Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Казалось естественным и соответствовало множеству наблюдений, что если из симметричной системы, например набора неорганических веществ, синтезировать органические молекулы, то в общем случае получится одинаковое количество левых и правых соединений: если первоначальное состояние было симметричным относительно зеркального отображения, оно таким и останется. И наоборот — для асимметричного синтеза нужно заранее заложить в процесс какую-то асимметрию.

Есть фантастический рассказ о том, как космонавты-земляне гибнут от голода на какой-то вновь открытой планете: она изобилует съедобными продуктами, но все они в правой конфигурации, не усваиваемой организмом. Причины такой хиральности органики на Земле до сих пор не выяснены.

При математическом описании процессов зеркальное отображение соответствует изменению знака пространственных координат. Поэтому симметричные состояния частиц называются четными — знак функции, которая их описывает, не меняется, а антисимметричные — нечетными. Отсюда Вигнер постулировал в 1932 г. закон сохранения четности: каждая частица имеет определенную четность, а четность их соединений определяется произведением четностей составных частей и моментом системы.

Обращение времени Т означает, что наряду с прямой реакцией может происходить и обратная: из перехода, например, А + В → С + D, следует возможность и обратного перехода: С + D→А + В (вероятности их различны, но связаны так называемой теоремой баланса).

Симметрия относительно зарядовой четности С означает, например, что если продукты распада частицы вылетают в одну сторону, то продукты распада античастицы вылетят в противоположную сторону.

Законы сохранения определенных четностей казались столь естественными, что как-то даже не поднимался вопрос о возможности их нарушения. И вдруг, в 1956 г. совершенно неожиданно появляется статья двух теоретиков, американцев китайского происхождения, Ли Чжендао (р. 1926) и Янг Чжэньнина (р. 1922): оказывается, ни один существующий эксперимент не доказывает, что в реакциях с участием нейтрино (они называются слабыми) пространственная четность сохраняется. А может быть, этот закон справедлив только для сильных и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых? И они предлагают ряд экспериментов для проверки такой гипотезы.

Статья эта вызвала в первый момент впечатление шутки или абсурда: под удар ставилась, казалось, самая основа физики. Но очень скоро, буквально через несколько месяцев, их компатриотка мадам Ву Цзин-сян (р. 1913) подтверждает гипотезу Ли и Янга: поставив эксперименты по бета-распаду строго ориентированных при низких температурах ядер кобальта и измеряя поляризацию электронов, она показала, что нейтрино бывают только лево-поляризоваными. Значит, их нельзя отразить в зеркале — поляризация должна при этом измениться на правую, но таких нейтрино не существует!

Сразу же и почти одновременно Янг и Ли, Л. Д. Ландау и Абдус Салам предположили, что должна сохраняться комбинированная СР-четность: при отражении в зеркале одновременно с изменением знака координат и поляризации нейтрино переходит в антинейтрино. (Ли и Янг очень быстро, уже в 1957 г. получили Нобелевскую премию.)

Позднее закон сохранения комбинированной четности (и несохранения Р- и С-инвариантности по отдельности в слабых и только в слабых взаимодействиях) был подтвержден во многих других экспериментах.

Но в 1964 г. Джеймс У. Кронин (р. 1931) и Вел Л. Фитч (р. 1923) обнаруживают, что при одном из типов распадов К-мезонов (или каонов, о них ниже) даже комбинированная четность не сохраняется. Нейтральные каоны существуют в двух формах: одна из них четная и поэтому может распадаться только на два пи-мезона (К⁰_S → 2π), а вторая, нечетная и в 500 раз более долгоживущая, распадается на три пи-мезона (К⁰_L → 3π) — именно такие типы распадов им строго предписывает сохранение СР-инвариантности.

Однако в эксперименте оказалось (в 45 случаях из 23 тыс. сфотографированных событий в искровой камере), что иногда каон К⁰_L распадается на два пиона, а не на три — из-за редкости этого процесса его называют сверхслабым. Эти наблюдения были встречены с таким недоверием, что еще около полугода все эксперты их тщательно анализировали до того как отправить в печать.