Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Правда, эти исследования носили обратный характер: если Тинг сталкивал протоны, чтобы получить позитроны и электроны, то стэнфордский физик Бертон Рихтер (1931–2018) заставлял сталкиваться электроны с позитронами, дабы отследить треки рожденных в результате адронов. Когда общая энергия разгона достигла 3,1 ГэВ, ученый увидел, что адроны стали образовываться живее, а затем нашел среди них каоны и сделал вывод: такие частицы могли появиться только после распада другой тяжелой частицы, внутри которой содержится очаровательный кварк. Далее энергия электронов и позитронов была доведена до 3,105 ГэВ, вследствие чего адроны стали плодиться в сто раз быстрее, чем раньше, и это позволило Рихтеру заключить: «родителями» каонов являются особые мезоны с массой 3,105 ГэВ — ученый назвал их пси-мезонами (ψ-мезон) и, не мешкая, сообщил о своем открытии всем ведущим физикам мира. А на следующий день в его лабораторию приехал Тинг.

Ученые не стали спорить, кому принадлежит первенство в открытии новой частицы (Тинг назвал ее джей-мезоном), и одновременно опубликовали свои доклады в авторитетном научном журнале, а через два года получили Нобелевскую премию — одну на двоих. Так и остался их мезон с двойным именем — джей/пси. А позже выяснилось, что в нем содержатся один очаровательный кварк и один такой же антикварк, степень очарования у них 1 и –1 соответственно, так что очарование самого мезона нулевое.

В 1964 г. американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч опровергли давнее заблуждение относительно того, что при ядерном распаде образованные частицы и античастицы ведут себя одинаково, только в зеркальном отображении, — вращаются с равной скоростью, одинаковым наклоном оси и пр. Более того, ученые показали, что распады одних и тех же частиц (например, каонов) могут давать разные продукты — в одном случает электроны, а в другом позитроны. И что частицы образуются чаще, чем античастицы. Почему происходит такое нарушение симметрии, попробовали объяснить японские ученые Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава, предположив, что во всем виновато «третье поколение» кварков.

Первый представитель этого поколения был найден в 1977 г., когда пучок протонов направили на медную мишень и разогнали до 400 ГэВ. В итоге образовался ипсилон-мезон (ϒ-мезон), в составе которого обнаружился новый кварк и его антикварк массой около 4,7 ГэВ. Ученые дали им имя «красивые» ( beauty ), а их способность распадаться при слабых взаимодействиях и стойко выдерживать сильные назвали красотой. Напарника b -кварку подобрали только в 1995 г. — именно тогда был открыт последний, истинный кварк ( truth ). А уже в новом тысячелетии опытным путем были доказаны догадки японских ученых по поводу того, что именно красивый кварк нарушает симметрию ядерных распадов.

В 20-х годах ХХ в. появилась невероятная теория, которая вывела квантовую физику на новый уровень. Авторство теории принадлежит французскому ученому Луи де Бройлю (1892–1987), а суть ее состоит в том, что фотоны (порции-кванты, которыми испускается электромагнитное излучение) и все остальные элементарные единицы материи вроде электронов, протонов и пр. — то есть вполне осязаемые, весомые объекты — это одновременно и частицы, и волны.

Как частицы, все они несут в себе энергию и движутся, а значит, им сообщается импульс — количество движения, толчок, необходимый для того, чтобы заставить тело определенной массы сойти с места. Как волны, элементарные единицы характеризуются частотой и длиной, причем обе группы свойств связаны между собой постоянной Планка — квантом движения. Так, энергию можно определить, умножив частоту волны на квант движения; а импульс — по произведению длины волны и той же постоянной Планка. То есть Бройль считал, что свет — это не просто электромагнитные волны, а текущие волнами частицы; электричество — не простой поток электронов, а волновой. Для каждой точки, в которой электрон может оказаться в тот или иной момент времени, существует волновой график возможных значений, и пик амплитуды приходится на те координаты пространства, куда частица попадет с наибольшей вероятностью. Данная концепция получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Хоть у Бройля и не получилось экспериментально доказать свои умозаключения, он все равно перевернул сознание коллег и побудил их взглянуть на материю под другим углом. В итоге в 1925 г. немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) заложил основы новой науки — квантовой механики, выстроив в математических таблицах (матрицах) временные изменения поведения каждой частицы. Под поведением подразумевались скачки квантовой системы (молекулы, атома, электрона…) с одного энергетического уровня на другой (с высшего на низший или наоборот), с выделением либо поглощением энергии. Преимущество таких матриц было в одном: их данные совпадали с результатами экспериментов, — однако в них не учитывалось ни местоположение частиц, ни траектория, ни скорость. Гейзенберг считал, что вводить эти параметры не имеет смысла, поскольку измерить их опытным путем в мире элементарных частиц невозможно.

Другим ученым, который поддержал идею Бройля, стал австриец Эрвин Шрёдингер (1887–1961). На научной конференции в Цюрихе в 1926 г. он осмелился заявить, будто поведение элементарных частиц скорее напоминает распространение волн, нежели движение твердых тел. На это один из участников конференции — очень уважаемый профессор — возмущенно воскликнул: «Шрёдингер, ну что за ерунда?! Всем же известно, что волны описываются волновыми уравнениями…» Приняв данную реплику за вызов, ученый поставил себе задачу написать уравнение для вероятностной волны — и легко сделал это с помощью классической формулы обычной волновой функции, подставив туда возможные координаты, массу, потенциальную и постоянную энергию частицы, ну и конечно, планковский квант движения. Впоследствии матрица Гейзенберга и уравнение Шрёдингера стали инструментами, позволяющими описывать все квантовые явления.

Уже через год американские физики Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) поставили опыт, подтвердивший теорию Бройля. Ученые направили на кристалл никеля электронный поток, и тот, пройдя сквозь кристаллическую решетку, отобразился на экране черно-белыми концентрическими кругами с ярким пятном посередине. То есть показал такую же дифракционную картину, какую дают коротковолновые электромагнитные икс-лучи, проходя сквозь кристалл, да и просто обычный пучок света, прошедший через дифракционную решетку — пластину с узкими продольными щелями. Измерив радиусы самых ярких и широких кругов, исследователи смогли определить длину волны электронов — и убедились, что тот же результат получается в уравнении Бройля.