Загадка "тета-тау"

Великолепные фейерверки элементарных частиц вскоре перестали поражать воображение первооткрывателей. Регистрация каждого следующего резонанса - а число их перевалило за сотню - доставляла исследователям те же эмоции, которые владеют медицинской сестрой при взгляде на длинную очередь больных.

Если бы цель и задача физики микромира заключалась только в "выписывании паспортов" для все новых и новых частиц, то больше не о чем было бы и рассказывать.

"Человек осваивает Землю, и этот процесс непосредственно связан с расширением его знаний о законах природы", - писал физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Е. Вигнер. Следовательно, цель науки не только открытие и описание явлений и процессов, протекающих в природе. Главное - поиски закономерных связей между ними.

Несколько столетий назад были открыты и изучены три основных закона механики - закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента количества движения. На эти три закона сохранения опирается вся классическая физика.

Открыв атомное ядро и элементарные частицы, ученые проникли в новую область природы. Здесь впервые обнаружилась ограниченность некоторых законов макромира. В микромире действовали свои, квантовые законы. Атомы и элементарные частицы тоже подчинялись трем великим законам сохранения, но описывались уже не механикой Ньютона, а механикой квантовой.

До начала XX века физики не подозревали, что существует прямая связь между тремя законами сохранения и такими простыми свойствами пространства и времени, как их однородность и одинаковость физических свойств по всем направлениям, называемая изотропностью.

Закон Ома для электрических цепей прекрасно выполняется как в московской школе, так и за тысячи километров от нее - в школах Индии. А почему этот, и любой другой, закон природы "работает" сегодня так же хорошо, как вчера, а завтра наверняка будет таким же, как и сегодня? Да все потому, что пространство и время, в которых мы живем, однородны. Их свойства везде и всегда одинаковы.

Мы никогда не обращаем внимания на это обстоятельство. Оно вроде бы нас и не касается. А судьбы законов природы - быть им или не быть? - прямо зависят от свойства однородности, симметрии, присущего пространству и времени.

Слово "симметрия" обычно вызывает ассоциацию только с образами геометрически симметричных предметов. Но понятие симметрии в общем смысле связано с единством двух противоположных моментов - сохранения и изменения. Симметрия - это сохранение каких- либо элементов по отношению к определенным изменениям.

После создания теории относительности и квантовой механики неожиданно выяснилось, что все три закона сохранения, которым подчиняются макромир и микромир, всего лишь следствия более общих положений, а именно: принципов симметрии пространства и времени! И с тех пор эти фундаментальные принципы природы заняли самую верхнюю ступеньку в иерархической лестнице физических понятий.

Сперва физики не сомневались в справедливости этих принципов. Но вдруг как гром с ясного неба возникла загадка "тета-тау", как ее записали в свои анналы физики. Суть этой загадки сводилась к единственному вопросу: одна частица или две?

Виновниками загадки стали тяжелые частицы ка-мезоны. Сразу же после их открытия ка-мезоны привлекли к себе пристальное внимание физиков и получили прозвище "странных" за феноменальную способность рождаться в сильных взаимодействиях между частицами, а распадаться - в слабых. В те мгновения, когда мезоны доступны наблюдению, ученые узнали о них не меньше удивительных историй, чем иной энергичный журналист о какой-нибудь знаменитой кинозвезде за много месяцев.

Обнаружилось, что под названием "ка-мезон" скрывается сразу три типа элементарных частиц. Одни из них нейтральны - ка-ноль-мезоны, другие имеют положительный - ка-плюс-мезоны, а третьи - ка-минус-мезоны - отрицательный электрический заряд.

История первая произошла с ка-плюс-мезонами. Обычно они распадаются на более легкие частицы несколькими способами, и в этом не было ничего удивительного. Удивление вызывало вот что. По теоретическим представлениям, два из этих способов распада были таковы, будто они принадлежали не одной и той же частице, а двум разным. Соблазн приписать эти способы распада одной частице упирался в табу, исходящее из еще одного общего закона, который называется законом сохранения пространственной четности.

Четность - это математическое понятие, и его трудно объяснить с помощью одних только физических представлений. Четность - свойство специальной волновой функции, которая в квантовой механике описывает состояние элементарной частицы. А закон сохранения пространственной четности означает, что параметр этот не должен меняться.

Неспециалисту эти слова мало что говорят. Но эпитет "пространственная" у слова "четность" уже намекает на то, что этот закон появляется в квантовой механике как прямое следствие неизменяемости пространства при его зеркальном отражении.

Физики в прошлом уже знали, что зеркальное отражение координат, когда их знаки заменялись противоположными, а левое и правое менялось местами, микромира не касалось. Реальные процессы в микромире обладали пространственной, или, как ее называют, Р-симметрией. Казалось твердо установленным, что природа не знает, где у нее "право", а где "лево".

Но вот обнаружились новые типы распадов ка-плюс- мезонов. И это заставило физиков призадуматься. Признание того, что одна и та же частица в одних и тех же условиях распадается так, как будто у нее меняется четность, заставляло предполагать, что причиной этого являлось нарушение закона сохранения пространственной четности. Но об этом нарушении, связанном с принципом зеркальной симметрии, вытекающим, в свою очередь, из однородности пространства, было даже страшно подумать!

Поэтому физики решили считать, что существует не один сорт ка-плюс-мезонов, распадающихся двумя способами, а два с противоположной четностью, которые и распадались по-разному. Их назвали тета-мезоны и тау-мезоны.

Казалось, инцидент был исчерпан, но это не принесло спокойствия ни теоретикам, ни экспериментаторам. Ученые привыкли докапываться до самой сути, не оставляя неясностей и недомолвок. А здесь было и то и другое.

Никто не понимал, почему неразличимые экспериментально, с одинаковой массой и временем жизни тау- и тета-мезоны распадались по-разному? Может быть, это все-таки была одна и та же частица? Но тогда рушилось убеждение в незыблемости фундаментальных принципов симметрии.

"Положение, в котором очутились физики в то время, - вспоминал один из ученых, - подобно положению человека, нащупывающего выход из темной комнаты; он знает, что где-то должна быть дверь, ведущая наружу, но в каком направлении эта дверь?"

Выбраться "наружу" удалось только в 1956 году.

Первыми "отыскали дверь" американские физики Ли Цзун-дао и Янг Чжень-нин. Но выбрались они через эту дверь, как всем казалось, самым неподходящим способом. Они "стерли" слова "тета" и "тау" и заявили, что существует все же только один сорт ка-мезонов - с положительным электрическим зарядом.

Это было необыкновенно смелое заявление. Два американских физика подвергли тем самым сомнению незыблемый доныне закон сохранения пространственной четности. Новая гипотеза дерзко провозглашала, что в распаде ка-мезона при слабом взаимодействии нарушалась зеркальная симметрия пространства!

Так, значит, пространство неоднородно?! В это невозможно было поверить. Ведь все другие эксперименты подтверждали строгое выполнение закона сохранения четности и в атомных явлениях, и в сильных взаимодействиях между частицами!

Ли и Янг первыми поняли, что все проверки принципа зеркальной симметрии "могут не иметь цены в этой не исследованной еще области исчезающе слабых взаимодействий".

Раскрытию существования в природе слабого взаимодействия, которое в сто миллиардов раз слабее электромагнитного, "уже сопутствовало временное сомнение в справедливости закона сохранения энергии". Помните, при каких обстоятельствах было провозглашено и открыто нейтрино? Теперь же слабое взаимодействие покушалось еще на один фундаментальный принцип природы.

Известный физик-теоретик Ф. Дайсон вспоминал, что он "прочел статью Янга и Ли еще в рукописи дважды и сказал: "Это очень интересно", или еще какие-то слова в этом роде. Но у меня не хватило воображения воскликнуть: "Бог ты мой, да ведь если это правда, то это открывает целую новую область в физике!" И я думаю, что все остальные физики, за очень небольшими исключениями, были в то время так же лишены воображения на этот счет, как и я".

Даже гипотеза, не вызывающая возражений, буквально витающая в воздухе, и та не получает права гражданства, пока не подтвердится на опыте. А что уж говорить об этой принятой в штыки идее.

Все должен был решить эксперимент, в котором прямо бы проверялась зеркальная симметрия пространства.