Мартин Гарднер - Этот правый, левый мир

Эта «двухкомпонентная» теория нейтрино, как ее стали называть, была в 1957 году независимо предложена несколькими физиками-теоретиками: Ли и Яном, Абусом Саламом из Пакистана и советским ученым Львом Давидовичем Ландау. Имеются многочисленные свидетельства того, что эта теория в своей существенной части верна. В бета-распаде при испускании электронов вместе с ними испускаются антинейтрино, вращение которых, если смотреть «из ядра», происходит по часовой стрелке, то есть они закручиваются около своих траекторий по правым спиралям. Напротив, при распаде антинейтрино в процессе анти-бета-распада вылетающие позитроны сопровождаются нейтрино, описывающими левосторонние спирали (рис. 63). Так впервые в истории физики элементарных частиц было установлено наличие стабильной асимметрической структуры частицы (структура нейтрино — это просто определенный вид связи между спином и направлением движения). Нейтрино и антинейтрино — первые из известных нам на уровне элементарных частиц аналоги право- и левосторонних молекул Пастера!

В 1957 году несколько физиков, в их числе Ли и Ян, развили теорию еще дальше [57]. Они предположили, что существуют два типа пар нейтрино — антинейтрино: одна связана с распадами, при которых испускаются электроны, а другая — с распадами, в которых участвуют мю-мезоны. Их предположение получило подтверждение в эксперименте группы физиков из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории, работавших на самом большом в мире (тогда) [58]синхротроне с жесткой фокусировкой в Брукхейвене (Яфанг, Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк).

Нейтрино нового типа и их античастицы сопровождают пионный распад с образованием мю-мезонов [59], Пока не ясно, что означает это замечательное открытие с точки зрения структуры нейтрино. Возможно, нейтрино обоих типов вращаются в одну сторону, а их античастицы — в другую; а может быть, нейтрино каждою типа вращается так, как антинейтрино другого типа. Это еще предстоит установить. Газета «Нью-Йорк таймс» в номере от 1 июля 1962 года приводит слова одного физика: «Это можно сравнить с тем, как если бы мы открыли два вида вакуума!»

Когда электрон сталкивается с позитроном, массы двух частиц исчезают во вспышке излучения. В гл. 21 мы видели, как Дирак в свое время объяснил это явление (так же как и обратное ему «рождение» электрон-позитронной пары) в рамках «дырочной» теории. Частица, вырванная из плотного континуума, оставляет на своем прежнем месте «дырку», которая и является ее античастицей. Если частица вновь попадает в «дырку», пара частиц исчезает. Сравнительно недавно (в майском номере журнала «Сайентифик Америкен» за 1963 год; см. также «Над чем думают физики», вып. 3, стр. 122—139) в блестящей статье «Эволюция физической картины природы» Дирак предложил несколько иную версию. Он сравнил электрон и позитрон с двумя концами электромагнитной силовой линии. Направление этой линии служит для различения ее концов. Столкновению позитрона с электроном соответствует соединение полюсового конца одной линии с минусовым концом другой. Концы линии (электрон и позитрон) исчезают, остается лишь сама силовая линия. Сходным образом при разрыве силовой линии происходит образование положительного и отрицательного концов (рождение пары).

Такого рода картины не следует, конечно, понимать буквально; они только вызывают к жизни новые теоретические представления, которые должны быть затем математически разработаны и проверены экспериментально. Они являются попыткой осмысления природы электрического заряда — величайшей загадки современной квантовой теории. В самом деле, никто не может толком объяснить, что отличает положительный заряд от отрицательного, почему заряд всегда кратен элементарному кванту, почему сила единицы положительного электричества в точности равна силе единицы отрицательного заряда и т. д. Все эти проблемы, по-видимому, как-то связаны с рождением и аннигиляцией пары частица — античастица.

Возможен ли механизм, способный объяснить существование положительного и отрицательного зарядов в терминах правой и левой ориентации? Оказывается, да, и не один. Довольно легко предложить много простых механизмов такого рода. Несколько лет назад я прочел в газете, что в Лондоне предложено построить мост через Ла-Манш, который связал бы Англию с Францией.

Так как в Англии движение левостороннее, а во Франции правостороннее, мне сразу же представилась картина, похожая на столкновение частиц с античастицами. В самом деле, автомобильное движение на таком мосту мгновенно закупорилось бы намертво! Еще лучшей моделью аннигиляции является встреча двух дымовых колец с противоположными вихревыми движениями. Кольцевые вихри погасят друг друга, и обо структуры распадутся.

Хорошую геометрическую картину образования и аннигиляции пар дает равносторонний треугольник. Это, конечно, симметричная фигура — она совпадает со своим зеркальным изображением. Разделите ее пополам перпендикуляром, опущенным из вершины (рис. 64), и вы станете свидетелем образования пары асимметричных прямоугольных треугольников, которые на плоскости никак не удается совместить друг с другом, если только один из них не перевернуть предварительно в трехмерном пространстве. Приложите эти два «антиориентированных» треугольника друг к другу. Пара треугольников «геометрически аннигилирует» с образованием исходного правильного треугольника.

Теперь представьте себе, что плоское двумерное пространство сплошь покрыто маленькими треугольниками; некоторые из них правильные, а остальные являются правыми и левыми частями этих правильных треугольников. Эта модель удивительно напоминает ситуацию с положительным и отрицательным зарядами во Вселенной. Закон сохранения заряда, отклонений от которого еще никто не наблюдал, утверждает, что полное количество заряда во Вселенной неизменно. В нашей модели это означает следующее. Пусть у нас было 1000 «нейтральных» равносторонних треугольников, 500 «отрицательных» (правых) и 200 «положительных» (левых) половинок таких треугольников. Правых половинок на 300 больше, чем левых. Мы можем разделить на половинки сколько угодно «нейтральных» треугольников или объединить сколько угодно правых и левых половинок, но, поскольку мы и создаем и уничтожаем одновременно пару треугольников противоположного знака, в любом случае правых половинок будет на 300 больше, чем левых. Полный заряд системы сохраняется.