Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
13 декабря 2017, среда, 02:26
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

РЕГИОНЫ

03 декабря 2008, 09:23

Смешивание кварков и загадочная масса протонов

Нобелевские лауреаты по физике 2008 г. Фото с сайта Нобелевской премии
Нобелевские лауреаты по физике 2008 г. Фото с сайта Нобелевской премии

19 ноября 2008 г. известный российский физик, доктор физ.-мат. наук, зам. директора Отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН, зав. сектором теоретической физики высоких энергий, лауреат премии им. А.Гумбольдта (Германия) Дмитрий Дьяконов выступил с научным докладом на факультете физики и астрономии Университета в г. Бохуме (Германия) на тему «Лауреаты Нобелевской премии по физике 2008». Мы публикуем статью Дм. Дьяконова, рассказывающую широкому читателю об исследованиях физиков-лауреатов Нобелевки этого года. На фото: Нобелевские лауреаты по физике 2008 г.  (с сайта nobelprize.org). 

В 2008 году ½ нобелевской премии по физике дали Йоичиро Намбу (Yoichiro Nambu, университет Чикаго, США) и  ¼ + ¼   премии – совместно  Макото Кобаяши (Makoto Kobayashi, ускорительный центр, Цукуба, Япония) и Тошихиде Маскаве (Toshihide Maskawa, Институт теоретической физики им. Юкавы, Киото, Япония) – за работы по теоретической физике элементарных частиц.

Прежде, чем объяснить, в чём состоят достижения лауреатов, надо сказать несколько слов о физике элементарных частиц. Эта наука изучает, из чего сделана материя на самом глубоком, микроскопическом уровне. Наиболее фундаментальными составляющими материи являются кварки и лептоны, причём и тех, и других по 6 сортов.

Шесть кварков носят названия u, d, c, s, t, b – по первым буквам английских слов «up, down, charm, strange, top, bottom». Протоны, нейтроны, ядра всех атомов, мы с вами – состоим из самых лёгких u и d кварков; остальные рождаются только на короткое время при столкновении частиц на ускорителях при высоких энергиях. Из шести лептонов, которыми являются электрон, мюон, тау-лептон и три типа соответствующих нейтрино, в обычной материи встречаются только электроны, которые входят во все атомы.

Однако те «лишние» кварки и лептоны, которые даже не встречаются в спокойном состоянии в природе, нужны не «для полноты животного царства», а существенно влияют на реальный мир и уж, во всяком случае, необходимы для того, чтобы понять, как реальный мир устроен.  

Все шесть сортов кварков имеют ещё одну характеристику, названную «цветом», хотя к обычному цвету это не имеет отношения. «Цвета» – три: «красный, зелёный и синий». Совершенно необычным свойством кварков является то, что кварки никогда не встречаются поодиночке, а только внутри связанных состояний, которые обязательно должны быть «бесцветны». Ничего подобного в истории науки ещё не бывало. Это свойство называется конфайнментом или удержанием кварков (ред. от англ. confinement – удержание, ограничение).

Например, протоны состоят в основном из трёх кварков u, u, d, причём один из трёх «красный», другой «зелёный», третий обязательно «синий», а всё вместе «бесцветно». Кварки внутри протона взаимодействуют друг с другом, «переливаясь» цветами, причём взаимодействие оказывается очень сильным. Наука, которая количественно описывает это, называется квантовая хромодинамика – от слова «цвет», конечно.

У лептонов нет «цветов», они бесцветны изначально, поэтому они взаимодействуют друг с другом и с кварками значительно слабее. Их взаимодействие так и называется – слабое. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивности некоторых ядер и в распадах многих элементарных частиц, а также, например, в охлаждении сверхновых звёзд после взрыва. 

Кроме того, на кварки и лептоны действуют и обычные электрические и магнитные силы. В начале 70-х годов выяснилось, что слабые и электромагнитные взаимодействия имеют в сущности одну природу и были объединены общей теорией «электрослабого» взаимодействия. Вместе с квантовой хромодинамикой, описывающей сильные взаимодействия, эта теория была названа «стандартной моделью».

Стандартная модель, созданная усилиями многих физиков в последней трети XX века, – выдающееся достижение человечества. Она наводит порядок в микромире, позволяет количественно описывать сотни, если не тысячи характеристик частиц – как самих по себе, так и при их столкновениях. Стандартная модель настолько совершенна, что трудно найти что-нибудь, чему она противоречит, хотя некоторые неувязки встречаются. Кроме того, пока непонятно, почему Бог создал всё именно так, а не иначе.

Забегая вперёд, скажу, что Йоичиро Намбу получил премию за свои работы по теории сильного взаимодействия, а Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава – за их совместную работу по теории слабого взаимодействия. То есть одновременно премированы достижения в совершенно разных областях.  

Начнём с Кобаяши и Маскавы, поскольку их работу объяснить проще. Уже в 60-е годы, когда были известны только три из шести сорта кварков (u, d, s), стало ясно, что слабые взаимодействия испытывают не буквально эти кварки, а их «смеси». В данном случае могут смешиваться d и s кварки, имеющие одинаковый заряд, равный одной трети заряда электрона. В мире частиц действуют законы квантовой механики, поэтому можно ввести понятие «частично d-кварк, частично s-кварк», а точнее - их линейную комбинацию. Оказалось, что именно такого типа смесь d и s кварков и участвует в слабых взаимодействиях. Соответствующие уравнения были написаны итальянцем Николой Кабиббо (Nicola Cabibbo), избранным впоследствии иностранным членом РАН.

В 1973 г. Кобаяши и Маскава обобщили теорию смешивания кварков Кабиббо на случай, когда смешиваются не два, а три кварка d, s и b (экспериментально открытый позднее). Они предложили четыре варианта смешивания, и позже оказалось, что один из этих вариантов реализуется в природе. Самое интересное в этой работе (на которую сейчас имеется 5500 ссылок в мировой физической литературе – третье место по числу ссылок из всех статей, опубликованных по физике элементарных частиц!) было то, что смешивание кварков по Кобаяши и Маскаве допускало нарушение симметрии между прямыми процессами и процессами, идущими вспять во времени. Такая симметрия есть почти для всех элементарных процессов, но в редких случаях она слегка нарушается.

Подход Кобаяши и Маскавы позволил поставить на прочную основу изучение таких редких , но принципиально важных процессов для объяснения Вселенной такой, как она есть. Сейчас стало ясно, что три типа нейтрино тоже «смешиваются» между собой на манер Кобаяши – Маскавы, так что значение их работы простирается, по-видимому, дальше, чем они сами предполагали. 

Физики называют смешивание кварков в слабых взаимодействиях именами Кабиббо–Кобаяши–Маскавы, но Кабиббо не рассматривал упомянутые редкие процессы, так как их возможность появляется только при смешивании трёх кварков, а не двух. Тем не менее при других обстоятельствах можно было бы подумать о том, чтобы дать нобелевскую премию и Кабиббо, который первым сказал о смешивании, – если б не чувствовалась необходимость дать её Намбу за совсем другую работу. По положению, одну Нобелевскую премию могут разделить на не более, чем трёх человек.        

Слабые и электромагнитные взаимодействия являются сравнительно простой и понятной частью физики элементарных частиц, чего нельзя сказать о теории сильных взаимодействий кварков – квантовой хромодинамике. Здесь все привычные представления и интуиция переворачиваются с ног на голову. Обычно если какой-то объект состоит из других более мелких объектов, то его масса меньше, чем масса отдельных составляющих.

Например, масса ядра меньше сумм масс протонов и нейтронов, его составляющих. Разница называется энергией связи: это та энергия, которую надо затратить, чтобы раздраконить объект на составные части. На этой энергии работает Солнце, а, стало быть, всё живое на Земле существует за счёт энергии связи протонов и нейтронов в ядре. Действительно, в недрах Солнца и других звёзд постоянно идёт термоядерная реакция – слипание протонов и нейтронов в ядра, благодаря которой освобождается энергия связи. Она и греет нас – если не непосредственно, так с помощью нефти.

Но когда мы переходим к самим протонам и нейтронам, состоящим из кварков, то там ситуация прямо противоположная: суммарная масса кварков, составляющих протон, примерно в 80 раз меньше массы протона! Откуда же берётся, из чего складывается масса протона, то есть наша с вами масса? (Масса нашего тела на 99.95% задаётся массой протонов и нейтронов внутри нас, а оставшиеся 0.05% – это масса электронов.)

Окончательного, общепризнанного ответа на этот вопрос нет и сейчас, поскольку он связан с другим вопросом, на который тоже пока нет чёткого ответа, – из-за чего происходит конфайнмент кварков, почему они никогда не вылетают из протонов. Однако 47 лет назад, в 1961 г., Намбу вместе с итальянским физиком Джованни Йона-Ласинио (Giovanni Jona-Lasinio) попытались на него ответить с помощью имеющихся тогда подручных средств. Главным подручным средством оказалась аналогия с созданной незадолго до этого теорией сверхпроводимости.

Пользуясь аналогией со сверхпроводимостью, Намбу и Йона-Ласинио предположили, что в мире элементарных частиц происходит нечто похожее, а именно спонтанная конденсация протон-антипротонных, а также нейтрон-антинейтронных пар, в результате чего обе частицы приобретают большую массу! (В сверхпроводниках происходит спонтанная конденсация так называемых куперовских пар электронов – в этом аналогия).

Идея была в то время неожиданной, вполне революционной. Интересно отметить, что в том же 1961 году ту же самую идею и даже то же воплощение опубликовали советские физики Валентин Григорьевич Вакс (род. 1932) и Анатолий Иванович Ларкин (1932–2005) в статье под названием «О применении методов сверхпроводимости к вопросу о массе элементарных частиц». Однако даже в России младшее поколение физиков, я думаю, об этой работе уже не слышало, а за границей о ней и раньше, к сожалению, не знали.

Между тем, на две статьи Намбу и Йона-Ласинио имеется сегодня около 3500 ссылок, и они серьёзно повлияли на развитие теоретической физики элементарных частиц на многие годы вперёд. Парадоксально, но сейчас мы знаем, что почти всё в статьях Намбу–Йона-Ласинио и Вакса и Ларкина 1961 года, если читать их буквально, было неправильно. Сейчас известно, что конденсируются не протоны, а кварки (которые не были ещё известны в 1961 г.), что взаимодействие кварков не такое, как предполагали авторы, и так далее. Однако общая идея была, несомненно, правильной. Она даёт нам возможность понять, откуда берется масса у протонов.

Надо сказать, что Намбу зарекомендовал себя «придумщиком» многих блестящих идей. Это, возможно, выделило его в глазах нобелевского комитета в сравнении с его соавтором Йона-Ласинио. Из многих вещей упомяну, что Намбу является автором математического описания струны, которая, как полагают, натягивается между кварками при попытке их разведения (отсюда – конфайнмент кварков). Теория струн сегодня – бурно развивающаяся область теоретической физики высоких энергий, и этим мы отчасти обязаны Намбу. Премию, впрочем, дали ему не за это, а именно за работы 1961 года.       

Как стало уже привычным, Нобелевская премия представляет собой сложное равновесие между научными, конъюнктурными и чисто человеческими соображениями, но все же присуждение премии  2008 г. этим трем физикам является, на мой взгляд, шагом вполне оправданным. Как Й. Намбу, так и М. Кобаяши и Т. Маскава внесли выдающийся вклад в современное понимание мира фундаментальных частиц и их взаимодействий.

См. также:

  • Дмитрий Дьяконов. Большой адронный коллайдер: Изменится ли наше понимание Вселенной?
  • Опрос о РАН: "Бюрократический монстр, обслуживающий сам себя, или какая научная администрация нужна России?" - статья Дмитрия Дьяконова
  • Дмитрий Дьяконов: большое открытие произошло там, где его совершенно не ждали
  • Обсудите в соцсетях

    Система Orphus

    Главные новости

    12.12 21:22 Саакашвили вызвали на допрос в качестве подозреваемого
    12.12 21:11 Путин перечислил условия успешного развития России
    12.12 20:50 Задержанного после взрыва в Нью-Йорке обвинили по трем статьям
    12.12 19:46 «Хамас» провозгласило третью интифаду
    12.12 19:38 НАСА прекратило переговоры о закупке мест на «Союзах»
    12.12 19:23 Оргкомитет ОИ-2018 допустил появление россиян под национальным флагом
    12.12 19:00 Рогозина не устроил отчет госкомиссии по крушению «Союза»
    12.12 18:50 Пожар после взрыва на газовом хабе в Австрии полностью потушен
    12.12 18:39 Директор ФСБ объявил резню в ХМАО терактом
    12.12 18:21 Россия приостановила работу посольства в Йемене
    12.12 18:16 МОК дисквалифицировал шесть хоккеисток и результаты сборной РФ
    12.12 18:03 МВД РФ обвинило боевиков из Сирии в звонках с угрозами взрывов
    12.12 17:59 НАТО продлило полномочия генсека Столтенберга до 2020 года
    12.12 17:43 Суд отказался снять с Telegram штраф за нераскрытие данных ФСБ
    12.12 17:32 Генпрокуратура РФ подготовила французам запрос по делу Керимова
    12.12 17:23 СМИ сообщили о намерении ЕС продлить санкции против России
    12.12 16:50 Бомбившие боевиков в Сирии самолеты ВКС прибыли в Россию
    12.12 16:38 «Первый канал» решил частично транслировать Олимпиаду
    12.12 16:25 Киев пригрозил осудить Поклонскую за военные преступления
    12.12 16:18 Пчелы сибирских старообрядцев помогут в исследованиях опасной болезни
    12.12 15:55 Суд заочно арестовал владельца «Вим-Авиа»
    12.12 15:42 Варвара Караулова решила просить Путина о помиловании
    12.12 15:29 Глазьев поддержал создание крипторубля ради обхода санкций
    12.12 15:22 ЕСПЧ присудил россиянам 104 тысячи евро за пытки в полиции
    12.12 15:04 СМИ рассказали об инструктаже Кремля по сбору подписей за Путина
    12.12 14:43 «Яндекс» назвал самые популярные запросы за 2017 год
    12.12 14:28 Европа осталась без российского газа из-за взрыва на газопроводе
    12.12 14:22 Прочитан полный геном вымершего сумчатого волка
    12.12 14:14 Песков подтвердил включение твитов Трампа в доклады для Путина
    12.12 14:00 Минобрнауки РФ поддержало обучение школьников «Семьеведению»
    12.12 13:55 «Сколково» и «Янссен» поддержат проекты по диагностике и терапии социально-значимых заболеваний
    12.12 13:51 ФБР признало право генпрокурора не сообщать о встречах с Кисляком
    12.12 13:44 Песков признал «большое волнение» Кремля из-за Саакашвили
    12.12 13:37 Новый препарат замедляет развитие болезни Хантингтона
    12.12 13:26 Минспорта финансово поддержит решивших не ехать на ОИ-2018
    12.12 13:25 Помощник Путина раскритиковал «Роскосмос» за неумение делать деньги
    12.12 13:11 Украинское Минобрнауки разработало отдельную модель для русскоязычных школьников
    12.12 13:06 CardsMobile и Bitfury Group объединяют рынок программ лояльности
    12.12 13:00 ОКР попросит МОК пересмотреть решение о российском флаге
    12.12 12:41 ОКР одобрил участие российских спортсменов в ОИ-2018 под нейтральным флагом
    12.12 12:39 По делу о хищении денег из разорившихся банков арестованы топ-менеджеры
    12.12 12:35 ГП потребовала заблокировать сайты «нежелательных» организаций
    12.12 12:18 При взрыве на газопроводе в Австрии пострадали десятки человек
    12.12 12:03 Разоблаченная в Москве группа террористов оказалась ячейкой ИГ
    12.12 11:55 Трамп «узаконил» удары коалиции по сирийской армии
    12.12 11:42 Сотрудники российской военной полиции вернулись из Сирии
    12.12 11:25 Счетная палата решила взяться за хозяев «старой» недвижимости
    12.12 11:18 В Москве арестован подозреваемый в шпионаже в пользу ЦРУ
    12.12 11:11 Ведущие мировые политологи и руководители банков – среди участников Гайдаровского форума в РАНХиГС
    12.12 10:54 ФСБ объявила о срыве готовившихся на Новый год терактов в Москве
    Apple Boeing Facebook Google iPhone IT NATO PRO SCIENCE видео ProScience Театр Pussy Riot Twitter Абхазия аварии на железной дороге авиакатастрофа Австралия Австрия автопром администрация президента Азербайджан акции протеста Александр Лукашенко Алексей Кудрин Алексей Навальный Алексей Улюкаев алкоголь амнистия Анатолий Сердюков Ангела Меркель Антимайдан Аргентина Аркадий Дворкович Арктика Армения армия Арсений Яценюк археология астрономия атомная энергия аукционы Афганистан Аэрофлот баллистические ракеты банковский сектор банкротство Барак Обама Башар Асад Башкирия беженцы Белоруссия Белый дом Бельгия беспорядки биатлон бизнес биология ближневосточный конфликт бокс болельщики «болотное дело» большой теннис Борис Немцов борьба с курением Бразилия Валентина Матвиенко вандализм Ватикан ВВП Великая Отечественная война Великобритания Венесуэла Верховная Рада Верховный суд взрыв взятка видеозаписи публичных лекций «Полит.ру» видео «Полит.ру» визовый режим Виктор Янукович вирусы Виталий Мутко «ВКонтакте» ВКС Владивосток Владимир Жириновский Владимир Маркин Владимир Мединский Владимир Путин ВМФ военная авиация Волгоград ВТБ Вторая мировая война вузы ВЦИОМ выборы выборы губернаторов выборы мэра Москвы Вячеслав Володин гаджеты газовая промышленность «Газпром» генетика Генпрокуратура Германия ГИБДД ГЛОНАСС Голливуд гомосексуализм госбюджет Госдеп Госдума госзакупки гражданская авиация Греция Гринпис Грузия гуманитарная помощь гуманитарные и социальные науки Дагестан Дальний Восток декларации чиновников деньги День Победы дети Дмитрий Медведев Дмитрий Песков Дмитрий Рогозин доллар Домодедово Дональд Трамп Донецк допинг дороги России драка ДТП Евгения Васильева евро Евровидение Еврокомиссия Евромайдан Евросоюз Египет ЕГЭ «Единая Россия» Екатеринбург ЕСПЧ естественные и точные науки ЖКХ журналисты Забайкальский край закон об «иностранных агентах» законотворчество здравоохранение в России землетрясение «Зенит» Израиль Ингушетия Индия Индонезия инновации Интервью ученых интернет инфляция Ирак Ирак после войны Иран Иркутская область искусство ислам «Исламское государство» Испания история История человечества Италия Йемен Казань Казахстан казнь Калининград Камчатка Канада Киев кино Киргизия Китай климат Земли КНДР Книга. Знание Компьютеры, программное обеспечение Конституционный суд Конституция кораблекрушение коррупция космодром Восточный космос КПРФ кража Краснодарский край Красноярский край кредиты Кремль крушение вертолета Крым крымский кризис Куба культура Латвия ЛГБТ ЛДПР Левада-Центр легкая атлетика Ленинградская область лесные пожары Ливия лингвистика Литва литература Лондон Луганск Малайзия Мария Захарова МВД МВФ медиа медицина междисциплинарные исследования Мексика Мемория метро мигранты МИД России Минздрав Минкомсвязи Минкульт Минобороны Минобрнауки Минсельхоз Минтранспорта Минтруд Минфин Минэкономразвития Минэнерго Минюст «Мистраль» Михаил Саакашвили Михаил Ходорковский МКС мобильные приложения МОК Молдавия Мосгорсуд Москва Московская область мошенничество музыка Мурманская область МЧС наводнение Надежда Савченко налоги нанотехнологии наркотики НАСА наука Наука в современной России «Нафтогаз Украины» недвижимость некоммерческие организации некролог Нерусский бунт нефть Нигерия Нидерланды Нобелевская премия Новосибирск Новые технологии, инновации Новый год Норвегия Нью-Йорк «Оборонсервис» образование обрушение ОБСЕ общественный транспорт общество ограбление Одесса Олимпийские игры ООН ОПЕК оппозиция опросы оружие отставки-назначения офшор Пакистан палеонтология Палестинская автономия Папа Римский Париж ПДД педофилия пенсионная реформа Пентагон Петр Порошенко пищевая промышленность погранвойска пожар полиция Польша похищение Почта России права человека правительство Право правозащитное движение православие «Правый сектор» преступления полицейских преступность Приморский край Продовольствие происшествия публичные лекции Рамзан Кадыров РАН Революция в Киргизии Реджеп Эрдоган рейтинги религия Республика Карелия Реформа армии РЖД ритейл Роскомнадзор Роскосмос «Роснефть» Роспотребнадзор Россельхознадзор Российская академия наук Россия Ростов-на-Дону Ростовская область РПЦ рубль русские националисты РФС Санкт-Петербург санкции Саудовская Аравия Сахалин Сбербанк Свердловская область связь связь и телекоммуникации Севастополь сельское хозяйство сепаратизм Сербия Сергей Лавров Сергей Полонский Сергей Собянин Сергей Шойгу Сирия Сколково Славянск Следственный комитет следствие смартфоны СМИ Совбез ООН Совет по правам человека Совет Федерации сотовая связь социальные сети социология Социология в России Сочи Сочи 2014 «Спартак» спецслужбы «Справедливая Россия» спутники СССР Ставропольский край стихийные бедствия Стихотворения на случай страхование стрельба строительство суды суицид Счетная палата США Таджикистан Таиланд Татарстан театр телевидение телефонный терроризм теракт терроризм технологии Трансаэро транспорт туризм Турция тюрьмы и колонии убийство уголовный кодекс УЕФА Узбекистан Украина Условия труда фармакология ФАС ФБР Федеральная миграционная служба физика Филиппины Финляндия ФИФА фондовая биржа фоторепортаж Франсуа Олланд Франция ФСБ ФСИН ФСКН футбол Хабаровский край хакеры Харьков Хиллари Клинтон химическое оружие химия хоккей хулиганство цензура Центробанк ЦИК Цикл бесед "Взрослые люди" ЦРУ ЦСКА Челябинская область Чехия Чечня ЧМ-2018 шахты Швейцария Швеция школа шоу-бизнес шпионаж Эбола эволюция Эдвард Сноуден экология экономика экономический кризис экстремизм Эстония Южная Корея ЮКОС Юлия Тимошенко ядерное оружие Якутия Яндекс Япония

    Редакция

    Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
    Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
    Телефон: +7 495 980 1894.
    Яндекс.Метрика
    Свидетельство о регистрации средства массовой информации
    Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
    Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
    средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
    При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
    При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
    Все права защищены и охраняются законом.
    © Полит.ру, 1998–2014.