Утерянный рай

"Странные" положительно заряженные ка-мезоны первыми сыграли сигнал опасности для фундаментального принципа симметрии пространства. Эту опасность удалось ослабить, приняв "ультиматум" слабых взаимодействий - заменять частицы античастицами при зеркальном отражении.

Нарушение то пространственной, то зарядной симметрии в слабых взаимодействиях болезненно воспринималось физиками. Но одновременное нарушение и С- и Р-симметрии затрагивало уже самые основы современной физики.

Любое уравнение квантовой механики симметрично не только относительно изменения знака у всех координат (Р-симметрия) или к замене частиц на античастицы (С-симметрия), но и к изменению направления времени. То есть к "обращению во времени".

Эта временная, или, как ее обозначают, Т-симметрия утверждает "вечную молодость" процессов микромира. Т-симметрия означает отсутствие "стрелы времени", как поэтически говорят о направленности времени в макромире. К миру элементарных частии неприменимо понятие "старение". Есть только равноправные друг другу прямое и обратное направления процесса.

Нам пришлось вспомнить об этом потому, что в основе современной квантовой теории элементарных частиц лежит теорема СРТ. Смысл ее в том, что все процессы должны одновременно подчиняться принципу пространственной - Р-, зарядовой - С- и временной - Т-симметрии. Другими словами, любое явление в микромире, если его отразить в зеркале, частицы в нем заменить на античастицы, а конечное состояние заменить начальным, то есть изменить направление времени, должно превратиться в явление, тоже реально существующее в природе.

До экспериментов с ка-мезонами никто не сомневался, что все три типа симметрии как вместе, так и по отдельности - это строгие законы природы. Но первые два уже утеряли свою универсальность. Чем это грозит?

Если нарушается CP-симметрия, а Т-симметрия остается, то рушится вся теорема СРТ. Она, эта общая СРТ-симметрия, может остаться в силе лишь в том случае, если нарушаются одновременно CP и Т-симметрии.

Так, лишившись двух фундаментальных законов, физики "добровольно" отказываются от третьего. Более того, они стараются доказать его нарушение, чтобы спасти основы теории. Имеет ли время власть над микромиром?

Выяснить это намного сложнее, чем в макромире. Временная Т- симметрия накладывает запрет на некоторые физические явления. Например, у элементарных частиц не должно быть электрического дипольного момента. Можно представить, что нейтрон состоит из положительного и отрицательного зарядов, центры тяжести которых раздвинуты. Отсюда возникает электрический дипольный момент. Если ядерные процессы обратимы, то этот момент у нейтрона должен быть равным нулю.

В лаборатории нейтронной физики дубненские ученые давно уже ищут возможность для проникновения в тайну электрического дипольного момента частиц. Во всех прежних экспериментах он не был обнаружен. Но сказать, что момент этот равен нулю, пока никак нельзя - точность опыта еще недостаточно высока. Нейтроны так быстро проскакивают рабочий объем установки, что очень малое их количество распадается за это время. Даже медленные, или тепловые, нейтроны и те движутся со скоростью два километра в секунду. Нейтронный "шквал" за ничтожные доли секунды пересекает весь прибор, а для измерения дипольного момента очень важно, чтобы нейтрон как можно дольше находился в поле зрения наблюдателей, "в руках экспериментаторов". Ведь за это время надо изучить его поведение под действием электрических и магнитных полей.

Возникла, таким образом, необходимость в нейтронах гораздо более медленных, чем тепловые. Именно такие ультрахолодные нейтроны, со скоростью несколько метров в секунду, встречаются среди частиц, вылетающих из ядерного реактора. Но их очень мало: на сто миллиардов всех нейтронов приходится только один ультрахолодный.

Вот если бы собрать да законсервировать эти нейтроны, тогда и эксперимент по измерению дипольного момента можно было бы провести с высокой точностью.

И эта, казалось бы, фантастическая идея оказалась практически выполнимой. Около двадцати лет назад итальянский ученый Э. Ферми и советский физик-теоретик И. Померанчук показали, что ультрахолодные нейтроны должны полностью отражаться от поверхности некоторых веществ.

Десять лет спустя академик Я. Зельдович теоретически доказал, что, используя свойство отражения, можно "выловить" ультрахолодные нейтроны из реактора и накопить их в специальной ловушке в количестве до ста миллионов в одном кубическом метре!

В это трудно было поверить. Ведь нейтроны довольно проникающие частицы, а тут предсказывалось, что они не смогут покинуть ловушку, сделанную из тончайшей медной фольги.

Необыкновенное поведение ультрахолодных нейтронов объяснялось их волновыми свойствами. Длина волны этих частиц равна одной стотысячной доле сантиметра. Но в микромире даже она кажется Гулливером среди атомов-лилипутов. Поэтому, падая на поверхность вещества, волна взаимодействует одновременно с большим числом ядер атомов меди. И хотя энергия такого взаимодействия очень мала, она все-таки того же порядка, что и энергия самих ультрахолодных нейтронов. Вот почему уже первые слои атомных ядер фольги создают на пути волны ультрахолодных нейтронов непреодолимый энергетический барьер. Ударяясь о него, как морская волна о крутой берег, она откатывается назад.

Группа ученых лаборатории нейтронной физики ОИЯИ под руководством Ф. Шапиро уже приступила к созданию "консервов" из нейтронов. Их задача формулировалась очень просто: найти и отобрать иголки - ультрахолодные нейтроны - в стоге сена, то есть среди сотен миллиардов всех остальных нейтронов.

В поток нейтронов, выходящих из атомного реактора, экспериментаторы поместили медную трубу, изогнутую на удаленном от реактора конце. Тепловые нейтроны, летящие с огромной скоростью, "прошивали" стенки трубы в месте ее изгиба и мчались дальше. Ультрахолодные же, попав в трубу, уже не могли из нее выбраться и превращались в ее пленников. Как слепые котята, тыкались они в стенки и, отражаясь от них, ползли вдоль трубы, следуя ее изгибам.

Экспериментаторы узнали об этом, поместив на изогнутом конце трубы счетчик. Он и зарегистрировал нейтроны, находившиеся в трубе около 200 секунд!

Когда ученые научатся создавать "консервы" из достаточного количества нейтронов, они смогут с большой точностью измерить дипольный момент нейтрона.

В десятках лабораторий мира ставятся опыты по проверке нарушения временной симметрии. Но окончательного ответа пока еще нет.

Давайте же пофантазируем и предположим, что нарушение принципа Т- симметрии обнаружено. Теория СРТ будет тогда спасена, но какой ценой! Ведь опять всплывает непонятная неэквивалентность правого и левого, неэквивалентность прямого и обратного направлений времени, неэквивалентность частиц и античастиц. Придется признать, что микромир "грешен" теми же асимметриями, с которыми мы давно уже свыклись в нашем макромире.

В мире, доступном нашим органам чувств, мы постоянно сталкиваемся с предметами, которые не обладают зеркальной симметрией. Не надо далеко ходить за доказательствами: наше собственное зеркальное отражение только похоже на нас.

Из чего состоим мы с вами и все, что нас окружает?

Из протонов, нейтронов и электронов. И вокруг нет ничего и никого, кто бы состоял из антипротонов, антинейтронов и позитронов. Налицо зарядовая асимметрия макромира.

О времени же и толковать нечего. Безжалостная его стрела направлена всегда только вперед.

Никогда никого 
Не зовите обратно. 
Обратимость - вранье, 
Суть движенья злорадна, 
Ни его, ни ее 
Не отдаст вам обратно.

И. Снегова

В чем же, наконец, смысл этой обнаруженной с помощью физики высоких энергий похожести, этой совпадающей асимметрии нашего обычного мира и мира сверхмалых масштабов? Какова связь между нарушением С-, Р- и Т-симметрии в макро- и в микромире? Отвечают ли СРТ- симметрии микромира СРТ- симметриям макромира?

Оба эти вопроса,-говорят ученые, уводят задающего их в глубины космологии. Ведь и зарядовая и временная асимметрии окружающего нас мира являются следствиями особых "начальных" условий, существовавших во вселенной примерно 10¹⁰ лет назад.

Нарушение пространственной и зеркальной симметрий в слабых взаимодействиях, непригодность "СР-зеркала" для небольшого числа распадов нейтральных ка-мезонов... Так ли уж важны эти мизерные отклонения на беспредельном фоне сильных взаимодействий, обладающих и С-, и Р-, и CP-симметрией? На фоне тех самых сил, что удерживают нуклоны в ядрах и которым подчиняется подавляющее большинство мельчайших кирпичиков материи? И почему, наконец, физики с таким усердием исследуют эти небольшие нарушения симметрии в микромире?

"Да потому, - говорит доктор физико-математических наук Д. Франк-Каменецкий, - что в науке нет мелочей. Она обязана объяснить все до конца, а каждое еще не понятое явление может таить целый океан неведомого. Ничтожное черное пятнышко на фотопластинке, лежавшей рядом с препаратом урана, оказалось предтечей всей ядерной физики и техники".

У физиков уже сложилось впечатление, что мир в общих чертах прост, но в частностях очень сложен. Самый страшный симптом сложности - это нарушение симметрии. Ведь все простое симметрично.

О том, как окончательно отразятся на современном миропонимании рассказанные здесь истории, пока неизвестно.

А вот в самое последнее время по всему научному миру прокатилась гигантская волна возбуждения, связанного с обнаружением представителей еще одного необычного мира сильно взаимодействующих частиц. Открытые одновременно в Брукхэвене и в Стэнфорде, джи-пси частицы не только самые тяжелые (в три с лишним раза тяжелее протонов) "кирпичики" материи на сегодняшний день, но и живут в несколько тысяч раз дольше менее массивных резонансов. Новоявленных граждан микромира довольно легко вписать в систематику всех остальных частиц, если принять гипотезу о существовании дополнительного, четвертого типа кварков с новым квантовым числом, имеющим поэтическое название "очарование". Есть другие, не менее интересные теоретические идеи, и каждая из них предлагает экспериментаторам увлекательные поиски целого ряда "очарованных" частиц, которыми и занимаются сейчас физики в Серпухове и во многих крупнейших лабораториях мира.