Глядя на эти диаграммы, невольно думаешь: а не являются ли античастицы действительно зеркальными изображениями реальных частиц? В самом деле, единственная разница между правой и левой частицами на каждом рисунке, кроме зеркальной сопряженности их структур, состоит в том, что одна из них заряжена положительно, а другая — отрицательно. Не связано ли (пока неизвестно, как именно) различие между положительным и отрицательным зарядами с какой-либо асимметрией пространственной структуры самой частицы? Не выявят ли будущие исследования структуры электрона (о которой мы, как говорил Теллер, не имеем «все еще» никаких сведений) пространственную асимметрию? Ведь установили же исследования химиков в прошлом столетии, что «оптические изомеры» Пастера являются зеркальными отображениями друг друга! Вспомним, как коллеги Вант Гоффа презрительно отзывались о его работах в этом направлении, как о «жалких спекулятивных рассуждениях».
Пастер и Вант Гофф обладали глубокой интуицией и той вдумчивостью, которая сродни проницательности Канта, усомнившегося в идеальности своего слуха. Как могут быть два предмета совершенно одинаковыми во всех отношениях и вместе с тем в чем-то различаться? Именно почему электрон и позитрон совершенно подобны и все же различаются знаком заряда? Рассматривая приведенные выше диаграммы, можно дать такой ответ: они действительно одинаковы и все-таки «что-то не так».
Даже после открытия античастиц физики не принимали всерьез гипотезу о том, что античастицы могут действительно быть зеркальным отображением некой неизвестной асимметричной структуры. Причина такого скептицизма проста: если бы в строении частиц существовала некая пространственная асимметрия, то она, безусловно, проявлялась бы в том, что четность каким-нибудь способом нарушалась. Иначе говоря, тогда можно было бы осуществить эксперимент, в котором асимметрия частиц приводила бы к какому-то измеримому (а не символическому или схематическому) асимметричному пространственному распределению, то есть существовало бы измеримое различие правого и левого. Таких экспериментов тогда не существовало. Четность всегда сохранялась.
Затем в промежутке между 1954 и 1956 годами создалась любопытная ситуация с двумя частицами, называвшимися в то время тета-мезон и тау-мезон. Занимательную историю о том, как эта «загадка тета-тау» привела к падению закона сохранения четности, мы узнаем в следующей главе.
Глава 22. Ниспровержение четности
Как известно каждому в наше время, в основе всех процессов, происходящих во Вселенной, лежат четыре основных типа сил (физики предпочитают термин «взаимодействие», но мы можем употребить здесь более привычный термин «силы»):
1) ядерные силы;
2) электромагнитные силы;
3) силы слабых взаимодействий;
4) гравитационные силы.
В этом перечне силы расположены по убыванию своей величины. Самые мощные — ядерные силы — удерживают вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Они обеспечивают так называемую энергию связи ядра. Электромагнетизм — это та сила, которая удерживает электроны возле ядра, связывает атомы в молекулы, образует из молекул жидкости и твердые тела. Тяготение, как хорошо известно, есть та сила, с которой две любые массы притягиваются друг к другу. Именно они обеспечивают существование таких больших масс, как наша планета. Гравитационные силы настолько слабы, что их крайне трудно измерить, пока величины взаимодействующих масс не станут очень большими. На уровне элементарных частиц влияние этих сил пренебрежимо мало.
Оставшаяся категория сил — силы слабого взаимодействия — наименее известна. Они проявляются в некоторых процессах с участием элементарных частиц (например, в бета-распаде, при котором радиоактивное ядро «выстреливает» электрон или позитрон), где реакция протекает гораздо медленнее, чем если бы ею управляли ядерные или электромагнитные силы. Для объяснения столь малой скорости процесса и пришлось предложить существование сил, более слабых, чем электромагнитные, но превосходящих крайне слабые силы гравитации.
«Проблема тета-тау», над которой физики ломали головы в 1956 году, возникла в связи со слабыми взаимодействиями, в которых участвовала «странная частица», называемая K-мезоном. («Странные частицы» — это класс недавно обнаруженных частиц, получивших свое название из-за того, что они, казалось, никак не укладывались в систему остальных известных к тому времени частиц.) Было похоже, что существуют два различных типа K-мезонов: один, названный тета-мезоном, распадается на два пи-мезона; другой, тау-мезон, — на три пи-мезона. Вместе с тем никакого различия между двумя типами K-мезонов установить не удавалось. Они имели совершенно одинаковые массу, заряд и время жизни. Физикам хотелось сказать, что имеется лишь один тип K-мезонов; иногда он распадается на два, а иногда — на три пи-мезона. Так почему же они не решились заявить об этом? Да потому, что это бы означало, что четность не сохраняется. Тета-мезон имеет положительную четность. Пи-мезон — отрицательную. Полная четность двух пи-мезонов положительная, так что при распаде тета-мезона четность сохраняется. Но три пи-мезона уже имеют общую отрицательную четность[50].
50
В обоих распадах у всех пи-мезонов момент количества движения равен нулю (иначе он вносил бы свой вклад в четность). —