Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Другой гигантский детектор нейтрино, названный «Камиоканде», был создан в Японии группой исследователей во главе с Масатоси Косиба (р. 1926), главным образом, для проверки результатов Дэвиса. Им, к счастью, не пришлось ждать 30 лет: вдруг, 23 февраля 1987 г., во время вспышки сверхновой звезды, обозначаемой как SN 1987А, этот детектор смог зарегистрировать поток нейтрино, пришедший к Земле из соседней галактики — Большого Магелланова Облака.

Детектор «поймал» 12 нейтрино из 10 16(десять миллионов миллиардов), прошедших сквозь него. (Взрыв сверхновой звезды сравним по мощности излучения с излучением триллионов нормальных звезд, поэтому поток его нейтрино и мог быть зарегистрирован на таком расстоянии. Взрывы эти, однако, абсолютно непредсказуемы, и потому их можно долго и очень долго ждать…)

Результаты группы Косибо подтвердили справедливость теории взрыва на втором, после Солнца, объекте. Их наблюдения показали также некоторую асимметрию потоков нейтрино, непосредственно попадающих на детектор и прошедших через толщу Земли. А это как раз и означает возможность преобразования одного типа нейтрино в другие, т. е. возможность нарушения законов сохранения лептонных зарядов по отдельности. (В 2001 г. в нейтринной обсерватории Садбери сумели измерить интенсивность солнечных нейтринных потоков всех трех типов: их соотношения оказались иными, чем в момент излучения. Таким образом была показана возможность их взаимных переходов.)

Работы Дэвиса и Косибо привели к неожиданным открытиям и создали новое поле деятельности для астрономов — нейтринную астрофизику, а они оба удостоены Нобелевской премии за 2002 год.

Но история нейтрино отнюдь не исчерпывается проблемой его регистрации.

Мы уже говорили о замечательной теореме Эмми Нётер [39] См.: Перельман М. Е. От Аристотеля до Николы Теслы. Раздел II. Глава 5. , согласно которой неизменность системы при ее переносе как целого в пространстве, ее поворотах, сдвиге начала отсчета времени ведут к законам сохранения импульса, момента вращения и энергии. Но помимо таких непрерывных преобразований нужно рассмотреть и дискретные преобразования: отражение в зеркале (пространственная инверсия, обозначается символом Р), обращение времени (обозначается символом Т), зарядовое сопряжение, т. е. замена всех частиц на античастицы (обозначается символом С). Из очень общих соображений была установлена СРТ-теорема Людерса-Паули: если проделать все три операции над любой системой, то она должна вернуться в свое прежнее состояние.

Нарушение СРТ-инвариантности означало бы фактическое крушение основ современной физики, не менее значимое, чем, скажем, успешное построение вечного двигателя. Поэтому проверке этой теоремы всегда уделялось особое внимание.

Но еще раньше, до установления СРТ-теоремы в начале 1950-х гг. рассматривались по-отдельности симметрии относительности операций Р, С и Т. Например, симметрия относительно пространственной инверсии Р означает, что наряду с существованием некоторого образования может существовать и другое, получаемое при его зеркальном отображении. Так, еще Жан-Батист Био обнаружил в 1815 г., что существуют вещества, вращающие плоскость поляризации света только вправо или только влево. А Луи Пастер (1822–1895), основоположник современной микробиологии, открыл, что многие органические вещества могут существовать в двух зеркально противоположных конфигурациях — левой и правой. Эти разновидности он определил оптически — они вращают плоскость поляризации света в разные стороны (явление хиральности, от греческого «хир» — рука, как бы «разнорукость»), причем, например, наш организм усваивает только и только «левые» соединения.

Казалось естественным и соответствовало множеству наблюдений, что если из симметричной системы, например набора неорганических веществ, синтезировать органические молекулы, то в общем случае получится одинаковое количество левых и правых соединений: если первоначальное состояние было симметричным относительно зеркального отображения, оно таким и останется. И наоборот — для асимметричного синтеза нужно заранее заложить в процесс какую-то асимметрию.

Есть фантастический рассказ о том, как космонавты-земляне гибнут от голода на какой-то вновь открытой планете: она изобилует съедобными продуктами, но все они в правой конфигурации, не усваиваемой организмом. Причины такой хиральности органики на Земле до сих пор не выяснены.

При математическом описании процессов зеркальное отображение соответствует изменению знака пространственных координат. Поэтому симметричные состояния частиц называются четными — знак функции, которая их описывает, не меняется, а антисимметричные — нечетными. Отсюда Вигнер постулировал в 1932 г. закон сохранения четности: каждая частица имеет определенную четность, а четность их соединений определяется произведением четностей составных частей и моментом системы.

Обращение времени Т означает, что наряду с прямой реакцией может происходить и обратная: из перехода, например, А + В → С + D, следует возможность и обратного перехода: С + D→А + В (вероятности их различны, но связаны так называемой теоремой баланса).

Симметрия относительно зарядовой четности С означает, например, что если продукты распада частицы вылетают в одну сторону, то продукты распада античастицы вылетят в противоположную сторону.

Законы сохранения определенных четностей казались столь естественными, что как-то даже не поднимался вопрос о возможности их нарушения. И вдруг, в 1956 г. совершенно неожиданно появляется статья двух теоретиков, американцев китайского происхождения, Ли Чжендао (р. 1926) и Янг Чжэньнина (р. 1922): оказывается, ни один существующий эксперимент не доказывает, что в реакциях с участием нейтрино (они называются слабыми) пространственная четность сохраняется. А может быть, этот закон справедлив только для сильных и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых? И они предлагают ряд экспериментов для проверки такой гипотезы.

Статья эта вызвала в первый момент впечатление шутки или абсурда: под удар ставилась, казалось, самая основа физики. Но очень скоро, буквально через несколько месяцев, их компатриотка мадам Ву Цзин-сян (р. 1913) подтверждает гипотезу Ли и Янга: поставив эксперименты по бета-распаду строго ориентированных при низких температурах ядер кобальта и измеряя поляризацию электронов, она показала, что нейтрино бывают только лево-поляризоваными. Значит, их нельзя отразить в зеркале — поляризация должна при этом измениться на правую, но таких нейтрино не существует!