Вал Фитч

Биография

Американский физик Вал Логсдон Фитч, младший из трех детей Фрэнсиса М. (Логсдона) Фитча и Фред Б. Фитч, родился на скотоводческом ранчо в Черри-Каунти (штат Небраска), неподалеку от границы штата Южная Дакота. Когда Ф. был еще ребенком, его отец, объезжая лошадь, сильно пострадал и семье пришлось переехать в соседний г. Гордон, где глава семьи занялся страхованием.

По окончании средней школы Ф. был мобилизован в армию и в 1943 г. был направлен в составе специального инженерного подразделения в Лос-Аламос (штат Нью-Мексико) для обеспечения работ в рамках Манхэттенского проекта секретной программы создания атомной бомбы. Назначенный лаборантом в группу, которую возглавлял английский физик Эрнест Титтертон из британской миссии в Лос-Аламосе, Ф. познакомился с такими выдающимися физиками, как Энрико Ферми, Айзек Раби, Роберт Оппенгеймер, Нильс Бор, Джеймс Чедвик и Р.Ч. Толмен. Их профессиональные и личные качества произвели на него неизгладимое впечатление. Впоследствии Ф. вспоминал, что именно тогда он научился «не использовать для измерений уже имеющийся прибор, а отдаться свободному течению мыслей и попытаться изобрести способ решить задачу по-новому». Ф. был очевидцем первого атомного взрыва в пустыне Нью-Мексико, где его группа прокладывала кабель, по которому был передан сигнал о взрыве бомбы.

Ф. демобилизовался в 1946 г., а в 1948 г. получил степень бакалавра наук по электротехнике в Университете Макгилла (Монреаль) и поступил в аспирантуру Колумбийского университета в Нью-Йорке Под руководством Джеймса Рейнуотера Ф. подготовил диссертацию о мезоатомах. Тему диссертации подсказал ему Оге Бор, который в то время был соседом Рейнуотера по кабинету. В мезоатомах вместо обычных электронов на орбитах находятся мю-мезоны – частицы, первоначально обнаруженные в космических лучах. Мю-мезоны во всем тождественны электронам, за исключением того, что они примерно в 200 раз тяжелее их. Как показывают вычисления, излишек массы усиливает различия между близко расположенными энергетическими уровнями и тем самым оказывает влияние на спектр испускаемого атомом излучения. Учась последний год в аспирантуре, Ф. стал преподавать физику в том же университете. Докторскую диссертацию он защитил в 1954 г. Затем Ф. работал преподавателем физики в Принстонском университете, где в 1960 г. стал полным профессором, а в 1976 г. был назначен деканом факультета.

В 1963 г. Ф. и Джеймс У. Кронин вместе с Джеймсом Кристенсоном (студентом Кронина) и физиком из французского Центра ядерных исследований Рене Турле выполнили эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде (Нью-Йорк) по изучению нейтральных K-мезонов (каонов). Каоны, известные своими странными свойствами – неустойчивые частицы с массой, равной примерно половине массы протона, – образуются при столкновениях ядер с высокой энергией. Ранее они были описаны в работе Ли Цзундао и Янга Чжэньина (1956) как необычные частицы в так называемых «слабых» реакциях, в которых может нарушаться одна из трех фундаментальных симметрий, или законов сохранения. Эти симметрии имеют особые обозначения С, Р и Т. Сохранение С (зарядовое сопряжение) означает, что реакции должны происходить одинаково, если частицы заменить античастицами (частицами-близнецами, но с противоположным электрическим зарядом), например электроны позитронами и протоны антипротонами. Сохранение Р (четности) означает, что реакции должны происходить одинаково, если геометрические характеристики частиц заменить их зеркальными отражениями, например левое правым, вращение по часовой стрелке – вращением против часовой стрелки. Сохранение Т (симметрия относительно обращения времени) означает, что прямая реакция протекает так же, как обратная.

Ли и Янг предложили эксперименты для проверки своих теоретических предположений, а By Цзиньсян и ее сотрудники из Колумбийского университета обнаружили, что четность сохраняется при бета-распаде (испускании электрона) радиоактивных ядер не строго, а лишь приближенно ядро испускает преимущественно «левосторонние» электроны. Другие эксперименты показали, что С сохраняется тоже неточно некоторые реакции между частицами идут с большей вероятностью, чем реакции между античастицами. Теоретические трудности удалось преодолеть после того, как было выдвинуто предположение о том, что должна сохраняться комбинированная четность СР; нарушение зарядового сопряжения С должно компенсироваться одновременным нарушением четности Р, подобно тому как в алгебре произведение двух положительных чисел остается положительным, если оба сомножителя одновременно сделать отрицательными. Поскольку сохранение полной симметрии СРТ подкрепляется общими принципами, а четность СР в то время считалась инвариантной, должна сохраняться и симметрия относительно обращения времени Т. Нарушение симметрии Т не могло бы быть компенсировано весьма маловероятным нарушением симметрии СР.

В 1955 г. Марри Гелл-Манн и Абрахам Пайс высказали предположение о том, что пучок каонов состоит из комбинаций частица античастица, проявляющихся в экспериментальных наблюдениях как два различных электрически нейтральных каона KS0 (S короткоживущий) и KL0 (L долгоживущий). Время жизни KL0 составляет всего лишь около одной десятимиллионной доли секунды, но эта величина примерно в 500 раз превышает время жизни каона KS0. Сохранение комбинированной симметрии СР допускает распад каона KS0 на два пи-мезона (пиона) один – положительно заряженный другой отрицательно заряженный (пионы связаны с сильным взаимодействием, обеспечивающим целостность атомного ядра). Однако такой распад запрещен для каона KL0, который может распадаться только на три пиона положительно заряженный, отрицательно заряженный и нейтральный. Теоретическое положение было подтверждено в 1956 г., когда был экспериментально доказан распад каона KL0 на три пиона. Два типа каона можно было бы разделить, поскольку в типичной экспериментальной ситуации короткоживущие частицы успевают пролететь до распада лишь несколько сантиметров, в то время как долгоживущие частицы пролетают десятки метров, что позволило бы наблюдать лишь KL0.

Ф., Кронин и их сотрудники начали свои исследования, используя усовершенствованное оборудование, например искровую камеру, позволяющую с особой точностью определять треки продуктов распада и выбирать реакцию для наблюдения. Чтобы получить каоны, экспериментаторы бомбардировали бериллиевую мишень протонами, разогнанными до высоких энергий на Брукхейвенском синхротроне с сильной фокусировкой (ускорителе, способном разгонять частицы до энергий в несколько млрд. электрон-вольт). Свои детекторы экспериментаторы поместили в 17 м от мишени, где рождались каоны, на расстоянии, достаточно большом, чтобы успел пройти распад каонов KS0 и остался пучок, состоящий из одних лишь каонов KL0. Но одна из особенностей в поведении каонов, обнаруженная в ходе эксперимента, состояла в том, что после прохождения через блок из материала, поглощающего KL0, в пучке вновь возникали каоны KS0. Это явление называется регенерацией. Исследуя его, ученые использовали блоки из вольфрама, меди, углерода и жидкого водорода и обнаружили подтверждение теоретических предположений при полном отсутствии аномалий. Полученные данные позволили участникам эксперимента утверждать, что регенерация незначительно влияет на результаты проведенного ими позднее испытания, когда в область распада каона KL0 был введен сосуд, наполненный гелием. Результаты эксперимента, встреченные сначала с недоверием, показали, что в 45 из 23 тыс. сфотографированных событий в искровой камере каон KL0 распался на два пиона, вместо того чтобы в соответствии с теорией распасться на три. Учитывая важность результатов, экспериментаторы подтвердили его повторными испытаниями и на протяжении полугода безуспешно пытались найти альтернативные объяснения, прежде чем решились опубликовать данные о нарушении комбинированной симметрии СР.

Нарушение СР-симметрии означает, что в силу сохранения CPT-симметрии нарушается также симметрия относительно обращения времени Т, поэтому можно сделать вывод, что природа небезразлична к тому, в каком направлении течет время, вперед или назад. Это нарушение симметрии позволило ученым высказать определенные предположения, объясняющие, почему материя и антиматерия, возникшие, по теории «большого взрыва», при рождении Вселенной, аннигилировали не полностью. Если материя обладает даже чуть более продолжительным периодом распада, чем антиматерия, то это приводит к тому, что современная Вселенная является тем остатком вещества, который сохранился после взаимной аннигиляции материи и антиматерии и окончательного исчезновения антиматерии из-за его более быстрого распада. При этом именно аннигиляция является источником большей части космического электромагнитного излучения.

Ф. и Кронину была присуждена Нобелевская премия по физике 1980 г. «за открытие нарушений фундаментальных принципов в распаде нейтральных K-мезонов». Представляя лауреатов на церемонии вручения премий Геста Экспонг из Шведской королевской академии наук охарактеризовал три фундаментальные симметрии как «путеводные правила, позволяющие нам открывать математические законы природы». Ссылаясь на работу Гелл-Манна о нейтральных K-мезонах и открытия Ли и Янга, он отметил, что Кронин и Ф. «интерпретировали результаты своих экспериментов как слабое, но четко выраженное нарушение симметрии», и подчеркнул, что «никто, абсолютно никто, не ожидал ничего подобного».

Нарушение симметрии СР можно объяснить с помощью новых теорий, утверждающих существование фундаментальных частиц – кварков, из которых состоят другие субатомные частицы. Существование кварков было впервые постулировано Гелл-Манном. Различают 6 кварков: u-кварк (верхний), d-кварк (нижний), s-кварк (странный), c-кварк (очарованный), b-кварк (нижний), t-кварк (верхний, или правдивый).

В 1949 г. Ф. вступил в брак с Элизой Каннингхем. У них родились два сына. Через четыре года после смерти первой жены Ф. в 1973 г. женился на Дейзи Харкер, у которой было трое детей от предыдущего брака. С детских лет Ф. был горячим поклонником отдыха на свежем воздухе: пеших прогулок, походов с ночевками в палатках и т.п. Он любит слушать классическую музыку и на досуге заниматься выращиванием карликовых деревьев.

Ф. состоит членом Американского физического общества. Американской академии наук и искусств и Национальной академии наук США. С 1970 по 1973 г. он был членом Американской ассоциации содействия развитию науки и состоял членом Консультативного комитета по науке при президенте США. Среди полученных им наград и отличий премия по науке Исследовательской корпорации Америки (1968), премия по физике Эрнеста Орландо Лоуренса Комиссии по атомной энергии Соединенных Штатов Америки (1968) и медаль Джона Прайса Уезерилла Франклиновского Института (1976).