Загадки микромира

Если нарушение зеркальной симметрии всем казалось связанным с необычными свойствами самого пространства, а частицы были вроде ни при чем, то нарушение зарядовой симметрии затрагивало уже свойства самой материи. Ведь электрон является элементарным кирпичиком обычной материи, а позитрон — элементарным кирпичиком антиматерии. Эти опыты сразу же поставили перед учеными два гигантских вопроса. Один — относительно свойств пространства, а другой — связанный, по-видимому, с различием между частицами и античастицами. Не разрешив их, невозможно было двигаться вперед.

И все-таки спустя некоторое время физикам удалось распутать этот сложнейший клубок проблем. Представьте себе, что существует такое необычное зеркало, назовем его «зарядовым», или «C-зеркалом», в котором частицы выглядят как античастицы. Тогда электроны, вылетающие при радиоактивном распаде ядра перед этим зеркалом, кажутся в нем не «зеркальными электронами», а позитронами, летящими в том же самом направлении, что и электроны. Получившаяся отраженная картина — зеркальное изображение реального процесса — еще «безжизненна», безжизненна в том смысле, что она не похожа ни на один реально существующий в природе процесс. И тогда выходит, что «C-зеркало» в слабых взаимодействиях тоже не работает.

Но постойте, ведь с чем-то подобным мы уже сталкивались раньше, когда оперировали с обычным «P-зеркалом». В нем изображение страдало другим недостатком: электроны оставались электронами, только вылетали они в обратную, «неправильную» сторону. А что, если использовать оба эти непригодных зеркала одновременно и посмотреть, как будет выглядеть наш процесс?

Оказывается, электроны в нем станут позитронами и вылетать будут в сторону, «неправильную» для электронов, но совершенно законную для позитронов. А нам только это и надо. Наша отраженная в «CP-зеркале» картина стала вполне «жизненной». Она как две капли воды похожа на реально существующий процесс — позитронный радиоактивный распад атомных ядер.

«Изобретенное» выдающимся советским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Л. Ландау сдвоенное «CP-зеркало» изменяет координаты отраженных в нем процессов на противоположные и одновременно частицы превращает в античастицы. После тщательной экспериментальной проверки выяснилось, что оно безотказно действует во всех процессах, в том числе и в процессах, вызванных слабым взаимодействием.

Что же получилось? Раньше оба принципа — и зеркальной симметрии пространства, и симметрии зарядовой — считались фундаментальными принципами природы. Теперь же, после того, как они оказались дискредитированными, ученые вынуждены были отказаться от них и провозгласить один — принцип CP-симметрии, который удовлетворял всем видам взаимодействий, в том числе и слабому.

Процессы, связанные с сильным взаимодействием и симметричные относительно зеркального отражения координат и замены частиц на античастицы, подчиняются и принципу CP-симметрии.

Но для слабых взаимодействий новый принцип означал, что в любых таких процессах не только меняется знак пространственных координат, но и происходит замена частиц на античастицы. Помните, как у Пушкина: «Идет направо — песнь заводит, налево — сказку говорит». Природа как бы требовала, чтобы в слабых взаимодействиях при переходе от правого к левому «сменялась пластинка», то есть совершался переход от одного типа материи к другому.

Правое и левое оказались сцепленными с веществом и антивеществом; различие между обоими направлениями связано с различием между частицами и античастицами — вот ответ ученых на оба труднейших вопроса, возникших из решения загадки «тета-тау». Пустое пространство, отраженное и в обычном и в «CP-зеркале», остается симметричным, однородным. Если же и происходит кажущаяся утеря им зеркальной симметрии в слабых взаимодействиях, то вина в этом лежит не на пространстве, а на самих частицах.

Основное положение диалектического материализма о единстве свойств пространства и материи нашло новое конкретное подтверждение в физике элементарных частиц.

Хотелось бы напомнить, что ученые впервые обратили внимание на связь между геометрическими — пространственными — свойствами материи и ее физическими свойствами в середине прошлого века. Проблема эта возникла в науке о кристаллах. Крупнейшие кристаллографы были смущены хорошо известным экспериментальным фактом: некоторые химически идентичные вещества имели разные оптические свойства. Почему?

«В умы тех, кто размышлял над этим вопросом, — говорит в своей книге „Кристаллы, их роль в природе и науке“ крупный современный кристаллограф Чарльз Банн, — запали мучительные сомнения, которые нередко способствуют новым открытиям».