«Мы все состоим из кварков!»

«Правда ли, что все мы состоим из кварков?» – такой вопрос прозвучал весной 2001 г. в стенах Массачусетского технологического института (МТИ), где в переполненной аудитории выступал с лекцией профессор Джером Айзек Фридман. На этот странны й для обывателя вопрос лауреат Нобелевской премии по физике за открытие нового класса элементарных частиц – кварков – ответил утвердительно: «Мы, физики, уверены в этом».

Желание постичь строение Вселенной – извечная мечта человечества. Древние греки первыми предположили существование атомов – мельчайших «строительных блоков» всего сущего. Веками это было постулатом, пока в 1897 г. открытие Томсоном электрона не потрясло научный мир.

О кварках впервые заговорили в 1960-е гг. Теория об их существовании впервые была независимо выдвинута Джорджем Цвейгом и Мюрреем Гелл-Манном, который и ввел в научный обиход понятие «кварк», заимствованное им из фантастического романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором писатель так обозначил… крик чаек: «кварк-кварк».

Итак, существование неких структурных элементов размером не менее чем в 200 млн раз меньше размера атома, из которых состоят адроны (протоны, нейтроны и другие тяжелые элементарные частицы) было предсказано теоретически, однако не доказано. Но человек, которому суждено было это сделать, уже родился, и в 1964 г., когда впервые прозвучала гипотеза о кварках, ему было 34 года…

Джером Айзек Фридман родился 28 марта 1930 г. в Чикаго. Незадолго до начала Первой мировой его будущие родители 20-летними приехали из Беларуси в США. Причем мать приплыла в 1914 г. на одном из последних рейсов легендарного лайнера «Лузитания», который год спустя затонул вместе с тысячами пассажиров после торпедирования его германской субмариной.

Поначалу это была обычная эмигрантская история: отец будущего физика, отслужив в армии США, работал в компании по производству швейных машин Singer, а после занимался их ремонтом. Мать посвятила себя дому и воспитанию двоих сыновей. Семья жила в бедном районе Чикаго. Как вспоминает сам Джером, он дитя Великой депрессии, и крайне рад, что его детям не довелось узнать, что такое нищета.

Никто из родных Фридманов не имел высшего образования, так что невозможно было допустить, что кто-то из их семьи станет нобелевским лауреатом… Но, несмотря на отсутствие образования (мать и отец Джерома окончили лишь курсы английского для эмигрантов) и больших доходов, это были удивительные люди. Отец Джерома был страстным читателем: «Наш дом всегда был заполнен книгами», – вспоминает физик. А мать, имевшая прекрасный голос, обожала оперу, и по ее настоянию сыновья с детства занимались музыкой. «Мои родители готовы были принести любую жертву нашему интеллектуальному развитию. Даже когда денег не было на еду и одежду, они всегда находились на наши уроки», – признался Фридман.

К удивлению родителей, из которых никто не увлекался живописью, Джерри мечтал стать художником, каждую субботу посещал занятия в Чикагском художественном институте и уделял рисованию по 2–3 часа в день. После успешного окончания курсов ему была гарантирована стипендия для учебы в этом художественном институте, но планы изменил… Эйнштейн.

Будучи учеником последнего, 11 класса, Джером по пути домой случайно купил недорогую книгу, привлеченный необычным словом в ее названии: relativity («относительность»). Автором книги был Альберт Эйнштейн. Так Джерри открыл для себя, что и наука может быть прекрасной, как живопись, и что в формулах сокрыта не меньшая красота, чем в картинах. Однако попытка самостоятельно разобраться в написанном в книге не удалась: многого в описании так восхитившего его физического мира никто из взрослых объяснить не мог. Это еще больше подстегнуло интерес парня к физике. К удивлению семьи и наставников Джерри, вместо того чтобы принять стипендию и стать студентом художественного института, подал документы в Чикагский университет, чтобы изучать физику. Случаи, когда великие ученые оказываются достойными художниками, не редкость, но, чтобы из художника получился великий ученый, нужно было вмешательство Судьбы. Или особое упорство.

Программу колледжа при Чикагском университете Джером освоил за два года вместо положенных четырех, и в 20 лет стал студентом физфака. Его успехи в учебе были столь впечатляющими, что ему была назначена стипендия (иначе на скудные средства родителей он не смог бы учиться).

Магистерская программа для Фридмана, недостаточно подготовленного в области физики и математики, была чрезвычайно сложной. А уровень отсева студентов был весьма высок: Фридман припоминает, что вместе с ним вводный курс физики начали посещать 125 студентов, а завершили 35. Однако, учась с большим усердием, Джерри успешно справился с курсом и в 1953 г. стал магистром физики.

Его вдохновляла сама возможность учиться там, где преподавал выдающийся физик, введший в научный обиход понятие «цепная реакция» и впоследствии получивший титул «отца атомной бомбы» – Энрико Ферми. Еще в 1950 г. во вступительной лекции перед первокурсниками физфака Ферми (уже нобелевский лауреат) рекомендовал студентам специализироваться в области экспериментальной физики, ибо ожидал в ближайшие 10–20 лет скачка в ее развитии. Именно тогда Джерри решил стать экспериментатором, хотя раньше мечтал быть теоретиком, имея (по его собственному выражению) наглость выбрать образцом для подражания Эйнштейна.

Судьба благоволила ему: Джерри рискнул просить легендарного Ферми – одного из основоположников квантовой теории – стать руководителем его диссертации. К его огромному удивлению и радости, тот ответил «Да». Так Фридман вошел в пятерку аспирантов, которыми лично руководил нобелевский лауреат. «Трудно передать то чувство волнения, что владело мною в то время, – вспоминает Фридман. – Блистательный ум Ферми, его совершенно потрясающие лекции, выдающиеся физики, навещавшие его и их новаторские исследования – всё это создавало совершенно невероятную живую атмосферу на факультете. Я не могу забыть то переполнявшее меня чувство невероятной удачи, давшей мне возможность работать рядом с этим великим человеком».

Однако через год Ферми умер от рака, диссертацию Фридман завершал уже без его руководства, но личное знакомство с выдающимся ученым и круг его научных интересов оказали на него ключевое влияние. Ряд незавершенных работ Ферми, казавшихся многим в то время «бессодержательными», оказались провидческими. Так, именно на основе теории Ферми–Янга появились новые модельные схемы, сыгравшие большую роль в развитии физики элементарных частиц. Одной из последних таких моделей была модель кварков, опытных путем обнаруженных десятилетие спустя Фридманом.

В 1962 г. в Стэнфорде началось строительство самого мощного трехкилометрового линейного ускорителя электронов. Три магнитных спектрометра новой «машины» Стэнфордского центра линейного ускорителя были тогда крупнейшими в мире измерительными приборами для физических исследований. Новшеством стала и необычная степень компьютеризации экспериментов с использованием новейшего компьютера IBM System/360, создание которого обошлось ненамного дешевле, чем программа высадки американских астронавтов на Луну.

Именно на этом революционном устройстве в конце 1960-х Фридман совместно с Ричардом Тейлором и Генри Кендаллом начал серию уникальных экспериментов, необходимых для пересмотра представлений о строении материи. На протяжении шести лет – с 1967 по 1973 г. – тройка физиков вела кропотливый эксперимент с мельчайшими частицами материи, в ходе которого удалось получить свидетельства реальности кварков. Это открытие стало началом новой эпохи в физике. И уже к концу 1970-х вера ученых в реальность существования кварков стала повсеместной. Сегодня официальная наука называет кварк мельчайшей элементарной неделимой частницей материи, существование которой доказано опытным путем. И непосредственное участие в этом принял Джером Фридман, в 1990 г. удостоенный за это революционное открытие Нобелевской премии по физике.

«Я – тип человека с визуальным подходом ко всему, – говорит выдающийся физик ХХ в., мечтавший в юности стать художником. – Когда я думаю о физике, то представляю ее визуальные аспекты, вижу изображения. Я мыслю не уравнениями, а картинками (уроки живописи не прошли зря!). Даже размышляя о рассеивающихся электронах и кварке, я четко вижу в своем уме живописную картину электронов, отлетающих от кварка. Хотя, признаться, это очень сложно представить, ведь кварк не является ни точечной частицей, ни волной, а их необычной комбинацией. Но думаю, я мог бы нарисовать эту картину…»

Как-то в интервью Фридман сказал: «Мне действительно нравится то, что я делаю». Это объясняет, почему, даже став нобелевским лауреатом и перешагнув 80-летний рубеж, он не стал почивать на лаврах и не отошел от научной и преподавательской деятельности. Вместе с командой из более полутысячи физиков из 60 университетов и лабораторий США, Канады, Европы и Азии он принимал участие в экспериментах, в ходе которых в 1995 г. был открыт самый тяжелый из шести кварков – топ-кварк.

Ежегодно в мае специальный комитет МТИ – мирового лидера в области науки и техники – оглашает имя лауреата Премии им. Джеймса Р. Киллиана – младшего за выдающиеся достижения в физике. В 2000 г. им стал профессор Джером А. Фридман – бывший президент Американского физического общества и декан физического факультета, работавший в МТИ с 1960 г. «Джерри Фридман является одним из гигантов физики. Экстраординарные достижения делают его достойным получателем этой премии, и (из-за свойственной ему скромности) – одним из наших добродушных великанов», – сказал председатель отборочного комитета, отметив шуткой не только научные достижения профессора Фридмана, но также его человеческие качества… и очень высокий рост.

А 95-летний Фридман и сегодня выступает в разных уголках мира с авторской лекцией «Действительно ли мы сделаны из кварков?». И неизменно отвечает утвердительно.

 

Мария ПАВЛОВА