Вера Черногорова - Загадки микромира

Во время работы физики обратили внимание, что очень редко — один раз на 500 обычных распадов — долгоживущие каоны нарушали запрет, наложенный принципом CP-симметрии, и распадались на два пи-мезона. По законам делать это они «не имели права». Американские же физики обнаружили именно такие случаи распада. Значит, не работает также и «CP-зеркало»?

И опять всплывает неэквивалентность между правым и левым, которую уже не объяснишь различием между частицами и античастицами.

Ученые реагировали на это открытие по-разному. Скептики напирали на ошибку в измерениях или обработке результатов. Другие ссылались на то, что эксперимент проводился не в вакууме, а в воздухе, а на последнем этапе мезоны проходили еще и через баллон с гелием. Встреча же с любым веществом криминальна для нейтрального каона: сталкиваясь с веществом, каоновые «коктейли» так сильно встряхиваются, что долгоживущая смесь частиц и античастиц превращается в короткоживущую и потом уже законным путем распадается на два пи-мезона.

Обвинение было серьезным, началась тщательная проверка. Экспериментаторы из Принстона поставили специальный контрольный опыт, который показал, что подобные превращения долгоживущих ка-мезонов происходят в 10 6раз реже, чем зафиксированные раньше запретные распады.

Прошло еще немного времени, и измерения, сделанные в разных группах с помощью совершенно иной экспериментальной методики, подтвердили этот факт. Последние сомневающиеся вынуждены были согласиться с достоверностью обнаруженного явления.

Странное открытие снова возвращало ученых к «разбитому корыту», к непониманию того, почему однородное пространство не обладает зеркальной симметрией в слабых взаимодействиях. Надо было действовать. И ученые, как следователи, раскрывающие преступление, стали искать среди «граждан» микромира других лиц, ведущих себя так же, как нейтральные ка-мезоны.

Скрупулезной проверке подверглись распады гиперонов и мезонов, распады ядер и ядерные реакции. Но нигде, ни в одном явлении нарушения принципа CP-симметрии обнаружить не удалось. Нейтральные ка-мезоны действовали в одиночку.

В этом отношении ситуация резко отличалась от той, которая была при открытии нарушения зеркальной симметрии. Тогда опыты с положительно заряженными ка-мезонами послужили сигналом к поднятию занавеса, за которым обнаружилась большая группа участников «заговора» против закона сохранения четности. Это были процессы, идущие при слабом взаимодействии элементарных частиц.

Но теперь за занавесом оказался всего один-единственный актер — долгоживущий нейтральный ка-мезон, который не подчинялся режиссерским указаниям CP-симметрии. А слабые взаимодействия если и были повинны, то лишь в «приготовлении» самих ка-мезонных «коктейлей» из смеси частиц и античастиц.

Как же относиться к этой индивидуальности единственного гражданина микромира? Может быть, юмористически? Может быть, прав академик И. Тамм, который полагал, что история долгоживущего ка-мезона напоминает известную историю, связанную с нейтрино и законом сохранения энергии? И что в конечном счете CP-симметрия окажется незыблемой?

Но физикам не до смеха, и не из-за отсутствия чувства юмора. Время идет, а «номер» иллюзиониста — ка-мезона все еще не разоблачен. А намекает он на очень многое. Помните, как не смешно было чеховской Наденьке, которая никак не могла понять: то ли ветер свистит в ее ушах, то ли сосед в санках шепчет ей о любви. А что нашептывает ка-ноль-мезон?

Спасая фундаментальный принцип симметрии пространства, физики для начала обвинили во всем внешние дальнодействующие силы, источниками которых могли быть Земля, Солнце или Галактика. Но эксперименты противоречили этой гипотезе, и от нее пришлось отказаться.

Есть и другая мысль, которая сейчас проверяется. А что, если необычный распад нейтрального каона вызывается гипотетическим сверхслабым взаимодействием?

Так или иначе, но вопрос: почему долгоживущие ка-мезоны распадаются на два пи-мезона — остается кардинальнейшим вопросом современной физики.

«Сущность этого явления непонятна, — говорит член-корреспондент АН СССР Ф. Шапиро. — Но это такое радикальное изменение наших взглядов, что когда-нибудь, я думаю, отсюда проистекут далеко идущие последствия для всего здания физики».

«Странные» положительно заряженные ка-мезоны первыми сыграли сигнал опасности для фундаментального принципа симметрии пространства. Эту опасность удалось ослабить, приняв «ультиматум» слабых взаимодействий — заменять частицы античастицами при зеркальном отражении.

Нарушение то пространственной, то зарядной симметрии в слабых взаимодействиях болезненно воспринималось физиками. Но одновременное нарушение и C- и P-симметрии затрагивало уже самые основы современной физики.

Любое уравнение квантовой механики симметрично не только относительно изменения знака у всех координат (P-симметрия) или к замене частиц на античастицы (C-симметрия), но и к изменению направления времени. То есть к «обращению во времени».

Эта временнáя, или, как ее обозначают, T-симметрия утверждает «вечную молодость» процессов микромира. T-симметрия означает отсутствие «стрелы времени», как поэтически говорят о направленности времени в макромире. К миру элементарных частиц неприменимо понятие «старение». Есть только равноправные друг другу прямое и обратное направления процесса.

Нам пришлось вспомнить об этом потому, что в основе современной квантовой теории элементарных частиц лежит теорема CPT. Смысл ее в том, что все процессы должны одновременно подчиняться принципу пространственной — P-, зарядовой — C- и временной — T-симметрии. Другими словами, любое явление в микромире, если его отразить в зеркале, частицы в нем заменить на античастицы, а конечное состояние заменить начальным, то есть изменить направление времени, должно превратиться в явление, тоже реально существующее в природе.

До экспериментов с ка-мезонами никто не сомневался, что все три типа симметрии как вместе, так и по отдельности — это строгие законы природы. Но первые два уже утеряли свою универсальность. Чем это грозит?

Если нарушается CP-симметрия, а T-симметрия остается, то рушится вся теорема CPT. Она, эта общая CPT-симметрия, может остаться в силе лишь в том случае, если нарушаются одновременно CP- и T-симметрии.

Так, лишившись двух фундаментальных законов, физики «добровольно» отказываются от третьего. Более того, они стараются доказать его нарушение, чтобы спасти основы теории. Имеет ли время власть над микромиром?