Первые "жертвы"

Ли и Янг оказались правы. В природе существовал только один сорт ка-плюс-мезонов, распад которых иногда не подчинялся закону сохранения пространственной четности. Принцип зеркальной Р-симметрии в слабых взаимодействиях нарушался. Слабому взаимодействию, как и другим зеркально несимметричным явлениям, вход в Зазеркалье был запрещен. Но не успели физики прийти в себя после перенесенного потрясения и обдумать возникшие вопросы, как на них обрушилась еще одна новость.

Экспериментаторы обнаружили, что позитронный радиоактивный распад другого изотопа кобальта, при котором из ядра вылетает античастица электрона - позитрон, происходит не так, как электронный: позитроны вылетали в противоположном направлении.

Новое сообщение произвело на ученых не меньшее впечатление, чем первое. Но что их так взволновало? Почему, собственно говоря, позитронный распад ядер должен происходить так же, как электронный?

А как было не волноваться, если на полном совпадении, на идентичности этих двух процессов настаивал один из основных принципов физики элементарных частиц, принцип зарядовой симметрии, или С-симметрии (от английского слова "charge" - заряд).

"Лет сорок назад, - писал Л. Окунь, - идея зарядовой С-симметрии уравнений физики казалась странной даже самим создателям квантовой механики. Одна?

ко вся структура основных уравнений требовала такой симметрии, и последующие открытия на опыте античастиц блестяще ее подтвердили".

"Аналогичные процессы с участием частиц и античастиц, - провозглашает теория, - происходят одинаково". Но теория теорией, а практика с электронами и позитронами, вылетающими в аналогичных процессах радиоактивных распадов ядер, показывает ученым, что это не так. Оказывается, в слабых взаимодействиях отсутствует не только зеркальная симметрия пространства, но и зарядовая симметрия! "Но как же можно было возводить в принцип положение, которое не проверялось на опыте?" - спросит иной читатель.

Да в том-то и дело, что проверялось, и проверялось не раз, но только не со слабыми взаимодействиями. И всплыл этот, доселе успешно скрывающийся от физиков парадокс лишь в опытах, где исследовались процессы, подчиняющиеся слабому взаимодействию.

Если нарушение зеркальной симметрии всем казалось связанным с необычными свойствами самого пространства, а частицы были вроде ни при чем, то нарушение зарядовой симметрии затрагивало уже свойства самой материи. Ведь электрон является элементарным кирпичиком обычной материи, а позитрон - элементарным кирпичиком антиматерии. Эти опыты сразу же поставили перед учеными два гигантских вопроса. Один - относительно свойств пространства, а другой - связанный, по-видимому, с различием между частицами и античастицами. Не разрешив их, невозможно было двигаться вперед.

И все-таки спустя некоторое время физикам удалось распутать этот сложнейший клубок проблем. Представьте себе, что существует такое необычное зеркало, назовем его "зарядовым", или "С-зеркалом", в котором частицы выглядят как античастицы. Тогда электроны, вылетающие при радиоактивном распаде ядра перед этим зеркалом, кажутся в нем не "зеркальными электронами", а позитронами, летящими в том же самом направлении, что и электроны. Получившаяся отраженная картина - зеркальное изображение реального процесса - еще "безжизненна", безжизненна в том смысле, что она не похожа ни на один реально существующий в природе процесс. И тогда выходит, что "С-зеркало" в слабых взаимодействиях тоже не работает.

Но постойте, ведь с чем-то подобным мы уже сталкивались раньше, когда оперировали с обычным "Р-зеркалом". В нем изображение страдало другим недостатком: электроны оставались электронами, только вылетали они в обратную, "неправильную" сторону. А что, если использовать оба эти непригодных зеркала одновременно и посмотреть, как будет выглядеть наш процесс?

Оказывается, электроны в нем станут позитронами и вылетать будут в сторону, "неправильную" для электронов, но совершенно законную для позитронов. А нам только это и надо. Наша отраженная в "СР-зеркале" картина стала вполне "жизненной". Она как две капли воды похожа на реально существующий процесс - позитронный радиоактивный распад атомных ядер.

"Изобретенное" выдающимся советским физиком- теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Л. Ландау сдвоенное "CP-зеркало" изменяет координаты отраженных в нем процессов на противоположные и одновременно частицы превращает в античастицы. После тщательной экспериментальной проверки выяснилось, что оно безотказно действует во всех процессах, в том числе и в процессах, вызванных слабым взаимодействием.

Что же получилось? Раньше оба принципа - и зеркальной симметрии пространства, и симметрии зарядовой - считались фундаментальными принципами природы. Теперь же, после того, как они оказались дискредитированными, ученые вынуждены были отказаться от них и провозгласить один - принцип СР-симметрии, который удовлетворял всем видам взаимодействий, в том числе и слабому.

Процессы, связанные с сильным взаимодействием и симметричные относительно зеркального отражения координат и замены частиц на античастицы, подчиняются и принципу СР-симметрии.

Но для слабых взаимодействий новый принцип означал, что в любых таких процессах не только меняется знак пространственных координат, но и происходит замена частиц на античастицы. Помните, как у Пушкина: "Идет направо - песнь заводит, налево - сказку говорит". Природа как бы требовала, чтобы в слабых взаимодействиях при переходе от правого к левому "сменялась пластинка", то есть совершался переход от одного типа материи к другому.?

Правое и левое оказались сцепленными с веществом и антивеществом; различие между обоими направлениями связано с различием между частицами и античастицами - вот ответ ученых на оба труднейших вопроса, возникших из решения загадки "тета-тау". Пустое пространство, отраженное и в обычном и в "СР-зеркале", остается симметричным, однородным. Если же и происходит кажущаяся утеря им зеркальной симметрии в слабых взаимодействиях, то вина в этом лежит не на пространстве, а на самих частицах.

Основное положение диалектического материализма о единстве свойств пространства и материи нашло новое конкретное подтверждение в физике элементарных частиц.

Хотелось бы напомнить, что ученые впервые обратили внимание на связь между геометрическими - пространственными - свойствами материи и ее физическими свойствами в середине прошлого века. Проблема эта возникла в науке о кристаллах. Крупнейшие кристаллографы были смущены хорошо известным экспериментальным фактом: некоторые химически идентичные вещества имели разные оптические свойства. Почему?

"В умы тех, кто размышлял над этим вопросом, - говорит в своей книге "Кристаллы, их роль в природе и науке" крупный современный кристаллограф Чарльз Банн, - запали мучительные сомнения, которые нередко способствуют новым открытиям".

Проблемой заинтересовался молодой Луи Пастер. "Я не способен был представить себе, - писал он, - чтобы два вещества могли быть настолько похожими, не будучи полностью идентичными. Едва закончив Высшую нормальную школу, я решил приготовить побольше кристаллов, чтобы изучить их форму". И вскоре Л. Пастер обнаружил, что химически одинаковые вещества состоят из кристаллов, по-разному ориентированных в пространстве.

Кристаллы эти оказались зеркальными изображениями друг друга. Они не совпадали между собой и обладали разной оптической активностью. "Открытие правой и левой виннокаменных кислот (это и было заслугой Л. Пастера) содействовало тому, что молекулы были выведены из области туманных рассуждений в весьма конкретный мир геометрии", - пишет Ч. Банн.

Сейчас нас больше всего интересует тот аспект этой истории, что впервые тогда в науке обнаружилась зависимость свойств материи от ее пространственной ориентации.

И вот сто лет спустя уже не в макрофизике, а в мире элементарных частиц ученые вновь столкнулись с проблемой, затрагивающей свойства материи одновременно. Но проблема эта была гораздо сложней, ибо в ней участвовали не только частицы, но и античастицы.

Если Л. Пастер заметил связь между свойствами право- и левоориентированного вещества (левые и правые кристаллы), то мир элементарных частиц предоставил уникальную возможность обнаружить связь между свойствами правоориентированного вещества и левоориентированного антивещества.

Астрофизики пытаются с помощью разного типа космических излучений обнаружить антимиры в межзвездном пространстве. Писатели-фантасты сталкивают своих героев с пришельцами из таинственного антимира.

До сих пор неизвестно, существует ли антимир, полностью аналогичный нашему миру. Но слабые взаимодействия через нарушения пространственной и зарядовой симметрии уже связали между собой элементарные кирпичики вещества и антивещества. Аналогия между принципом СР-симметрии и сдвоенным "CP-зеркалом" напрашивается сама собой. Но какое же это зеркало? Оно напоминает скорее "окно в антимир".

Если взглянуть в это зеркало вместе с нейтрино, то можно увидеть там антинейтрино: частицу без массы и без электрического заряда, которая имеет лишь собственный момент количества движения, связанный с ее вращением. Но в зеркале направление вращения нейтрино сразу меняется на противоположное и становится таким, как у антинейтрино. Как зачарованная красавица, эта частица никогда не "увидит" себя в зеркале.

Ну а электрон? Что видит он в "CP-зеркале", вылетая из радиоактивного ядра? Электрон видит свою античастицу - позитрон.