Nagroda Nobla z fizyki w 2008 roku

Nagrody

Nagrodę Nobla z fizyki w roku 2008 otrzymali: Yoichiro Nambu (USA) za odkrycie mechanizmu spontanicznego złamania symetrii w fizyce cząstek elementarnych, a Makoto Kobayashi (Japonia) i Toshihide Maskawa (Japonia) za odkrycie pochodzenia złamanej symetrii, co doprowadziło do sformułowania teorii o istnieniu w przyrodzie trzech rodzin kwarków.

Yoichiro Nambu

Urodził się w 1921 roku. Ukończył fizykę na Uniwersytecie w Tokio, gdzie w 1952 roku otrzymał tytuł doktora nauk. Pracował też na Uniwersytecie w Osace. W 1952 roku przeniósł się do USA i przez pięćdziesiąt lat pracował w Uniwersytecie Chicago, skąd przeszedł na emeryturę. Nambu stworzył matematyczny opis spontanicznego złamania symetrii w fizyce cząstek elementarnych, co zostało wykorzystane przy tworzeniu Modelu Standardowego. Jest również jednym z pionierów teorii strun w fizyce i jako pierwszy przypisał kwarkom ładunek kolorowy.

Wszechświat jest bardzo symetrycznym miejscem. Symetria w fizyce to niezmienność jakiegoś obiektu pod wpływem określonych przekształceń. Podstawowa teoria cząstek elementarnych zakłada trzy różne zasady symetrii: symetria lustrzana, symetria ładunkowa, symetria czasowa P (od ang. parity - parzystość), C (ang. charge - ładunek) i T (ang. time - czas). W symetrii lustrzanej, wszystkie zdarzenia powinny odbywać się dokładnie w ten sam sposób, niezależnie od tego czy widziane są bezpośrednio, czy w lustrze. Nie powinno być różnicy między stroną prawą a lewą i nikt nie powinien być w stanie rozstrzygnąć czy znajduje się we własnym świecie, czy w jego lustrzanym odbiciu. Symetria ładunkowa postuluje, że cząstka powinna zachowywać się zupełnie tak samo jak jej , która ma takie same właściwości ale odwrotny ładunek. Natomiast zgodnie z symetrią czasową, zdarzenia fizyczne powinny być tak samo niezależne bez względu na czas, w którym mają miejsce.
Okazuje się jednak, że równie ważne jest łamanie tych symetrii. Symetria może być złamana zarówno spontanicznie lub działaniem zewnętrznym na przykład włączeniem pola magnetycznego. Spontaniczne złamanie symetrii następuje gdy stan podstawowy układu (stan charakteryzujący się najmniejszą energią) ma niższą symetrię niż symetria układu fizycznego w danym momencie. Złamane symetrie fizyczne stają się widoczne w wysokich energiach.
Spontaniczne łamania symetrii można lepiej zrozumieć analizując następujący przykład: wyobraźmy sobie kilka monet zawieszonych w stanie nieważkości. Możemy wtedy odróżnić orła od reszki, ale poza tym monety są symetryczne względem odwracania. Każdą monetę, na której widzimy orła, możemy łatwo odwrócić o 180 stopni i zobaczymy na niej reszkę. Jeśli wszystkie monety spadną na jakąś płaszczyznę, to niektóre z nich leżą do góry orłem, niektóre reszką. Bez podnoszenia monet z płaszczyzny nie możemy zamienić monety z orłem na reszkę. Zatem nie ma już symetrii między nimi. Wyjściową symetrię można zauważyć tylko przy odpowiedniej energii, pozwalającej na podniesienie monety.

Makoto Kobayashi

Urodził się w 1944 roku w Nagoyi. Stopień doktora uzyskał w roku 1972 na uniwersytecie w Nagoyi. Później pracował na uniwersytecie w Kioto, gdzie w roku 1979 został profesorem, a w roku 1997 roku kierownikiem wydziału Laboratorium Wysokich Energii KEK w Tsukubie. Od roku 2003 kierował Instytutem Badań nad Cząsteczkami, a od 2006 roku jest profesorem emerytowanym.

Na początku Wszechświata temperatura była bardzo wysoka i cząstki miały dużą energię, panowała więc pełna symetria, możliwa była zamiana cząstek na i odwrotnie.Tak samo wszystkie cztery podstawowe oddziaływania były takie same i w zasadzie można mówić o jednej uniwersalnej sile i cząstki przenoszące te oddziaływania powinny mieć zerową masę. Dziś temperatura spadła, cząstki mają niższe energie i tej symetrii już nie ma. Nie sposób zamienić sił jądrowych na elektromagnetyczne, tak aby nic się nie stało. Doświadczenia pokazały, że pośredniczące w oddziaływaniach elektromagnetycznych, podobnie jak , które przenoszą oddziaływania silne i wiążą kwarki wewnątrz , rzeczywiście mają masy równe zero, ale już cząstki W⁺, W^- i Z, które , mają masę rzędu kilkudziesięciu mas protonu. Problem polegał na tym, że nie było wyjaśnienia skąd występują tak wielkie różnice w masach.
Yoichiro Nambu był pierwszym twórcą teorii, próbującej wyjaśnić różnicę pomiędzy masami poszczególnych cząstek elementarnych, czyli wyjaśnienia zaburzeń symetrii. W roku 1960 przedstawił spontanicznie zaburzenie symetrii w fizyce cząstek elementarnych (za to odkrycie dostał Nagrodę Nobla). Teorie obliczeniowe dotyczące zjawiska nadprzewodnictwa zastosował do cząstek elementarnych, a później jego aparat matematyczny przeniknął do wszystkich teorii związanych z .
Yoichiro Nambo założył, że próżnia to stan podstawowy o najniższej energii nie jest najbardziej symetryczny. Takie podejście pozwala wytłumaczyć mechanizm generowania masy w za pomocą później wprowadzonego pola Higgsa. Zaraz po Wielkim Wybuchu pole to było zerowe i wszystkie cząstki nie miały masy. Okazuje się, że taka sytuacja jest niestabilna, korzystniejsza energetycznie jest skończona wartość . Zmiana nastąpiła wraz z ochładzaniem się Wszechświata i dzięki temu niektóre cząstki stały się masywne. Polu Higgsa powinna odpowiadać cząstka, zwana , którą próbuje wykryć akcelerator LHC uruchomiony w 2008 roku w ośrodku badawczym pod Genewą.

Toshihide Maskawa

Urodził się w 1940 roku. W 1962 roku ukończył Uniwersytet w Nagoyi, a doktorat uzyskał w 1967 roku. Zaraz potem zaczął pracować zaczął w Instytucie Fizyki Teoretycznej Yukawa przy uniwersytecie w Kioto, gdzie do dziś jest profesorem. Najbardziej znaną pracą Maskawy jest opublikowany wspólnie z Kobayashim w roku 1973 artykuł dotyczący spontanicznego złamania symetrii CP i trzeciej rodziny kwarków.

Aby lepiej sobie wyobrazić pole Higgsa porównuje się do gęstego syropu, który wskutek obniżenia się temperatury Wszechświata skroplił się w całej objętości niczym mgła o poranku. Od tego czasu cząstki zaczęły grzęznąć, ale nie wszystkie jednakowo. Pewnym cząstkom syrop stawia większy opór, innym mniejszy, a niektóre jak fotony w ogóle go nie zauważają. Obecna masa cząstek jest właśnie miarą tego oporu.
Wydawało się, że symetria ładunkowa (symetria C) i symetria lustrzana (symetria P) łamią się osobno, ale obie, czyli symetria CP, na pewno nie są łamane w tym samym czasie. Panowało przekonanie, że symetria CP pozostaje niezaburzona, co oznacza, że prawa natury nie zmieniłyby się gdybyśmy znaleźli się w lustrzanym świecie, w którym materia zastąpiona została antymaterią. Dziś wiemy, że prawie cały Wszechświat składa się z materii. Symetria CP musi być więc złamana i to w bardzo subtelny sposób. Jeśli na początku Wszechświata współistniały cząstki i antycząstki to aby obraz Wszechświata był takim, jakim go widzimy na 10 miliardów par cząstek materii i antymaterii musiała przypadać jedna dodatkowa cząstka materii. Po te dodatkowe cząstki pozostały i tworzą obecny Wszechświat.
W 1964 roku James Cronin i Val Fitch zaobserwowali, że rozpad kaonu, ujawnił nowe pogwałcenie praw symetrii (za to odkrycie zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w roku 1980). Mała grupa nie poddawała się symetrii czasowej i ładunkowej czyli złamana została podwójna symetria CP i, co za tym idzie, poddana w wątpliwość cała struktura teorii.
Kobayashi i Maskawa w 1973 roku podali matematyczną teorię dotyczącej łamania symetrii CP, która tłumaczyła rozpad kaonu. Ich pomysł wymagał istnienia co najmniej 6 , a wówczas znano ich tylko 3 [górny (up), dolny (down) i dziwny (strange)]. Podzielili je również na trzy rodziny. Hipoteza okazała się słuszna i później odkryto nowe kwarki: kwark powabny (charm) został odkryty już w roku 1974; kwark denny (bottom) w 1977; a ostatni, kwark szczytowy (top) - dopiero w 1994. Artykuł Kobayashi i Maskawy z 1973 roku znajduje się na trzecim miejscu pod względem ilości cytowanych prac z fizyki wysokich energii, co potwierdza znaczenie ich teorii.
. Ale punktem wyjścia do dalszych poszukiwań są osiągnięcia laureatów Nagrody Nobla z 2008 roku. Nowe teorie testowane będą w i być może to zdecydowało o werdykcie Komitetu Noblowskiego.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w: Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serwisie naukowym portalu Onet, blogu i Wikipedii.

« Poprzednia Następna »