Вера Черногорова - Загадки микромира

Физики в прошлом уже знали, что зеркальное отражение координат, когда их знаки заменялись противоположными, а левое и правое менялось местами, микромира не касалось. Реальные процессы в микромире обладали пространственной, или, как ее называют, P-симметрией. Казалось твердо установленным, что природа не знает, где у нее «право», а где «лево».

Но вот обнаружились новые типы распадов ка-плюс-мезонов. И это заставило физиков призадуматься. Признание того, что одна и та же частица в одних и тех же условиях распадается так, как будто у нее меняется четность, заставляло предполагать, что причиной этого являлось нарушение закона сохранения пространственной четности. Но об этом нарушении, связанном с принципом зеркальной симметрии, вытекающим, в свою очередь, из однородности пространства, было даже страшно подумать!

Поэтому физики решили считать, что существует не один сорт ка-плюс-мезонов, распадающихся двумя способами, а два с противоположной четностью, которые и распадались по-разному. Их назвали тета-мезоны и тау-мезоны.

Казалось, инцидент был исчерпан, но это не принесло спокойствия ни теоретикам, ни экспериментаторам. Ученые привыкли докапываться до самой сути, не оставляя неясностей и недомолвок. А здесь было и то и другое.

Никто не понимал, почему неразличимые экспериментально, с одинаковой массой и временем жизни тау- и тета-мезоны распадались по-разному? Может быть, это все-таки была одна и та же частица? Но тогда рушилось убеждение в незыблемости фундаментальных принципов симметрии.

«Положение, в котором очутились физики в то время, — вспоминал один из ученых, — подобно положению человека, нащупывающего выход из темной комнаты; он знает, что где-то должна быть дверь, ведущая наружу, но в каком направлении эта дверь?»

Выбраться «наружу» удалось только в 1956 году. Первыми «отыскали дверь» американские физики Ли Цзун-дао и Янг Чжень-ним. Но выбрались они через эту дверь, как всем казалось, самым неподходящим способом. Они «стерли» слова «тета» и «тау» и заявили, что существует все же только один сорт ка-мезонов — с положительным электрическим зарядом.

Это было необыкновенно смелое заявление. Два американских физика подвергли тем самым сомнению незыблемый доныне закон сохранения пространственной четности. Новая гипотеза дерзко провозглашала, что в распаде ка-мезона при слабом взаимодействии нарушалась зеркальная симметрия пространства!

Так, значит, пространство неоднородно?! В это невозможно было поверить. Ведь все другие эксперименты подтверждали строгое выполнение закона сохранения четности и в атомных явлениях, и в сильных взаимодействиях между частицами!

Ли и Янг первыми поняли, что все проверки принципа зеркальной симметрии «могут не иметь цены в этой не исследованной еще области исчезающе слабых взаимодействий».

Раскрытию существования в природе слабого взаимодействия, которое в сто миллиардов раз слабее электромагнитного, «уже сопутствовало временное сомнение в справедливости закона сохранения энергии». Помните, при каких обстоятельствах было провозглашено и открыто нейтрино? Теперь же слабое взаимодействие покушалось еще на один фундаментальный принцип природы.

Известный физик-теоретик Ф. Дайсон вспоминал, что он «прочел статью Янга и Ли еще в рукописи дважды и сказал: „Это очень интересно“, или еще какие-то слова в этом роде. Но у меня не хватило воображения воскликнуть: „Бог ты мой, да ведь если это правда, то это открывает целую новую область в физике!“ И я думаю, что все остальные физики, за очень небольшими исключениями, были в то время так же лишены воображения на этот счет, как и я».

Даже гипотеза, не вызывающая возражений, буквально витающая в воздухе, и та не получает права гражданства, пока не подтвердится на опыте. А что уж говорить об этой принятой в штыки идее.

Все должен был решить эксперимент, в котором прямо бы проверялась зеркальная симметрия пространства.

Многие уверены, что в зеркале они видят своего двойника. Но если присмотреться к нему повнимательней, то нетрудно заметить, как сильно он отличается от оригинала. У зеркального отображения приподнят правый угол рта, а не левый, да и нос у него смотрит в другую сторону. Левое и правое поменялись местами: сердце у человека из Зазеркалья находится справа, а селезенка — слева.

Человек несимметричный объект. Он не обладает пространственной симметрией и поэтому никогда не встретит в сказочной стране Зазеркалья полностью идентичного себе двойника.

А в мире элементарных частиц, как казалось физикам, все процессы совпадают со своими зеркальными двойниками.

Теперь же, после появления гипотезы Ли и Янга, предстояло устроить «очную ставку» процессу радиоактивного бета-распада ядер (оригинал) с его зеркальным изображением. Процесс распада ка-плюс-мезонов был неудобен для такой проверки из-за их малого времени жизни — 10 –10секунды.

Для получения и изучения ка-мезонов понадобились сверхмощный ускоритель и огромные приборы для регистрации ядерных процессов. При участии этой впечатляющей техники и возникла знаменитая загадка «тета-тау».

Разгадка этой тайны была найдена в простом, очень тонком, как говорят физики — настольном, то есть поставленном в лаборатории, вдали от ускорителя, эксперименте. Выбор пал на радиоактивный изотоп химического элемента кобальта. Он хорошо известен тем, что дал название медицинскому прибору — кобальтовой пушке.

Давно известно, что в результате слабого взаимодействия в ядрах кобальта при его бета-распаде нейтроны самопроизвольно превращаются в протоны и одновременно вылетают из ядра электроны и нейтрино, а вслед за ними — гамма-кванты, те самые, которые используются для лечения больных. При этом электроны вылетают преимущественно вдоль оси магнитного момента ядра. До 1956 года все физики считали оба направления вдоль оси равноправными — и прямое и обратное; ведь пространство-то однородно! Сколько электронов вылетает вправо, столько же и влево. То есть они считали, что процесс бета-распада ядра кобальта зеркально симметричен. После опытов с ка-мезонами зародилось в этом сомнение. Все надо было проверить на опыте. Но эксперимент можно было поставить лишь в том случае, если бы удалось все ядра кобальта выстроить так, чтобы магнитные моменты их совпадали с направлением внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой. Тогда оставалось бы только сравнивать число электронов, попадающих в счетчик при одном направлении внешнего поля, с числом электронов при противоположном направлении поля. Это была бы, по сути дела, проверка существования зеркальной симметричности радиоактивного бета-распада кобальта.