взаимодействие и слабото взаимодействие. Силното взаимодействие държи заедно протоните и неутроните, съставящи атомното ядро. Напротив, слабото взаимодействие, вместо да държи частиците заедно, ги разединява, както става например при радиоактивното излъчване на бета-лъчи (електрони). За разлика от гравитацията и електромагнетизма, които действат на неограничени разстояния, силното взаимодействие не се разпространява извън границите на ядрото. Слабото взаимодействие засяга още по-малка област. Според Уайнбърг, Глашоу и Абдус Салам електромагнитните и слабите сили са различни аспекти на една „електрослаба“ сила.

С помощта на концепцията, наречена калибровъчна симетрия, Глашоу се опитва първи да обедини през 1960 г. електромагнетизма със слабите сили (слабите взаимодействия). Съществуват няколко вида симетрии, сред които е огледалната симетрия (като при чифт ръкавици) и зарядова симетрия (силата на взаимодействие между две частици, носещи електричен заряд, не се променя, ако частиците сменят своите заряди). Симетрията, обусловена от калибровъчната инвариантност, се отнася за математически величини, абсолютните значения на които (за разлика от относителните) не влияят на физическите взаимодействия, така че началото на отчитането може да се мени произволно, като при това не се променя нито една от наблюдаваните величини.

Макар че терминът „калибровъчна симетрия“ е въведен през 1920 г., тази концепция може да се проследи и в по-ранни изследвания. И наистина, теорията за електромагнетизма на Максуел може да се интерпретира като прилагане на принципа за симетрията. Изводите от теорията на Максуел остават едни и същи, независимо от това от коя точка се отчита величината на напрежението. За една от точките се избира тази, която съответства, както биха казали електроинженерите, на потенциала на Земята. Абсолютното значение на електрическия потенциал не играе никаква роля; напрежението е равно на разликата на потенциалите на две точки, една от които е Земята. Опитвайки се да приложат принципа на калибровъчната симетрия към по-сложната физика на силните взаимодействия през 1954 г., Ян Джънин и Робърт Л. Милс напредват доста съществено по пътя за създаването на единна концепция за силите в природата, към която имат принос и изследванията на Глашоу, Уайнбърг и Салам.

Новият напредък се случва през 1961 г., когато Глашоу предполага съществуването на четири частици, служещи за носители както на електромагнетизма, така и на слабото взаимодействие. Една от тях, фотонът (или квантът светлина), е вече известна като носител на електромагнитна енергия. Другите три частици (които днес се наричат бозони - W +,W– и Z₀) служат за посредници при слабите взаимодействия. Но тъй като частиците преносвачи нямат маса, слабите взаимодействия трябва, според теорията на Глашоу, да се осъществяват на неограничени разстояния, което противоречи на експерименталните данни. За да се справи с тази трудност, Глашоу постулира големи маси за бозоните W +,W– и Z₀, но теорията вече предсказва, че някои слаби взаимодействия трябва да се осъществяват и с безкрайна сила.

Използвайки калибровъчната теория, подобно на Глашоу, Уайнбърг предлага през 1967 г. своя единна теория. Неговото решение, което зависи от механизма, известен като спонтанно нарушаване на симетрията, се състои в това, че фотонът продължава да се смята за частица без маса, докато останалите три частици имат маса. Според тази теория електромагнитните и слабите сили са идентични при крайно високи енергии. Тогава масите на бозоните W и Z влияят слабо на процеса, защото масивните частици се образуват лесно от наличната енергия (в теорията за относителността на Алберт Айнщайн е установена еквивалентност на масата и енергията). Така обменът на W и Z бозоните е същият като обмена на фотоните, а силите на слабото взаимодействие са толкова силни, колкото са и електромагнитните. Но при по-ниски енергии частици W и Z се образуват рядко, така че слабото взаимодействие става по-рядко и се проявява на по-малки разстояния от електромагнитното. И тъй като светът на земната физика съществува при относително ниски енергии, разликите между двете сили се проявяват повече отколкото сходствата им.

Една година след като Уайнбърг съобщава за своята теория, Абдус Салам предлага, без да е работил заедно с него, аналогична разработка. Техните идеи не привличат особено внимание до 1971 г., когато нидерландският физик Герардус 'т Хоофт прилага математическата техника, наречена ренормализация, която позволява на него и на други изследователи като Джулиан Швингър и Шиничиро Томонага да завършат обосновката за единните сили в природата. Теорията за калибровъчната симетрия, развита от Глашоу, Уайнбърг и Салам, намира впечатляващо потвърждение през 1973 г., когато са открити слабите неутрални токове при експериментите, проведени в Лабораторията на националния ускорител „Ферми“, до Чикаго, и ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания), до Женева. През 1983 г. W и Z частиците са открити в ЦЕРН от Карло Рубия и неговите колеги.

От 1982 г. Уайнбърг заема поста професор в Тексаския университет в Остин. Той е консултант към Института да отбранителни изследвания (1960-1973 г.) и към Агенцията за разоръжаване и контрол над въоръженията на САЩ (1971-1973 г.). Освен към работата си върху елементарните частици и теорията за полето, включително квантовата теория и общата теория за относителността, той проявява силен интерес и към астрономията и астрофизиката.

Уайнбърг се жети за Луиз Голдвасер през 1954 г., семейството има една дъщеря. В свободните си часове ученият обича да се занимава с проучване на средновековнате история.

Уайнбърг е удостоен с наградата Дж. Робърт Опенхаймер на университета в Маями (1973 г.), с наградата Дани Хайнеман (1977 г.) на Американското физично дружество и с медала Елиът Кресон на института „Франклин“ (1979 г.). Той е член на американската Национална академия на науките, на Американското физично дружество, на Американското астрономично дружество, на Лондонското кралско дружество и на Американската академия по средновековието. Има почетни научни степени от колежа „Нокс“, от Чикагския, Рочестърския, Йейлския, Нюйоркския университет и от университета „Кларк“.

Превод от руски: Павел Б. Николов