Гелл-Манн помог упорядочить разнообразие частиц и объяснить их свойства через кварковую модель. Источник: Unsplash

К середине XX века физики открывали все больше частиц. Многие существовали лишь краткое мгновение, но успевали оставить следы в приборах. Список рос, и становилось трудно понять, почему природа создала такое разнообразие. Мюррей Гелл-Манн предложил искать за ним общие правила — подобно тем, которые когда-то позволили упорядочить химические элементы.

Биография Мюррея Гелл-Манна

Мюррей Гелл-Манн на лекции. Почти четыре десятилетия научной карьеры Гелл-Манна были связаны с Калифорнийским технологическим институтом. Источник: Wikimedia

Будущий физик с детства увлекался языками и естественной историей. Выбор профессии сузил круг его занятий лишь на время: интерес к устройству живого мира сохранился на всю жизнь.

Детство и увлечения

С детства будущего физика привлекали языки, археология и наблюдение за птицами. Источник: Telegraph

Мюррей Гелл-Манн родился в Нью-Йорке в семье выходцев из Австрии. Вместе со старшим братом он наблюдал за птицами, собирал монеты и читал энциклопедии. Его привлекали археология и языки, однако отец убедил сына выбрать физику. Школьный предмет особого восторга у него не вызывал; интерес появился при знакомстве с квантовой механикой и теорией относительности.

Учеба в Йеле и первые исследования

Молодой Мюррей Гелл-Манн. Путь Гелл-Манна в теоретическую физику прошел через обучение в Йеле и Массачусетском технологическом институте. Источник: London Review

В 1948 году Гелл-Манн окончил Йельский университет*, а в 1951-м получил докторскую степень в Массачусетском технологическом институте. Затем работал в Институте перспективных исследований в Принстоне и Чикагском университете. Молодого теоретика занимали свойства частиц и правила их превращений — область, где новые эксперименты постоянно требовали объяснений.

В 1955 году он перешел в Калифорнийский технологический институт. С Калтехом оказались связаны почти четыре десятилетия его карьеры, включая работы, за которые в 1969 году ему присудили Нобелевскую премию по физике. Награда отмечала вклад в классификацию элементарных частиц и изучение их взаимодействий.

Основные открытия Гелл-Манна

Нобелевскую премию Гелл-Манн получил за вклад в классификацию элементарных частиц и изучение их взаимодействий. Источник: Axios

Для классификации требовалось понять, какие свойства объединяют частицы в семейства. Затем возник следующий вопрос: можно ли объяснить сами эти семейства через более простое устройство вещества?

Восьмеричный путь: как упорядочили частицы

В 1961 году Гелл-Манн и независимо от него израильский физик Юваль Неэман предложили схему, которая объединяла частицы по общим свойствам. При построении групп учитывали электрический заряд и особую характеристику — странность, связанную с закономерностями рождения и распада некоторых частиц. Название «восьмеричный путь» отсылало к буддийскому учению и группам из восьми частиц, хотя схема включала и другие семейства.

Такая классификация позволяла обнаруживать пробелы. В одном из семейств оставалось место для неизвестной частицы с определенными свойствами — омега-минус. В 1964 году ее обнаружили в Брукхейвенской национальной лаборатории. Совпадение с предсказанием показало, что за схемой стоит закономерность, которую можно проверять экспериментально.

Кварковая модель и название из романа Джойса

В том же 1964 году Гелл-Манн предложил описывать протоны, нейтроны и многие другие частицы как комбинации более фундаментальных объектов. Независимо к сходной модели пришел Джордж Цвейг. В первоначальной схеме хватало трех типов таких объектов: верхнего, нижнего и странного кварков.

Слово «кварк» Гелл-Манн заимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Цвейг называл свои объекты «тузами», но в физике закрепилось название Гелл-Манна.

Модель хорошо объясняла свойства частиц, однако требовались свидетельства их внутреннего устройства. В конце 1960-х эксперименты в Стэнфордском центре линейных ускорителей показали: электроны рассеиваются на протонах так, словно внутри находятся компактные заряженные составляющие. Эти измерения стали важной экспериментальной опорой кварковой картины. Последующие исследования позволили связать такие составляющие с кварками и установить их свойства.

Что такое кварки и как они образуют протоны и нейтроны

По следам частиц в детекторах физики проверяют предсказания теорий о строении вещества. Источник: Flikr

В современной модели известно шесть типов кварков. Для описания привычных протонов и нейтронов достаточно начать с двух: верхнего и нижнего. Протону соответствует сочетание двух верхних кварков и одного нижнего, нейтрону — одного верхнего и двух нижних.

У верхнего кварка электрический заряд равен двум третям заряда протона, у нижнего — минус одной трети. Сложение дает знакомый результат: протон заряжен положительно, нейтрон электрически нейтрален. Из небольшого набора составляющих получаются частицы с разными свойствами.

Картина трех кварков остается упрощением. Внутри протона есть глюоны — переносчики сильного взаимодействия, а также возникающие и исчезающие пары кварков и антикварков. Гелл-Манн участвовал в разработке квантовой хромодинамики, которая описывает эту систему. Расчеты поведения кварков продолжают совершенствовать: особенно трудно исследовать условия, при которых они прочно связаны внутри частиц.

Чем открытия Гелл-Манна помогают объяснить окружающий мир

Большая часть массы привычных предметов связана с энергией движения и взаимодействия кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов. Источник: Unsplash

Связь с повседневностью начинается с массы обычного вещества. Тело человека, вода в стакане и металлическая ложка состоят из атомов, почти вся масса которых сосредоточена в ядрах — протонах и нейтронах. При этом массы самих кварков дают лишь небольшую ее часть. Большая доля массы протона связана с энергией движения и взаимодействия кварков и глюонов. Кварковая теория позволяет исследовать, откуда берется масса знакомых нам предметов.

Поздние годы Гелл-Манна

Интерес к птицам и разнообразию живой природы сопровождал Гелл-Манна на протяжении всей жизни. Источник: Unsplash

Со временем Гелл-Манн занялся вопросами, выходившими далеко за пределы физики частиц. В 1984 году он стал одним из основателей Института Санта-Фе, где вместе работали физики, биологи, экономисты и исследователи языков. Их интересовало, как взаимодействие множества элементов порождает поведение целой системы — от живого организма до экономики.

В книге «Кварк и ягуар», вышедшей в 1994 году, ученый связал две стороны своих интересов: простые законы микромира и сложность живой природы. Языки и наблюдение за птицами оставались частью его жизни наряду с теоретической физикой. Гелл-Манн умер 24 мая 2019 года в возрасте 89 лет.

*Деятельность Йельского университета (США) признана нежелательной на территории Российской Федерации