Загадки микромира

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, P-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-ним. 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.