В числе головоломок, которые принесли с собой странные частицы, была такая, которая вызывала особенное смущение в мире физиков. Наблюдая распады каонов, чаще всего регистрировались реакции, в которых исходный К-мезон распадался на две частицы. Скажем, на мюон и нейтрино или, что случалось реже, на два пиона…
К° → μ+ + ν, K+ → π° + π+
Но иногда, еще реже, фотографии показывали распад тех же каонов на три частицы:
K+ → π+ + π+ + π—
K+ → π+ + π° + π°
K+ → π° + μ+ + ν
K+ → π° + ε+ + ν
Это уже было совсем неприятно. Частица, распадающаяся на два пиона, по закону сохранения четности, не имела права распадаться на три.
Первой мыслью было, конечно, предположение, что имеется не одна и та же, а две разных частицы. Их так и назвали — одну «тау», а другую «тета». Но время шло, а эксперименты упорно твердили, что по всем вроде бы известным характеристикам тау- и тэта-частицы идентичны. Их массы, времена жизни и спины были одинаковы.
Здесь, пожалуй, нам придется задержаться, чтобы поговорить о четности. В квантовой механике четностью называют такую характеристику микросистемы (в том числе и элементарной частицы), которая отражает свойства симметрии этой системы относительно зеркальных отражений.
Ядро атома перед зеркалом
В мире частиц каждой из них соответствует некоторая математическая функция, определяющая положение частицы в пространстве. При этом если перемена знаков у трех пространственных координат этой функции (что эквивалентно зеркальному отражению системы) изменяет знак самой функции, то говорят, что четность отрицательная. А если при перемене всех знаков на обратные функции остается прежней, как ни в чем не бывало, то ее четность положительна.
Так вот при распаде тета-мезона на два пиона четность оставалась положительной. А при тау-распаде она оказывалась отрицательной.
До сих пор, до возникновения «тета-тау загадки», закон сохранения четности, означающий, что в природе левое равно правому, действовал безотказно. И вдруг…
Летом 1956 года два молодых физика Колумбийского университета Ли Чжен-дао и Янг Жень-пин высказали предположение, что четность сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и не сохраняется при слабых взаимодействиях. Это означало, что среди частиц, участвующих в слабых взаимодействиях, нет симметрии и левое отличается от правого.
Утверждение молодых физиков породило массу споров. Паули писал одному из своих друзей: «Я не верю, чтобы бог был «слабым левшой», и готов держать пари на большую сумму, что опыт даст симметричные результаты». Но были среди ученых и другие мнения. Все должен был решить опыт.
Ли и Янг были теоретиками. И потому они предложили только идею решающего эксперимента.
Представьте себе, что у вас перед зеркалом вращается, как волчок, ядро атома. Вращается и при этом выбрасывает из себя частицы то вверх, то вниз, равновероятно. Могли бы вы отличить реальный процесс от его зеркального изображения?..
Пожалуй, нет. Посмотрите на рисунок: обе фигуры абсолютно одинаковы и в натуре, и в зеркале. Никакого нарушения симметрии.
Значит, если излучаемые частицы летят в оба направления одинаково, это должно свидетельствовать о сохранении четности.
Схема опыта By
А теперь представьте, что наше ядро испускает частицы преимущественно в одном направлении. В этом случае изображение в зеркале вы можете сразу отличить от реального события. Изменится направление вращения по отношению к вылетающей частице. То есть «правый винт» перейдет в «левый». И, если у вылетающих частиц существует какое-то преимущественное направление полета, это станет свидетельством нарушения четности.
После нескольких месяцев подготовки эксперимент был поставлен профессором того же университета мадам By Цзянь-сюн с группой физиков-экспериментаторов. Она взяла образец радиоактивного кобальта-60, излучающего электроны и нейтрино и превращающегося при этом в никель-60: Co60 → Ni60 + e— + ν. Поместила его в криогенную установку, чтобы охладить почти до абсолютного нуля и тем самым избавиться от мешающего теплового движения молекул. Затем наложила на образец сильное магнитное поле. Тотчас же ядра атомов кобальта-60 приняли одно направление. Теперь оставалось только зафиксировать, куда летит большинство электронов: вверх и вниз одинаково или в какую-нибудь одну сторону преимущественно. От этого зависел ответ о сохранении или несохранении четности.
Опыт показал несимметричный результат! Паули и другие физики, уверенные в сохранении четности при слабых взаимодействиях, проиграли. «…Начинаю приходить в себя после первого удара, — писал Паули в своем следующем письме. — Это был удар не столько потому, что господь предпочитает левую руку, а потому, что он, если нажать посильнее, соединяет левое и правое симметрично».
Это был не только удар, но и серьезный урок, показавший, что законы сохранения, которых к тому времени было уже открыто предостаточно для микромира, не все оказывались универсальными. И то, что было справедливо для сильных взаимодействий, могло нарушаться при слабых взаимодействиях.
Год спустя, в 1957-м, Ли и Янг получили Нобелевскую премию за то, что придумали, как заставить природу ответить на вопрос: всегда ли у нее левое равноправно с правым?
Между прочим, после опытов мадам By ученые вспомнили, что еще в 1929 году замечательный немецкий математик Герман Вейль, разрабатывая математическую теорию симметрии, тоже высказал предположение, что вращающаяся частица может обладать левой или правой спиральностью.
Вейль не был физиком. Он только построил изящную математическую теорию, не претендуя на большее. Но его теория требовала признания асимметрии в природе, что противоречило существовавшим взглядам, и потому никто в ту пору не обратил внимания на это предсказание.
Всего двух лет не дожил Вейль до того дня, когда его «абстрактная математическая теория» превратилась в «пророческое предсказание». Увы, так часто бывает в науке. С одной стороны, это подтверждает старую истину, что «новое — это хорошо забытое старое». С другой — что жизнь человеческая коротка, но каждый может ее продлить своими деяниями.
Несохранение четности при слабых взаимодействиях повлекло за собой множество труднейших проблем. То, что законы движения частиц являются несимметричными, это представить себе было можно. А вот как представить себе вообще асимметрию пространства? Как понять, что оно — пустое пространство, вакуум — несимметрично относительно левого и правого?..
Интересное решение этого вопроса почти одновременно дали несколько физиков-теоретиков в разных странах. У нас это сделал Лев Давидович Ландау (1908—1968). По идее Ландау пространство было симметричным. А несимметричны оказывались частицы. С электроном был связан «левый винт» — левовинтовое движение, а с позитроном — «правый винт»… При этом возникала необходимость предположить существование антиподов и у нейтральных частиц, например, у нейтрино. Антинейтрино во всем должно было быть похоже на свое нейтрино, но закручиваться обязано было вдоль своей траектории в обратную сторону…
Много любопытных допущений потребовало признание несохранения четности от физиков. Оно продемонстрировало еще раз то обстоятельство, что с законами и установленными принципами в науке следует обращаться очень осторожно. Стоит что-нибудь потревожить, как возникает лавина, способная нанести непоправимые изменения в установившемся мировоззрении. Так было с появлением квантовой механики и новой теории атома. К похожему периоду приближает нас и современная физика элементарных частиц.