Мартин Гарднер - Этот правый, левый мир

«Пока, — напоминает нам Теллер, — не было необходимости изучать внутреннюю структуру электрона». Может быть, в будущем, располагая мощными, нам сейчас неизвестными средствами, физики установят, что элементарные частицы отнюдь не элементарны?

Мы располагаем еще лишь смутными, недостоверными указаниями на это. Наиболее явный намек следует из недавнего открытия действительной спиральной асимметрии нейтрино.

История нейтрино заслуживает краткого изложения. Как уже говорилось, нейтроны (которые присутствуют во всех ядрах, за исключением водорода) — это частицы, имеющие магнитный момент, но не имеющие заряда. Масса нейтрона чуть больше массы протона. При бета-распаде радиоактивного ядра нейтрон распадается на протон и электрон. Однако суммарная масса протона и электрона меньше массы исходного нейтрона. Некоторая часть «потерянной» массы переходит в энергию в соответствии с известным соотношением Эйнштейна Е = mc 2. Даже если учесть это обстоятельство, для баланса все равно не хватает небольшого количества массы-энергии. Куда же она делась? В 1931 году Паули предположил, что она уносится некоторой частицей, существование которой нужно предположить для выполнения закона сохранения энергии. Когда Ферми разработал свою теорию слабых взаимодействий для объяснения медленного протекания бета-распада, он принял предположение Паули и весьма удачно назвал гипотетическую частицу «нейтрино», то есть «маленький нейтрон». Свойства нейтрино должны были быть такими, что его очень трудно зарегистрировать. Но тем не менее в 1956 году Фредерик Райнес и Клайд Коуэн младший в конце концов доказали существование нейтрино. В качестве источника этих частиц использовался огромный ядерный реактор Комиссии по атомной энергии на Саванна-Ривере, штат Джорджия.

Когда-то в одном цветном мультфильме звучала песенка с припевом: «Ты не более чем призрак, да и нет тебя вообще». О нейтрино лучше не скажешь. Считается, что масса покоя нейтрино равна нулю. Поэтому оно может двигаться в пространстве со скоростью света. Нет у нейтрино ни заряда, ни магнитного поля. Зато у него есть спин. Шутя физики говорят, что спин — это все, что осталось у нейтрино от частицы. Прямо-таки улыбка Чеширского кота! [55]

Поскольку нейтрино не испытывает ни притяжения, ни отталкивания в электрических и магнитных полях других частиц, оно может на своем пути в космическом пространстве пройти сквозь земной шар, как если бы его вовсе не было. Вероятность торможения нейтрино частицами земного шара оценивается в десятимиллиардных долях единицы. К счастью, вокруг нас так много нейтрино, что подобные столкновения действительно происходят; в противном случае эту частицу никогда не удалось бы обнаружить. Пока вы читали эту фразу, миллиарды нейтрино, пришедших от Солнца, звезд, а быть может, и из других галактик, пронизывали ваше тело.

Когда писалась эта книга, первооткрыватели нейтрино Коуэн и Райнес глубоко под землей продолжали свои работы над новыми нейтринными проектами. Поскольку мощный слой земли поглощает все другие частицы, приходящие из внешнего пространства, он используется как фильтр, пропускающий лишь нейтрино. Райнес работал в заброшенной соляной шахте на глубине 600 метров в горах Адирондак (штат Нью-Йорк), а Коуэн занимался изучением нейтрино в одной из пещер Голубого хребта (штат Мэриленд). В 1963 году Райнес собирался соорудить гигантскую ловушку нейтрино в глубине одной из золотопромышленных шахт возле Иоганнесбурга в Южной Африке [56]. Поскольку нейтрино, безусловно, должны образовываться при столкновениях материи с антиматерией, регистрация нейтрино позволит получать информацию о наличии антивещества в космосе.

Если принять, что нейтрино обладает спином и движется в направлении, совпадающем с осью вращения, то очевидно, что вращение может происходить в одном из двух возможных направлений. Предположим, что на поверхности этой частицы нарисована точка. (Ясно, что такого сорта рассуждения — весьма грубое приближение к тому, что может быть точно выражено лишь на языке математических формул; и все же такое грубое описание имеет некий смысл.) При движении частицы вперед со скоростью света точка описывает либо правовинтовую, либо левовинтовую спираль. При этом, говоря о винтовой ориентации спирали, мы подразумеваем наблюдателя, который или покоится, или движется со скоростью, меньшей скорости поступательного движения частицы. Если наблюдатель движется в том же направлении, но быстрее, чем наблюдаемая частица, то она имеет относительное движение от наблюдателя, а это приводит к изменению винтовой ориентации спирали (иными словами, меняется «спиральность» частицы) .

Чтобы понять, что это действительно так, представьте, что к вам приближается нейтрино с правой спиральностью. Вы смотрите ему в «лицо» и видите правовинтовую спираль. Нейтрино проходит сквозь вас и начинает удаляться. Вы оборачиваетесь, видите «спину» нейтрино и убеждаетесь, что его движение по-прежнему описывается правовинтовой спиралью. Теперь допустим, что вы движетесь в ту же сторону, что и правовинтовое нейтрино, но со скоростью, равной удвоенной скорости частицы. В вашей системе отсчета, которая ничуть не хуже любой другой (теория относительности отрицает существование «преимущественных» систем координат), нейтрино будет двигаться от вас и вы увидите левую спираль. То же самое будет, если вы станете догонять нейтрино. С точки зрения внешнего наблюдателя, например, в «системе неподвижных звезд» вы догоняете правовинтовое нейтрино, но с вашей точки зрения это выглядит как движение левовинтового нейтрино к вам.

Так, может быть, нейтрино в самом деле бывает либо правовинтовым, либо левовинтовым в зависимости от скорости движения наблюдателя? Оказывается, нет. Дело в том, что нейтрино, как и фотон, движется со скоростью света, а теория относительности не позволяет никакому наблюдателю двигаться со сверхсветовой скоростью. Поэтому наблюдатель всегда одинаково оценивает характер спиральности данного нейтрино, движется ли он от частицы или навстречу ей, и ему никогда не удастся найти систему координат, относительно которой нейтрино изменило бы направление своего вращения. Короче говоря, спиральность нейтрино одинакова для всех наблюдателей.

Мысль о том, что вращающаяся частица может постоянно находиться в одной из двух зеркально сопряженных винтовых форм, была еще в 1929 году высказана знаменитым немецким математиком Германом Вейлем. Для такой гипотезы Вейль совершенно не располагал какой бы то ни было экспериментальной информацией; просто он считал, что этим демонстрируется очень простая и математически изящная теория. Тогда никто не придал значения теории Вейля. Почему? Да потому, что она шла вразрез с законом сохранения четности, внося в природу необъяснимую асимметрию. Как только несохранение четности было установлено, теорию Вейля признали пророческой. Действительно, вскоре появились указания на то, что нейтрино имеет свою античастицу и что эти две частицы различаются именно так, как предполагал Вейль. (Вейль умер в 1955 году, за два года до возрождения своей теории.)