Виявляється, що закони тяжіння, закони електрики й магнетизму, закони ядерних сил — усе підкоряється принципу симетрії при відображенні, тож ні ці закони, ні все, що отримано з них, не може нам допомогти. Однак у природі було виявлено явище, яке може відбуватися з багатьма частинками, і зветься воно бета-розпадом, або слабким розпадом. Один із видів слабкого розпаду, пов'язаний із частинкою, відкритою 1954 р., загадав фізикам важку головоломку. Є така заряджена частинка, яка розпадається на три π-мезони, як це схематично показано на фіг. 52.5. Цю частинку тимчасово назвали τ-мезоном. На тому самому малюнку показано й іншу частинку, яка розпадається на два π-мезони. За законом збереження заряду один має бути нейтральним. Цю частинку назвали θ-мезоном. Отже, у нас є τ-мезон, що розпадається на три π-мезони, і є θ-мезон, що розпадається на два π-мезони. Незабаром, однак, з'ясувалося, що маси τ іθ майже рівні одна одній, точніше, в межах експериментальних похибок вони просто рівні. Крім того, де б вони не з'являлися, вони завжди народжуються в одній і тій самій пропорції, скажімо 14% τ-частинок і 86% θ-частинок.
Зображення
Хто здогадливіший, той одразу зрозуміє, що тут ми маємо справу з однією й тією самою частинкою, тобто що народжуються не дві частинки, а всього лише одна, яка може розпадатися двома різними способами. Тому ми отримували один і той самий відсоток народження (адже це просто відсоток, що відображає способи, якими вона розпадається).
Однак квантова механіка з принципу симетрії при відображенні дозволяє довести (зараз я, на жаль, не можу пояснити вам, як це робиться), що абсолютно неможливо, щоб обидва ці способи розпаду належали одній частинці: одна частинка ніяк не може розпадатися двома різними способами. Закон збереження, що відповідає принципу симетрії при відображенні, не має аналога в класичній фізиці, і цей специфічний закон збереження в квантовій механіці був названий законом збереження парності. Таким чином, унаслідок закону збереження парності, або, точніше, із симетрії квантовомеханічних рівнянь слабкого розпаду щодо відображення, виходило, що одна й та сама частинка не може розпастися обома способами, так що тут ми зустрічаємося з якимось дивовижним збігом у масах, часах життя і т. д. Але чим більше вивчалося це явище, тим дивовижнішими ставали збіги і поступово зростала підозра в несправедливості фундаментального закону симетрії природи щодо відображення.
Це вдаване порушення спонукало фізиків Лі та Янга запропонувати поставити інші експерименти й перевірити, чи виконуватиметься закон збереження парності в інших спорідненних розпадах. Перший такий експеримент виконала Ву в Колумбійському університеті. Полягав він у наступному. Виявляється, що в кобальту, який є хорошим магнетиком, існує ізотоп, що розпадається з випусканням електронів. Помістимо його в дуже сильне магнітне поле за дуже низької температури, так щоб теплові коливання не надто сильно збивали атомні «магнітики», тоді всі вони «вишикуються» вздовж магнітного поля. Таким чином, усі атоми кобальту «вишиковуються» в цьому сильному полі однаковим чином. Потім вони розпадаються, випускають електрони, і от виявилося, що коли атоми «вишиковуються» в магнітному полі зі спрямованим вгору вектором В, то більшість електронів летить униз.
Тому, хто не дуже «на ти» зі світом фізики, це зауваження мало що говорить, однак той, кого хвилюють таємниці природи, побачить, що це найдивовижніше відкриття нашого часу. Якщо помістити атоми кобальту в дуже сильне магнітне поле, то вилетілі електрони охочіше летять униз, ніж угору. Тому якби ми відобразили цей дослід у дзеркалі так, щоб атоми кобальту були «вишикувані» навпаки, тобто вгору, то вони б випускали свої електрони вгору, а не вниз, і симетрія зникла б. От у магніта і виросла борода!
Тепер ми знаємо, що південний полюс магніту — це той, від якого летять β-розпадні електрони; таким чином, фізично можливо відрізнити північний полюс від південного.
Після цього було зроблено безліч інших експериментів: розпад π-мезона на μ і v, розпад μ-мезона на електрон і два нейтрино, розпад Λ-частинки на протон і π-мезон, розпад Λ-частинки і багато інших розпадів. І майже в усіх тих випадках, де цього можна було очікувати, виявлено відсутність принципу дзеркальної симетрії! Фундаментальний закон фізики — закон симетрії при відображенні — виявився на цьому рівні несправедливим.
Коротко кажучи, тепер ми вже могли б пояснити нашому приятелю з космосу, де у нас розташоване серце.«Послухай,— сказали б ми йому,— зроби собі магніт, намотай на нього дріт і пусти по ньому струм. Потім візьми шматок кобальту, охолоди його до низької температури. Розташуй увесь пристрій так, щоб випущені електрони летіли від ніг до голови, тоді напрямок струму в котушці скаже тобі, яку сторону ми називаємо правою, а яку —лівою: струм входить із правого боку і виходить із лівого». Отже, за допомогою експерименту такого роду можна визначити, де права, а де ліва сторона.
Було передбачено безліч інших властивостей. Виявилося, наприклад, що спін, тобто кутовий момент, або момент кількості руху ядра кобальту, до розпаду дорівнює п'яти одиницям h, а після розпаду — чотирьом. Половину цього моменту кількості руху забирає електрон, а половину — нейтрино. Неважко тепер зрозуміти, що момент кількості руху, який забирає електрон, має бути спрямований по лінії його руху, як і момент кількості руху нейтрино. Здавалося, що електрон крутиться справа наліво; це теж було перевірено. Зроблено це було прямо тут у КАЛТЕХ`і. Бем і Вапстра, які поставили експеримент, виявили, що електрон дійсно крутиться ліворуч. (Були й інші експерименти, що давали протилежну відповідь, але вони виявилися неправильними!)
Наступним завданням було знаходження правила порушення закону збереження парності. Чи є якесь правило, що говорить нам, наскільки великим має бути це порушення? Воно виявилося таким: порушення відбувається лише в дуже повільних реакціях, названих слабкими розпадами, і якщо вже воно відбулося, то частинки, що забирають спін, такі, як електрон чи нейтрино, вилітають, переважно обертаючись ліворуч. Це наче «правило перекосу», воно пов'язує полярний вектор швидкості й аксіальний вектор моменту кількості руху і говорить, що моменту кількості руху більш притаманний напрямок проти вектора швидкості, ніж по ньому. Таке правило, але ми ще не дуже розуміємо всіх його «чому» і «тому». Чому справедливе саме це правило, у чому його фундаментальна причина і як воно пов'язане з іншими явищами? Зараз ми настільки вражені самим фактом несиметрії світу, що досі ще не можемо оговтатися і зрозуміти, як же це відіб'ється на всіх інших правилах. Тим не менш проблема ця цікава, животрепетна і, на жаль, досі не вирішена. Тому зараз саме час обговорити деякі питання, пов'язані з цим правилом.
Однак квантова механіка з принципу симетрії при відображенні дозволяє довести (зараз я, на жаль, не можу пояснити вам, як це робиться), що абсолютно неможливо, щоб обидва ці способи розпаду належали одній частинці: одна частинка ніяк не може розпадатися двома різними способами. Закон збереження, що відповідає принципу симетрії при відображенні, не має аналога в класичній фізиці, і цей специфічний закон збереження в квантовій механіці був названий законом збереження парності. Таким чином, унаслідок закону збереження парності, або, точніше, із симетрії квантовомеханічних рівнянь слабкого розпаду щодо відображення, виходило, що одна й та сама частинка не може розпастися обома способами, так що тут ми зустрічаємося з якимось дивовижним збігом у масах, часах життя і т. д. Але чим більше вивчалося це явище, тим дивовижнішими ставали збіги і поступово зростала підозра в несправедливості фундаментального закону симетрії природи щодо відображення.
Це вдаване порушення спонукало фізиків Лі та Янга запропонувати поставити інші експерименти й перевірити, чи виконуватиметься закон збереження парності в інших спорідненних розпадах. Перший такий експеримент виконала Ву в Колумбійському університеті. Полягав він у наступному. Виявляється, що в кобальту, який є хорошим магнетиком, існує ізотоп, що розпадається з випусканням електронів. Помістимо його в дуже сильне магнітне поле за дуже низької температури, так щоб теплові коливання не надто сильно збивали атомні «магнітики», тоді всі вони «вишикуються» вздовж магнітного поля. Таким чином, усі атоми кобальту «вишиковуються» в цьому сильному полі однаковим чином. Потім вони розпадаються, випускають електрони, і от виявилося, що коли атоми «вишиковуються» в магнітному полі зі спрямованим вгору вектором В, то більшість електронів летить униз.
Тому, хто не дуже «на ти» зі світом фізики, це зауваження мало що говорить, однак той, кого хвилюють таємниці природи, побачить, що це найдивовижніше відкриття нашого часу. Якщо помістити атоми кобальту в дуже сильне магнітне поле, то вилетілі електрони охочіше летять униз, ніж угору. Тому якби ми відобразили цей дослід у дзеркалі так, щоб атоми кобальту були «вишикувані» навпаки, тобто вгору, то вони б випускали свої електрони вгору, а не вниз, і симетрія зникла б. От у магніта і виросла борода!
Тепер ми знаємо, що південний полюс магніту — це той, від якого летять β-розпадні електрони; таким чином, фізично можливо відрізнити північний полюс від південного.
Після цього було зроблено безліч інших експериментів: розпад π-мезона на μ і v, розпад μ-мезона на електрон і два нейтрино, розпад Λ-частинки на протон і π-мезон, розпад Λ-частинки і багато інших розпадів. І майже в усіх тих випадках, де цього можна було очікувати, виявлено відсутність принципу дзеркальної симетрії! Фундаментальний закон фізики — закон симетрії при відображенні — виявився на цьому рівні несправедливим.
Коротко кажучи, тепер ми вже могли б пояснити нашому приятелю з космосу, де у нас розташоване серце.«Послухай,— сказали б ми йому,— зроби собі магніт, намотай на нього дріт і пусти по ньому струм. Потім візьми шматок кобальту, охолоди його до низької температури. Розташуй увесь пристрій так, щоб випущені електрони летіли від ніг до голови, тоді напрямок струму в котушці скаже тобі, яку сторону ми називаємо правою, а яку —лівою: струм входить із правого боку і виходить із лівого». Отже, за допомогою експерименту такого роду можна визначити, де права, а де ліва сторона.
Було передбачено безліч інших властивостей. Виявилося, наприклад, що спін, тобто кутовий момент, або момент кількості руху ядра кобальту, до розпаду дорівнює п'яти одиницям h, а після розпаду — чотирьом. Половину цього моменту кількості руху забирає електрон, а половину — нейтрино. Неважко тепер зрозуміти, що момент кількості руху, який забирає електрон, має бути спрямований по лінії його руху, як і момент кількості руху нейтрино. Здавалося, що електрон крутиться справа наліво; це теж було перевірено. Зроблено це було прямо тут у КАЛТЕХ`і. Бем і Вапстра, які поставили експеримент, виявили, що електрон дійсно крутиться ліворуч. (Були й інші експерименти, що давали протилежну відповідь, але вони виявилися неправильними!)
Наступним завданням було знаходження правила порушення закону збереження парності. Чи є якесь правило, що говорить нам, наскільки великим має бути це порушення? Воно виявилося таким: порушення відбувається лише в дуже повільних реакціях, названих слабкими розпадами, і якщо вже воно відбулося, то частинки, що забирають спін, такі, як електрон чи нейтрино, вилітають, переважно обертаючись ліворуч. Це наче «правило перекосу», воно пов'язує полярний вектор швидкості й аксіальний вектор моменту кількості руху і говорить, що моменту кількості руху більш притаманний напрямок проти вектора швидкості, ніж по ньому. Таке правило, але ми ще не дуже розуміємо всіх його «чому» і «тому». Чому справедливе саме це правило, у чому його фундаментальна причина і як воно пов'язане з іншими явищами? Зараз ми настільки вражені самим фактом несиметрії світу, що досі ще не можемо оговтатися і зрозуміти, як же це відіб'ється на всіх інших правилах. Тим не менш проблема ця цікава, животрепетна і, на жаль, досі не вирішена. Тому зараз саме час обговорити деякі питання, пов'язані з цим правилом.