Мезоны Юкавы, названные пи-мезонами, явились перед Поуэлом сразу в виде семейства из трех родственных частиц. Одни из них оказались нейтральными и имеющими массу в 264 раза большую, чем масса электрона, они живут в десять миллиардов раз меньше, чем мюоны. Их заряженные родственники пи-плюс и пи-минус мезоны погибают «только» в сто раз быстрее, чем мюоны. Они на девять электронных масс тяжелее своих нейтральных братьев.
Так опыт превратил цемент теории Юкавы в прочный бетон, сделавший протонно-нейтронную модель ядра не менее реальной, чем пирамиды древности.
Были найдены и ответы на вопрос о том, почему протоны и нейтроны распадаются не во всех ядрах, а протоны в свободном полете не распадаются, в то время как нейтроны вне ядра живут совсем недолго.
Оказалось, что внутри ядер, в кипящем котле ядерной материи, связываемой мезонами, взаимные превращения протонов и нейтронов происходят всегда. Но вылет наружу электронов и антинейтрино или позитронов и нейтрино происходит лишь при особых благоприятных условиях. Такие условия возникают лишь в неустойчивых радиоактивных ядрах. После вылета из ядра электрона или позитрона, сопровождаемых антинейтрино или нейтрино, баланс протонов и нейтронов смещается на единицу. Это значит, что атом, ядро которого пережило такой распад, смещается на одну клетку в таблице Менделеева – происходит превращение элемента.
Было выяснено также, что протон, находящийся вне ядра, сопровождаемый незримым облаком мезонов, стабилен, то есть никогда (по крайней мере в соответствии с теперешними познаниями) не распадается. Напротив, нейтрон оказался неустойчивой частицей. Вне ядра нейтроны живут в среднем около тысячи секунд, а затем самопроизвольно распадаются. Это их свойство приходится учитывать, в частности, при расчете некоторых атомных реакторов на медленных нейтронах, в которых нейтроны, рожденные при делении ядер, сравнительно долго блуждают до того, как их захватит другое ядро.
Исследования в области ядерных реакций привели к массовому открытию новых частиц. Особенно урожайными оказались годы, последовавшие за строительством гигантских ускорителей, основанных на идеях В.И. Векслера и американского ученого Мак-Милана.
Усиленные поиски и изучение свойств элементарных частиц ведутся во многих физических центрах, в частности в Международном институте ядерных исследований в Дубне. Здесь недавно была открыта одна из новейших частиц – анти-сигма-минус-гиперон.
К 1957 году количество известных частиц достигло 30, а сейчас их насчитывается свыше 90. Стремительное появление новых частиц вызвало замешательство среди физиков. Но об этом будет рассказано несколько позже. Сейчас пришла пора посмотреть в зеркало.
Новый акт
В этой части нашей истории современность тесно сплелась со стариной. Здесь рождались и достигали ювелирной отделки глубокие и оригинальные теории, которые затем безжалостно списывались в архив под давлением новых фактов.
Речь пойдет о различии и родстве между правым и левым, между предметом и его отражением в зеркале. Путешествие в эту область привело ученых к чудесам, далеко затмевающим те, с которыми в зазеркалье встретилась маленькая Алиса.
Великий немецкий ученый Лейбниц, один из зачинателей современной математики, сформулировал в виде закона идею, известную еще в древности, – правое и левое в природе неразличимы. На этот закон опиралась вся наука. Он вошел и в квантовую механику под названием закона сохранения четности.
Универсальность того закона была столь всеобщей, что Эддингтон как-то спросил, сможем ли мы, установив радиосвязь с обитателями далекой планеты, сообщить им, какой винт мы называем правым.
Вопрос Эддингтона можно поставить еще более остро. Как объяснить, что такое право и лево человеку, изучающему русский язык по радио? Конечно, можно сослаться на то, что у него сердце расположено слева. Это будет правильно в подавляющем большинстве случаев, но ведь бывают и люди с сердцем в противоположной стороне груди. Значит, это объяснение не универсально. Можно сказать, что, став лицом к Солнцу, он увидит его перемещающимся слева направо. Но это верно только для жителей северного полушария. Сославшись на движение стрелки часов, мы рискуем, что наш слушатель по какой-то причине никогда не видел современных часов, а в старину были и часы с обратным ходом стрелки. Над этим вопросом стоит подумать, а пока вернемся к закону сохранения четности.
Началом всей истории послужило открытие К-мезона.
Оказалось, что К-мезон может в некоторых случаях распадаться на два пи-мезона, а в других случаях на три пи-мезона. Такие распады не могли существовать одновременно, ибо в первом случае К-мезон должен был бы быть четной частицей, а во втором – нечетной.
Спасительная надежда, что в одном из этих распадов участвует какая-то ненаблюдаемая частица, подобная нейтрино, была опровергнута тщательными измерениями. В этом случае наличие ненаблюдаемой частицы привело бы к нарушению закона сохранения энергии. Вспомним, что именно этот решающий довод привел к рождению нейтрино в теории бетараспада. Отпали и надежды на то, что за К-мезон принимаются две различные частицы – четная и нечетная.
Два молодых китайских физика, Ли Дзун-дао и Янг Чжень-нин, работающие в США, в 1956 году высказали совершенно еретическое, при всей его простоте, соображение. Они заявили, что закон сохранения четности не является всеобщим. Он, пояснили Ли и Янг, установлен на основании множества экспериментов, но все они относятся к макромиру, или к взаимодействиям между тяжелыми частицами и античастицами, или же к процессам, в которых участвуют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц. Но есть процессы другого типа – самопроизвольный распад частиц. Все частицы, за исключением фотонов, нейтрино, электронов и протонов, распадаются за время, меньшее чем миллионная доля секунды (кроме нейтрона, который может жить вне ядра целых 1160 секунд).
Ли и Янг обратили внимание на то, что не существует ни одного опыта, говорящего о применимости закона четности к таким распадам. Физики были так убеждены в справедливости закона четности, что не считали нужным специально проверять его в этой области явлений. А ведь здесь все определяется самыми слабыми из известных в микромире сил взаимодействия. Сил, которые в десять миллиардов раз слабее электромагнитных и еще в сто раз слабее тех, которые связывают между собой ядерные частицы. Слабее их только гравитационные взаимодействия, проявляющиеся в макромире в виде сил тяжести.
Ли и Янг указали на то, что загадочный распад К-мезонов можно непринужденно объяснить, если не настаивать на том, что в этом процессе четность должна сохраняться. Но их заслуга состоит не только в «отрицательной» работе. Они не только усомнились и предложили еще одно объяснение непонятного опыта. Они пошли дальше и предложили целый ряд опытов, которые могут решить вопрос, универсален ли закон сохранения четности.
В том же 1956 году один из предложенных опытов был выполнен их соотечественницей Ву Цзянь-сюн, тоже работавшей в США. Эксперимент показал, что существуют только «левые» нейтрино. «Правых» нейтрино в природе нет. К концу этого года закон сохранения четности был вычеркнут из числа универсальных основных законов природы.
Оказалось, что при слабых взаимодействиях природа выступает перед нами как левша, а во всех остальных она одинаково хорошо владеет обеими руками.
Одна сторона этой истории оказалась обидной для многих физиков. Все необходимые данные для опровержения универсальности закона сохранения четности были зафиксированы на всех фотопластинках, на которых с 1946 года фиксировались распады пи-мезонов.
Многие смотрели на эти пластинки... (Недаром один маститый физик, подходя к экрану осциллографа, всегда спрашивал: «Что я должен здесь увидеть?») Никто не догадался, что стоит лишь подсчитать, сколько мю-мезонов при этом вылетает вперед и сколько назад, как возник бы вопрос о сохранении четности. А ведь главное – задать правильный вопрос. Найти ответ на правильно поставленный вопрос уже не так трудно.
Все смотревшие на эти пластинки видели на них только то, что они искали. И Нобелевская премия досталась Ли и Янгу.
Слабый левша
Но не только экспериментаторы были потрясены. Физик-теоретик А. Салам, сыгравший важную роль в дальнейшем развитии этой истории, приводит два замечательных отрывка из писем одного из крупнейших теоретиков, Паули, писавшего 17 января 1957 года: «Я НЕ верю («Не» жирно подчеркнуто Паули) в то, что Бог – слабый левша, и я готов держать пари на крупную сумму за то, что эксперименты дадут результаты, соответствующие наличию симметрии». Через десять дней он писал: «Теперь, когда первое потрясение уже миновало, я начинаю приходить в себя. Действительно, все было весьма драматично. Во вторник 21-го числа в 8 часов вечера я предполагал прочитать лекцию о нейтринной теории. В 5 часов вечера я получил три экспериментальные работы. Я был потрясен не тем, что Бог предпочитает левую руку, сколько тем, что он сохраняет симметрию между правым и левым, когда он проявляет себя сильным».
Когда физик поминает бога, он, несомненно, выбит из колеи.
Любопытно в этой истории и то, что в первой работе Ферми, посвященной теории бета-распада и нейтрино, в 1934 году были написаны почти те же уравнения, которыми пользуются и сейчас. Но практически, все последующие теоретические работы, вплоть до 1957 года, обсуждавшие взаимодействия, приводящие к бета-распаду, оказались неверными. Ошибочными были и многие экспериментальные работы, посвященные этому вопросу.
Впоследствии было обнаружено, что уравнения, ликвидирующие симметрию между правым и левым, были получены еще в 1929 году Вейлем! Но они остались непризнанными.
Вскоре, совершенно независимо, Л. Ландау и А. Салам, а чуть позже Ли и Янг создали новую теорию нейтрино и привели теорию бета-распада в современное состояние. В физику вошло новое квантовое число – спиральность, показывающее, является ли частица правой или левой.
Теперь мы можем ответить на вопрос Эддингтона. Чтобы объяснить, что такое правое и левое, мы можем сообщить, что правые нейтрино – это те, которые рождаются при распаде нейтронов, а левые – при распаде протонов.
В 1957 году нервы физиков подверглись новым испытаниям. Опыты Аллена и его сотрудников, изучавших превращение одного из изотопов хлора в аргон с рождением позитрона, не могли согласоваться с новой теорией бета-распада. Растерянность, вызванная этими опытами, и уверенность в справедливости теории бета-распада были столь велики, что возникли предположения о том, что обычный электронный бета-распад и позитронный распад подчиняются различным законам.
Теоретики после мучительных усилий заявили, что этого не может быть, а тщательная проверка показала, что ошибочны старые, казавшиеся безупречными опыты с распадом тяжелого изотопа гелия, результаты которых были использованы при обработке опытов Аллена. Новые исследования распада гелия привели к соответствию опытов Аллена с теорией.
Единственное, что еще смущало физиков, было то, что никому не удавалось наблюдать распад пи-мезона на электрон и нейтрино, который в соответствии с теорией должен был бы существовать. Однако уверенность одних недолго балансировала с сомнениями других. В сентябре 1958 года физики узнали о том, что такие распады действительно существуют.
Круг, начатый революционной гипотезой Ли и Янга, замкнулся, но утрата симметрии мира продолжала волновать ученых.
Напряженные размышления привели Ландау к мысли о том, что мир все же симметричен, но его симметрия имеет более глубокий характер, чем простое зеркальное отражение. Он обнаружил, что во всех распадах элементарных частиц замена левого на правый и наоборот сопровождается изменениями знака электрического заряда. Видимая несимметрия объясняется тем, что по неизвестным еще причинам в нашем мире протоны положительны, а электроны отрицательны. В антимире, состоящем из антипротонов и позитронов, все должно идти наоборот.
Теория Ландау сводится к тому, что в реальном мире сохраняется комбинированная четность. Это значит, что обычное зеркальное отражение сопровождается «отражением» заряда. Ведь уже давно известно, что электрон «видит» свое отражение в зеркале в виде позитрона и наоборот.
Все это приводит к заключению, что левое в нашем мире совпадает с правым в антимире, если такой действительно существует.
Можно сказать, что если бы в мире не существовало электрических зарядов, он был бы симметричен относительно обоих направлений вращения. В таком «беззарядном» мире невозможно было бы отличить правое от левого, как невозможно отличить политику английских консерваторов от политики лейбористов, хотя первые сидят в правой, а вторые в левой части палаты общин.
Реальный мир из-за наличия заряженных частиц обладает более сложной комбинированной четностью, связывающей знаки зарядов и направления вращения. Причина существования этой связи еще неясна.
Результаты, совпадающие с результатами Ландау, получили также Ли и Янг.
Опыты по проверке справедливости закона сохранения комбинированной четности очень сложны. Но уже в 1958 году, правда с небольшой точностью, он подтвердился в опытах Кларка и других, с распадом поляризованных нейтронов. Подтверждается он и отрицательным результатом некоторых опытов, которые должны иметь отрицательный результат, если сохранение комбинированной четности действительно есть закон природы.
Дружная семья физиков не долго жила в покое. Теоретики Ли и Янг и японский физик Нишижима вновь вызвали бурю, указав, что для обеспечения сохранения энергии при распадах мюонов могут понадобиться новые нейтрино. Были проведены оценки, показывающие, что нейтрино и антинейтрино, рождающиеся при бета-распаде, не участвуют в распадах мюонов.
На страницы физических журналов потоком хлынули сообщения о новых нейтрино. Чтобы отличить их от старых, пришлось назвать их мюонными нейтрино, добавив к названию крестниц Ферми слово «электронные».
Совсем недавно различие этих частиц было подтверждено экспериментально.
Поток частиц
Итак, четность, казавшаяся одним из универсальных законов природы, была низведена в низший ранг. Закон сохранения четности оказался имеющим ограниченную силу. Он не властен над слабыми взаимодействиями.
Крушение закона сохранения четности произошло в результате открытия новых частиц. Оно явилось следствием более углубленного изучения свойств сил, действующих между этими частицами.