 |
Последний камень в основании стандартной модели
|
|
|
|
Захватывающая эпопея с поиском и открытием бозона Хиггса завершилась логичным финалом. Нобелевская премия по физике 2013 года присуждена бельгийцу Франсуа Энглеру и англичанину Питеру Хиггсу «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтверждён открытием предсказанной фундаментальной частицы, экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе».
В последние десятилетия бозон Хиггса, гипотеза о существовании которого была выдвинута в 1964 году, стал «культовой» элементарной частицей, предметом широкого обсуждения не только в профессиональной среде, но и среди людей, далёких от физики. В немалой степени всеобщему интересу способствовал запуск Большого адронного коллайдера, одной из главных задач которого и был поиск неуловимой частицы.
Бозон Хиггса крайне необходим современной физике. Это не просто ещё одна элементарная частица: её обнаружение позволило закрыть последнюю дыру в экспериментальном обосновании электрослабой теории (Нобелевская премия 1979 года), являющейся частью Стандартной модели — теории устройства нашего мира на микроуровне. Все остальные её положения уже прошли экспериментальную проверку. В частности, предсказанные в 1967 году переносчики слабого взаимодействия W- и Z-бозоны обнаружены ещё в 1983 году (Нобелевская премия 1984 года). Если было бы доказано, что бозон Хиггса не существует, то потребовался бы пересмотр Стандартной модели.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году подтвердило не только важный сам по себе механизм формирования массы частиц, но и принципиальную обоснованность наших представлений о природе. Именно это и оценено Нобелевской премией.
|
|
|
Основополагающую роль в Стандартной модели играет понятие симметрии, означающее, что при определённом преобразовании параметров системы не происходит изменения её законов. Например, одинаковость законов физики в разные моменты времени — это временнáя симметрия, а в разных точках пространства — пространственная симметрия, или симметрия относительно преобразований координат. Математически это проявляется в том, что описывающие частицы уравнения не меняют свой вид (инвариантны) при преобразованиях. Помимо наглядной пространственно-временнóй симметрии были обнаружены и более сложные неочевидные симметрии для «цветовых», фазовых и других преобразований. В этом случае говорят о преобразованиях во внутреннем пространстве.
Очень важный момент — соответствие каждому виду симметрии своего закона сохранения. Так, временнóй симметрии соответствует закон сохранения энергии, а внутренняя симметрия электродинамики приводит к закону сохранения заряда. И наоборот, наличие закона сохранения означает наличие соответствующей симметрии. Наличие симметрий уравнений для частиц не только приводит к различным законам сохранения, но и определяет свойства взаимодействий, разрешённые моды распада частиц, времена их жизни и так далее. Именно это позволяет строго обосновать симметрии экспериментально.
С другой стороны, наличие симметрий служит запретом на свойства частиц, которые нарушают симметрию. Вот здесь и возникает одна из принципиальных проблем Стандартной модели: её экспериментально обоснованные симметрии запрещают существование масс у кварков, лептонов и частиц — переносчиков взаимодействий. Однако эксперимент однозначно показывает наличие масс у этих частиц, за исключением фотона и глюона.
Для решения проблем, связанных с симметриями, Ёитиро Намбу в 1960 году предложил так называемый механизм спонтанного нарушения симметрии (Нобелевская премия 2008 года), известный до этого в статистической физике, например, в теориях сверхтекучести и сверхпроводимости. Суть его в том, что взаимодействия, определяющие динамику физической системы (описывающие её дифференциальные уравнения), обладают одной, ненарушенной, симметрией, а основное состояние системы — иной симметрией. Другими словами, нарушение касается только начальных условий. Классический пример спонтанного нарушения симметрии — магнит, имеющий выделенное направление магнитного поля, в то время как уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, изотропны.
|
|
|
Термин «спонтанное», то есть самопроизвольное, здесь означает, что система сама выбирает несимметричное состояние в силу его энергетической выгодности.
В 1964 году Франсуа Энглер (совместно с умершим в 2011 году Робертом Браутом) и независимо от них Питер Хиггс предложили механизм приобретения массы бозонами в результате спонтанного нарушения симметрии. О нём также говорят как о нарушении электрослабой симметрии.
Суть механизма в том, что всё пространство однородно заполнено особым полем, минимальная средняя энергия (конденсат) которого отлична от нуля и постоянна во времени и пространстве. В это поле, словно в вязкую среду, погружены все остальные частицы Стандартной модели. Но главным является особенность взаимодействия поля с движущейся частицей — оно не влияет на равномерное движение, но мешает ускорению тем больше, чем сильнее взаимодействие. Это означает, что частицы, взаимодействующие с полем (кварки, лептоны, W- и Z-бозоны), приобретают массу, пропорциональную силе взаимодействия с ним. Не взаимодействующие с этим полем фотон и глюон остаются безмассовыми.
Спонтанное нарушение симметрии заключается в том, что уравнения движения частиц симметричны, а начальное значение — ненулевая средняя величина поля — нарушает симметрию. В квантовой теории каждому полю соответствуют квантовые флуктуации, проявляющие себя как частицы. Частица данного поля и получила название «бозон Хиггса». Она тоже обладает массой, поскольку взаимодействует с собственным полем. Новое поле не должно выделять никакого направления в пространстве. Поля с таким свойством называют скалярными, и им соответствуют частицы с нулевым спином.
|
|
|
Несмотря на то что первая опубликованная работа принадлежит Р. Брауту и Ф. Энглеру, механизм и бозон часто связывают с именем только П. Хиггса, который первым увидел, что теория предсказывает существование новой частицы с нулевым спином.
(Наука и жизнь №11, 2013г.)
Text 10
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ ПО ФИЗИКЕ 2014 ГОДА.
ОНИ ОСВЕТИЛИ МИР ПО-НОВОМУ
Нобелевская премия по физике 2014 года присуждена за изобретение синего светодиода. Это произвело технологическую революцию, позволив создать яркие, долговечные, энергосберегающие и экологически чистые источники белого света.
Нобелевская премия по физике 2014 года будет вручена Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura), которые в начале 1990-х годов разработали светодиод, излучающий синий свет, и тем самым произвели революцию в создании источников света.
К тому времени уже существовали светодиоды, излучающие красный и зеленый свет, однако без синих светодиодов было невозможно создать источники белого света. Но создание синих светодиодов оказалось сложной проблемой, которую, несмотря на значительные усилия, не могли решить в течение 30 лет. Нобелевские лауреаты 2014 года добились успеха там, где потерпели неудачу все остальные.
Создание синего светодиода позволило разработать принципиально новые светодиодные источники яркого белого света, потребляющие значительно меньше электроэнергии и более долговечные по сравнению с источниками света другой физической природы.
Они непрерывно совершенствуются и становятся все ярче. Эффективность источников света характеризуют световым потоком (измеряется в люменах, лм), приходящимся на единицу мощности, затрачиваемой электроэнергии (измеряется в Ваттах, Вт). Самый последний рекорд составляет чуть более 300 лм/Вт. То есть при одинаковом потреблении электроэнергии светодиодный излучатель светит как 16 обычных ламп накаливания или почти 5 флуоресцентных ламп. Поскольку около четверти мирового потребления электроэнергии используется именно для освещения, то легко представить огромную ценность светодиодных источников света для экономии ресурсов Земли.
|
|
|
А ведь у новых источников света есть и другие достоинства. Они гораздо долговечнее других, что повышает их экономичность и экологичность: светодиоды работают до 100 000 часов, в то время как люминесцентных лампы в среднем до 10 000 часов, а лампы накаливания всего 1 000 часов.
Светодиодные источники света могут существенно повысить качество жизни более 1,5 млрд человек, не имеющих доступа к электрической сети. Их малое энергопотребление позволяет получить достаточно света при использовании дешевой местной солнечной энергии.
Но светодиоды используются не только для освещения. Снабжена светодиодами бытовая техника, они светят на LCD-экранах телевизоров, компьютеров и мобильных телефонов, и даже во вспышках фотокамер. На светодиодах работают различные информационные панели и световые указатели. Наследником синего светодиода стал ультрафиолетовый светодиод, с помощью которого можно, например, стерилизовать воду.
(Наука и жизнь №11, 2014г.)
Использованная литература и интернет - ресурсы
1. Материалы официального сайта Нобелевского комитета (http://www.nobelprize.org)
2. Материалы журнала “Наука и жизнь” (2000–2014)
Учебное издание
|
|
|
