Чжэньнин Янг

Оставшись в Чикаго еще на один год, Я. работал преподавателем по физике, а затем перешел в Институт фундаментальных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси). В течение академического 1953/54 г. он был главным физиком Брукхейвенской национальной лаборатории в Лонг-Айленде (Нью-Йорк). Он стал профессором физики в Институте фундаментальных исследований в 1955 г. и оставался на этом посту более 11 лет, а затем перешел в университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, Лонг-Айленд на ставку профессора и директора Института теоретической физики.

Именно в это время Я. начал регулярно встречаться с Ли, который находился теперь в Колумбийском университете, чтобы продолжить обсуждение физических проблем, которое они начали, когда оба учились в Чикаго. В мае 1956 г. они обратили внимание на одну проблему, касавшуюся закона сохранения четности. Сохранение четности следует из одной из симметрии в природе, признанной физиками. Это среди прочего означает, что природа не ориентирована ни в правую, ни в левую сторону, так что зеркальное отражение взаимодействия частиц должно подчиняться тем же законам, что и само взаимодействие, если четность сохраняется.

В квантовой механике каждая частица или система частиц описывается определенным математическим выражением, которое носит название волновой функции. Зеркальное отражение ведет к замене пространственных координат х, y, z на –х, –y, –z. Если при этом знак функции меняется на противоположный, то четность частицы или системы равна –1 (нечетная). Если же функции не меняются, то четность равна +1 (четная). Закон сохранения четности, впервые сформулированный в 1925 г., утверждал, что общая четность (произведение четностей всех участвующих частиц) одинакова как до, так и после взаимодействия. Закон получил всеобщее признание благодаря тому, что он приводил к полезным теоретическим и экспериментальным результатам, а кроме того, вероятно, еще и потому, что отвечал желанию физиков находить в природе подобные симметрии. Большинство интуитивно чувствовало, что природа не отдает предпочтение правому над левым, или наоборот.

Проблема сохранения четности возникла в связи с двумя совершенно различными типами К-мезонов, нестабильных частиц, наблюдаемых среди других фрагментов после высокоэнергетической бомбардировки атомных ядер. Один из них (тета) распадается на два пи-мезона, поскольку пи-мезон обладает известной четностью –1, то общая четность двух пи-мезонов составляет (–1)·(–1) = +1. Следовательно, родительская тета-частица должна также обладать четностью +1. Напротив, тау-частица, порождающая три пи-мезона, должна иметь четность (–1)·(–1)·(–1) = –1. Следовательно, с одной стороны, если тета- и тау-мезоны обладают разными четностями, то они должны быть разными частицами. С другой стороны, экспериментальные данные, как, например, то, что они обладают одинаковыми массами и временем жизни, заставляют предположить, что это одна и та же частица. Углубившись в эту, по всей видимости, неразрешимую дилемму, Я. и Ли смело решили найти экспериментальные подтверждения закона сохранения четности.

Во взаимодействиях частиц участвуют четыре силы: сильное взаимодействие, соединяющее протоны с нейтронами в ядре; электромагнитная сила, действующая на заряженные частицы; слабое взаимодействие, связанное с испусканием частиц во время радиоактивного распада, и гравитация – сила, действующая на массы. К своему удивлению, Я. и Ли обнаружили, что имеются многочисленные экспериментальные подтверждения сохранения четности при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но такое подтверждение полностью отсутствует в случае слабых взаимодействий. Гравитация – это настолько относительно слабая сила, что при взаимодействиях элементарных частиц ею обычно пренебрегают. Ни из одного из отчетов ученых не следовало подтверждения принципа сохранения четности при слабых взаимодействиях, хотя распад тета- и тау-частиц на пи-мезоны включают таковые. Я. и Ли быстро продумали, как провести эксперименты, позволявшие дать точный ответ на вопрос, сохраняется ли четность при слабых взаимодействиях. Поскольку они были теоретиками, то проведение экспериментов предоставили другим.

Первыми, кто откликнулся на их призыв, были By Цзяньсюн из Колумбийского университета вместе с физиками из Национального бюро стандартов США. В 1956...1957 гг. после шести месяцев изнурительной подготовки к трудному эксперименту By поместила радиоактивный кобальт внутрь электромагнита и охладила его до температуры, близкой к абсолютному нулю, дабы свести до минимума влияние теплового движения. Кобальт испускает бета-частицы (электроны) и нейтрино (незаряженные частицы с нулевой массой). Поскольку атомы ведут себя как маленькие магниты, их направления параллельны электромагнитному полю, задающему определенную ориентацию. Если бы четность сохранялась при радиоактивном распаде кобальта, являющемся слабым взаимодействием, то в направлении северного и южного полюсов магнита вылетало бы равное число испускаемых электронов. By обнаружила, что больше электронов вылетает с южного конца. Четность не сохранялась. Последовавшие затем эксперименты других ученых почти немедленно подтвердили нарушение закона сохранения четности при распаде и превращении пи-мезонов в мю-мезоны и мю-мезонов в электроны и нейтрино (или антинейтрино). В мю-мезонах и электронах проявляется асимметрия направлений вперед-назад.

При невыполнении закона четности Я. и Ли смогли предположить, что тета и тау и в самом деле одна частица, способная к двум различным типам распада. Нарушение закона сохранения четности вызвало целую лавину теоретических и экспериментальных исследований. С этими новыми исследованиями ученые связывали надежды на создание единой теории поля, объединяющей четыре известных вида взаимодействия, идея которой напрямую связана с именем Альберта Эйнштейна.

«За предвидение при изучении так называемых законов четности, которое привело к важным открытиям в области элементарных частиц», Я. и Ли были награждены в 1957 г. Нобелевской премией по физике. При презентации лауреатов О.Б. Клейн, член Шведской королевской академии наук, сказал: «Результат их исследования оказался неожиданным, когда выяснилось, что допущения, касающиеся симметрии, даже в хорошо известных процессах не имели никакого экспериментального подтверждения по той причине, что эксперименты ставились таким образом, что их результаты не зависели от справедливости или несправедливости этих допущений». Клейн поздравил обоих лауреатов с успехом в разрешении «наиболее тупиковой проблемы в области физики элементарных частиц, после чего экспериментальная и теоретическая работа забила ключом».

Основные научные интересы Я. лежат в области теории поля и элементарных частиц, статистической механики (наука об атомном происхождении тепловых явлений) и принципов симметрии. Новый принцип для описания взаимодействия частицы и поля, который он предложил в 1954 г. совместно с Робертом Л. Миллсом, работавшим тогда в Брукхейвенской национальной лаборатории, стал основой для многих исследований в области фундаментальной физики, известной как калибровочная теория. Считается, что калибровочные принципы лежат в основе всех основных взаимодействий в природе.

Я. посещал Китайскую На родную Республику ежегодно с 1971 г., помогая установлению взаимопонимания и дружбы между своей родиной и Соединенными Штатами. Он женился на Ту Чили в 1950 г.; у них два сына и дочь. Перед отъездом в США из Китая в 1945 г. Я. решил выбрать себе имя, которое американцам будет легко произносить. Он выбрал имя Франклин, потому что восхищался Бенджамином Франклином, с биографией которого был хорошо знаком, и американские друзья называют его Фрэнк. Он стал гражданином США в 1964 г.

Я. получил почетные докторские степени Принстонского, Миннесотского, Даремского университетов, а также некоторых институтов. Ему присуждены памятная премия Альберта Эйнштейна Университета Йешивы (1957) и медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1980). Он является членом американской Национальной академии наук, Американского философского общества, Бразильской академии наук, Венесуэльской академии наук и Американского физического общества.