Стівен Вайнберг. Теорія Єдиного Поля.
Steven Weinberg
Книги Стівена Вайнберга
1. Steven Weinberg. Dreams Of a Final Theory, New York, 2004. Завантажити російський переклад (формат pdf) >>>>>
2. Steven Weinberg. The First 3 Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, New York, 2000. Завантажити російський переклад (формат djvu) >>>>>
Американський фізик Стівен Вайнберг народився в Нью-Йорку 03 травня1933 року; син Єви Вайнберг і Фредеріка Вайнберга, судового стенографіста. Його ранній інтерес до науки
стимулювався батьком і заохочувався в науково орієнтованій школі в Бронксі, де одним з його вчителів був Шелдон Л. Глешоу. До шістнадцяти років інтереси Вайнберга зосередилися на теоретичній фізиці.
В 1954 році Стівен Вайнберг одружився з Луїзою Голдвассер, у них є дочка. У години дозвілля він любить вивчати середньовічну історію.
Стівен Вайнберг лауреат премії Дж. Роберта Оппенгеймера Університету Майамі (1973), премії Денні Хейнемана (1977) Американського фізичного товариства; також він нагороджений медаллю Еліота Крессона Франклінського інституту (1979). Він є членом американської Національної академії наук, Американського фізичного товариства, Американського астрономічного товариства, Лондонського королівського товариства та Американської академії середньовіччя. Він має почесні вчені ступені Нокс-коледжу, Чиказького, Рочестерського, Єльського, Нью-йоркського університетів та Університету Кларка.
Отримавши в 1954 р. ступінь бакалавра в Корнеллського університету, В. працював протягом року в Інституті теоретичної фізики в Копенгагені (нині Інститут Нільса Бора). Повернувшись в США, він в 1957 р. отримав докторський ступінь в Прінстонському університеті, причому дисертація була присвячена додаткам перенормування, а також математичної техніки, що зайняла важливе місце в його пізніших роботах.
Після захисту докторської дисертації В. з 1957 р. працював в Колумбійському університеті, а потім викладав в Каліфорнійському університеті в Берклі аж до 1969 р., коли він став викладачем Массачусетського технологічного інституту. У 1973 р. він перейшов до Гарвардського університету на посаду професора фізики, успадкувавши цей пост від Джуліуса С. Швінгера. Одночасно він служив головним науковим співробітником в Смітсонівській астрофізичної обсерваторії.
Як він зазначив у власному звіті, його інтереси були досить широкі, включаючи “велике різноманіття тем – високоенергійна поведінка діаграм Фейнмана (в честь імені Річарда П. Феініана), нейтральні струми слабких взаємодій, порушення симетрії, теорія розсіювання, фізика мюонів і т.д. , – тем, обраних найчастіше просто тому, що хотілося самостійно розібратися в деяких областях фізикиˮ. У своєму найбільш відомому дослідженні він спробував уніфікувати фундаментальні сили природи.
На початку XIX ст. фізики звели сили, що діють у природі, до трьох: гравітації, електрики, магнетизму. У 1870-х рр. шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл встановив, що електрика і магнетизм не є незалежними силами, а являють собою різні аспекти сили, що називається тепер електромагнетизмом. Максвеллу вдалося показати, що світ являє собою електромагнітне явище, і визначити його швидкість, передбачити існування радіохвиль і надихнути подальших дослідників на пошуки глибинного принципу, який звів би докупи всі сили природи.
Після відкриття атомного ядра в XX ст. ученим довелося додати ще дві додаткові сили: сильна взаємодія і слабка взаємодія Сильна взаємодія утримує разом протони і нейтрони, які складають атомне ядро. Навпаки, слабка взаємодія, замість того щоб утримувати частинки разом, роз’єднує їх, як, наприклад, це відбувається при радіоактивному випущенні бета-променів (електронів). На відміну від гравітації і електромагнетизму, які діють на необмежених відстанях, сильна взаємодія не поширюється за межі ядра. Слабка взаємодія поширюється на ще меншу область. Згідно Вайнебергу, Глешоу і Абдус Салам, електромагнітні і слабкі сили представляють собою різні аспекти єдиної “електрослабкоїˮ сили.
За допомогою концепції, названої калібрувальної симетрією, Глешоу першим спробував об'єднати електромагнетизм зі слабкими силами (слабкими взаємодіями) в 1960 р. Існує кілька типів симетрій, в тому числі дзеркальна симетрія (як у пари рукавичок) і зарядова симетрія (сила взаємодії між двома частками, несучими електричний заряд, не зміниться, якщо частинки обміняються своїми зарядами). Симетрія, обумовлена калібрувальною інваріантністю, має справу з математичними величинами, абсолютні значення яких (на відміну від відносних) не впливають на фізичні взаємодії, так що початок відліку можна довільно змінювати, не змінюючи при цьому ні одну зі спостережуваних величин.
Хоча сам термін “калібрувальна симетріяˮ був введений в 1920 р., дану концепцію можна прослідкувати і в більш ранніх роботах. І справді, теорію електромагнетизму Максвелла можна інтерпретувати як застосування цього принципу симетрії. Висновки теорії Максвелла залишаються тими ж самими, незалежно від того, від якої точки відраховувати величини напруги. За таку точку зазвичай вибирається та, яка відповідає, як сказав би інженер-електрик, потенціалу Землі. Абсолютне значення електричного потенціалу не грає ніякої ролі; напруга дорівнює різниці потенціалів в двох точках, за одну з яких можна прийняти точку Землі. Намагаючись застосувати принцип калібрувальної симетрії до більш складної фізики сильних взаємодій, Янг Чженьнін і Роберт Л. Міллс у 1954 р. досить суттєво просунулися по шляху створення єдиної концепції сил в природі, куди внесла свій вклад і робота Глешоу, Вайнберга і Салама.
Нове просування відбулося в 1961 р., Коли Глешоу припустив існування чотирьох частинок, які служать носіями як електромагнетизму, так і слабкої взаємодії. Одна з них, фотон (або квант світла), була вже відома як носій електромагнітної енергії. Три інші частинки (які тепер звуться бозони: W+, W- і Z0) служать посередниками при слабких взаємодіях. Оскільки частинки-переносники не мали маси, слабкі взаємодії повинні, відповідно до теорії Глешоу, здійснюватися на необмежених відстанях, що очевидним чином суперечило експериментальним даним. Щоб справитися з цими труднощами, Глешоу постулював великі маси бозонів W+, W- і Z0, але тепер теорія передбачала, що деякі слабкі взаємодії повинні здійснюватися і з нескінченною силою.
Використовуючи калибровочную теорію, як і Глешоу, Вайнберг запропонував в 1967 р. єдину теорію. Його рішення, яке залежить від механізму, відомого як спонтанне порушення симетрії, полягає в тому, що фотон як і раніше вважається таким, що не має маси, тоді як інші три частки масою володіють. Відповідно до цієї теорії, електромагнітні та слабкі сили ідентичні при вкрай високих енергіях. При цих умовах маси бозонів W і Z слабо впливають на процес, оскільки масивні частинки легко утворюються з наявної енергії (в теорії відносності Альберта Ейнштейна встановлюється еквівалентність маси і енергії). Таким чином, обмін W- і Z-бозонів в точності такий же, як і обмін фотонами, а сили слабкої взаємодії настільки ж сильні, як і електромагнітні. Однак при більш низьких енергіях частинки W і Z утворюються рідко, так що слабкі взаємодії стають рідше і проявляються на менших відстанях, ніж електромагнітні. Оскільки світ земної фізики існує при відносно низьких енергіях, різниця між цими двома силами виявляється більше, ніж їх схожість.
Рік по тому після того, як Вайнберг повідомив про свою теорію, Абдус Салам незалежно від нього запропонував аналогічну теорію. Їх ідеї не привертали до себе особливої уваги аж до 1971 р., коли нідерландський фізик Герхард Хофт застосував математичну техніку, звану перенормування і запропоновану Джуліусом С. Швінгера і Син'ітіро Томонагою, яка дозволила йому та іншим дослідникам завершити обґрунтування єдиних сил в природі. Теорія калібрувальної симетрії, розвинена Глешоу, Вайнбергом і Саламом, знайшла вражаюче підтвердження в 1973 р., коли були виявлені слабкі нейтральні струми в експериментах, проведених в Лабораторії національного прискорювача ім. Фермі поблизу Чикаго і в ЦЕРНі (Європейському центрі ядерних досліджень) поблизу Женеви. У 1983 р. W-і Z-бозони були виявлені в ЦЕРНі Карло Руббіа і його колегами.
Вайнберг, Глешоу і Салам були нагороджені в 1979 р. Нобелівською премією з фізики “за внесок в об’єднану теорію слабких і електромагнітних взаємодій між елементарними частинками, у тому числі за передбачення слабких нейтральних струмівˮ. У Нобелівській лекції Вайнберг говорив про симетрії, або регулярності, що виявляються в законах природи. “Ми можемо вивчати матерію тільки при низьких температурах, де, схоже, симетрії спонтанно порушуються, так що природа не виглядає простою або єдиною ... Але, спостерігаючи довго і наполегливо, ми можемо виявити форми симетрій, які, хоча і порушені, є саме тими принципи, які управляють усіма ядерними явищамиˮ.
З 1982 р. Вайнберг займає посаду професора Техаського університету в Остіні. Він був консультантом Інституту оборонних досліджень (1960-1973) та Агентства з роззброєння і контролю над озброєннями США (1971-1973). В доповнення до роботи з елементарними частинками і теорією поля, включаючи квантову теорію і загальну теорію відносності, він виявляє великий інтерес до астрономії і астрофізики.