Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Каждый из этих людей внес в физику значительный вклад в различных областях, но прославившее их сотрудничество началось со странного экспериментального результата, опять же связанного с наблюдением космических лучей.

В том же году, когда Янг покинул Чикагский университет и начал работать в Институте перспективных исследований, первооткрыватель пиона Сесил Пауэлл обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу, которую назвал тау-мезоном. Эта частица, согласно наблюдениям, распадалась на три пиона. Вскоре после этого была обнаружена еще одна частица, получившая название тета-мезона; она распадалась на два пиона. Как ни удивительно, выяснилось, что эта частица имеет в точности такую же массу и точно такое же время жизни, что и тау-мезон.

Возможно, это не покажется вам таким уж странным. Может быть, это одна и та же частица, просто ученые наблюдали два разных варианта ее распада? Не забывайте, что в квантовой механике все, что не запрещено, может произойти, и поскольку новая частица достаточно массивна, чтобы распадаться хоть на два, хоть на три пиона, – а слабое взаимодействие допускает оба варианта, – то и другое должно время от времени происходить.

Но, по здравому смыслу, слабое взаимодействие не должно было бы разрешать оба варианта распада.

Подумайте, к примеру, на мгновение о своих руках. Ваша левая рука отличается от правой. Никакой простой физический процесс, за исключением прохода сквозь зеркало и попадания в зазеркалье, не способен превратить левую руку в правую и наоборот. Никакая последовательность движений – подъем или опускание рук, поворот вокруг оси или подпрыгивание на месте – не сможет превратить одно в другое.

Силы, определяющие наш опыт, – электромагнетизм и гравитация – не различают право и лево. Никакой процесс, управляемый одним из этих двух типов взаимодействия, не может превратить нечто в его же зеркальное отражение. Так, невозможно превратить вашу правую руку в левую, просто направляя на нее свет.

Иными словами, если я направлю луч света на вашу правую руку и взгляну на нее издалека, интенсивность отраженного света будет точно такой же, какой была бы, если бы я проделал то же самое с вашей левой рукой. Свету, когда он отражается от объекта, нет дела до левого и правого.

Вообще, определение левого и правого введено нами по соглашению. Завтра мы можем решить, что левое – это правое и наоборот, и ничего не изменится, кроме наших ярлычков. Я пишу этот текст в самолете, в салоне эконом-класса, и человек в кресле справа от меня, вполне возможно, сильно отличается от человека слева, но опять же это всего лишь стечение случайных обстоятельств. Не думаю, что законы природы, которым подчиняется полет этого самолета, по-разному действуют на правое его крыло и на левое.

А теперь задумаемся, как все это выглядит в субатомном мире. Энрико Ферми, как мы помним, выяснил, что по правилам квантовой механики математическое поведение групп или пар элементарных частиц зависит от того, обладают ли они полуцелым спином, то есть являются ли фермионами. Поведение групп фермионов резко отличается от поведения таких частиц, как фотоны, у которых спин имеет значение 1 (или любое другое целое значение, к примеру 0, 1, 2, 3 и т. д.). Математическая «волновая функция», описывающая пару фермионов к примеру, антисимметрична, тогда как аналогичная функция, описывающая пару фотонов, симметрична. Это означает, что, если поменять частицы местами, волновая функция, описывающая фермионы, поменяет знак. Но для таких частиц, как фотоны, волновая функция при такой замене останется прежней.

Поменять две частицы местами – то же самое, что отразить их в зеркале. Та, что была слева, теперь будет находиться справа, и наоборот. Таким образом, существует тесная связь между такой заменой и тем, что физики называют четностью и что является совокупной характеристикой подвергаемой отражению системы (то есть системы, в которой право и лево меняются местами).

Если некая элементарная частица распадается на две другие частицы, то волновая функция, описывающая «четность» конечного состояния (то есть сообщающая, поменяет ли волновая функция знак при замене правых частиц на левые и наоборот), позволяет нам присвоить исходной частице некую величину, которую мы тоже назовем четностью. И если сила в квантовой механике, управляющая распадом, игнорирует различие между правым и левым, то и сам распад не изменит четности квантового состояния системы.

Если же волновая функция системы антисимметрична в отношении обмена частиц после распада, то система имеет «отрицательную» четность. В этом случае волновая функция, описывающая начальное квантовое состояние распадающейся частицы, тоже должна обладать отрицательной четностью (то есть менять знак при обмене правого и левого).

Так вот, пионы – частицы, существование которых предположил Юкава, а открыл Пауэлл, – имеют отрицательную четность, так что волновая функция, описывающая квантовое состояние их зеркального отражения, должна иметь другой знак по сравнению с первоначальной волновой функцией. Различие между положительной и отрицательной четностью – это как различие между чудесным круглым мячом, который в зеркале выглядит точно так же, как без него, и потому характеризуется положительной четностью, и, скажем, вашей рукой, которая при отражении в зеркале меняет вид, превращаясь из правой в левую, и потому, можно сказать, характеризуется отрицательной четностью.

Из-за этих несколько абстрактных соображений наблюдаемые данные, связанные с распадом новых, открытых Пауэллом частиц, поставили физиков в тупик. Поскольку четность пиона отрицательна, четность пары пионов должна быть положительной, поскольку (–1) 2= 1. Однако система из трех пионов, по тем же соображениям, будет иметь отрицательную четность, так как (–1) 3= –1. Таким образом, если при распаде частицы четность не меняется, одна и та же частица не может распадаться до двух разных конечных состояний с разной четностью.

Если бы сила, ответственная за распад, вела себя так же, как вели себя в те времена все остальные известные силы, такие как электромагнетизм или гравитация, то она игнорировала бы четность (не различала бы правое и левое) и потому не меняла бы в процессе распада первоначальную четность системы – точно так же, как свет, направленный на вашу правую руку, не сделает ее похожей на левую.

Поскольку представлялось невозможным, чтобы некий тип частиц распадался иногда на два, а иногда на три пиона, решение казалось простым. Требуется не одна, а две новые элементарные частицы с противоположными характеристиками четности. Пауэлл окрестил их тау-частицей и тета-частицей; одна из них распадалась на два пиона, другая – на три.