Загадки микромира

Полгода длилась подготовка к штурму загадки «тета-тау». В специальном криостате замирали атомы кобальта, замороженные до температуры на один лишь градус выше абсолютного нуля. Тепловое движение уже не могло мешать внешнему магнитному полю командовать атомным «парадом».

Руководила этим экспериментом американская ученая доктор By Цзянь-сюн из Колумбийского университета.

«Я помню, — рассказывал впоследствии Ф. Дайсон, — как в октябре 1956 года я встретил Янга и сказал ему: „Было бы все-таки здорово, если бы эти опыты By что-нибудь дали“. — „Да, — ответил он, — это было бы здорово“, — и продолжал мне рассказывать о своих вычислениях в теории неидеальных газов. Я думаю, что даже и он в то время не понимал ясно, насколько здорово это было бы».

Эксперимент By, на подготовку которого было затрачено полгода, длился всего пятнадцать минут. Едва физики включили аппаратуру, как сразу же поняли, что в слабых взаимодействиях принцип зеркальной симметрии пространства нарушается. Против направления магнитного поля электронов вылетало значительно больше, чем по его направлению.

Путешествие в Зазеркалье не совершилось! Неслыханное дело! Слабое взаимодействие отличало друг от друга правое и левое направления. Обнаруженный на опыте преимущественный вылет электронов в одном направлении, как и приметы несимметричности у человека, исключал существование зеркального двойника у процесса бета-распада атомных ядер. Действительно, в обычном зеркале, назовем его «P-зеркалом», бета-распад ядра выглядел по-другому: там электроны вылетали в основном по направлению магнитного момента ядра. А такого процесса в природе не существует.

Трудно описать волнение физиков. Теоретики пытались осознать полученный результат. Экспериментаторы принялись исследовать другие процессы, связанные со слабым взаимодействием, которые еще не проверялись на «верность» принципу зеркальной симметрии. Еще тлела надежда, что еретический результат опыта с бета-распадом в других явлениях не подтвердится.

Но все измерения приводили к одному и тому же выводу: в сильных взаимодействиях принцип зеркальной симметрии непоколебим, а в слабых не действует.

Атомная физика впервые вскрыла ограниченную применимость некоторых законов механики Ньютона. И вот теперь в мире элементарных частиц обнаружилась неуниверсальность, ограниченность фундаментального принципа симметрии пространства.

Каким же теперь надо представлять наше пространство?

Неужели его идеальная однородность и его симметрия иллюзорны? И как это согласовать с тем, что все процессы в мире элементарных частиц подчиняются закону сохранения импульса, который как раз и есть следствие однородности пространства?

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 P-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 C-симметрии (от английского слова «charge» — заряд).

«Лет сорок назад, — писал Л. Окунь, — идея зарядовой C-симметрии уравнений физики казалась странной даже самим создателям квантовой механики. Однако 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.