Читать интересную книгу 4a. Кинетика. Теплота. Звук - Ричард Фейнман

§ 7. Четность не сохраняется!

Оказывается, что законы тяготения, законы электричества и магнетизма, законы ядерных сил — все подчиняется прин­ципу симметрии при отражении, так что ни эти законы, ни все, что получено из них, не может помочь нам. Однако в природе было обнаружено явление, которое может происходить со мно­гими частицами, и называется оно бета-распадом, или слабым распадом. Один из видов слабого распада, связанный с частицей, открытой в 1954 г., задал физикам трудную головоломку. Есть такая заряженная частица, которая распадается на три p-мезона, как это схематически показано на фиг. 52.5.

Фиг. 52.5. Схематические диаграммы распадов t- и q-мезонов.

Частицу эту временно назвали t-мезоном. На том же рисунке показана и другая частица, которая распадается на два p-мезона. По за­кону сохранения заряда один должен быть нейтральным. Эта частица была названа q-мезоном,. Итак, у нас есть t-мезон, рас­падающийся на три p-мезона, и есть q-мезон, распадающийся на два p-мезона. Вскоре, однако, обнаружилось, что массы t и q почти равны друг другу, точнее, в пределах эксперимен­тальных ошибок они просто равны. Кроме того, где бы они ни появлялись, они всегда рождаются в одной и той же пропор­ции, скажем 14% t-частиц и 86% q-частиц.

Кто подогадливей, тот сразу поймет, что здесь мы имеем дело с одной и той же частицей, т. е. что рождаются не две частицы, а всего лишь одна, которая может распадаться двумя различными способами. Поэтому мы получали один и тот же про­цент рождения (ведь это же просто процент, отражающий способы, которыми она распадается).

Однако квантовая механика из принципа симметрии при отражении позволяет доказать (сейчас я, к сожалению, не могу объяснить вам, как это делается), что совершенно невозможно, чтобы оба эти способа распада принадлежали одной частице: одна частица никак не может распадаться двумя различными способами. Закон сохранения, соответствующий принципу сим­метрии при отражении, не имеет аналога в классической физике, и этот специфический закон сохранения в квантовой ме­ханике был назван законом сохранения четности. Таким обра­зом, вследствие закона сохранения четности, или, точнее, из симметрии квантовомеханических уравнений слабого распада относительно отражения, получалось, что одна и та же частица не может распасться обоими способами, так что здесь мы встре­чаемся с каким-то удивительным совпадением в массах, вре­менах жизни и т. д. Но чем больше изучалось это явление, тем более удивительным становились совпадения и постепенно росло подозрение в несправедливости фундаментального закона сим­метрии природы относительно отражения.

Это кажущееся нарушение побудило физиков Ли и Янга предложить поставить другие эксперименты и проверить, будет ли закон сохранения четности выполняться в других родствен­ных распадах. Первый такой эксперимент выполнила By в Ко­лумбийском университете. Заключался он в следующем. Оказы­вается, что у кобальта, который является хорошим магнетиком, существует изотоп, распадающийся с испусканием электронов. Поместим его в очень сильное магнитное поле при очень низкой температуре, так чтобы тепловые колебания не слишком силь­но сбивали атомные «магнитики», тогда все они «выстроятся» вдоль магнитного поля. Таким образом, все атомы кобальта «выстраиваются» в этом сильном поле одинаковым образом. Потом они распадаются, испускают электроны, и вот оказалось, что когда атомы «выстраиваются» в магнитном поле с направлен­ным вверх вектором В, то большинство электронов летит вниз.

Тому, кто не очень «на ты» с миром физики, это замечание мало что говорит, однако тот, кого волнуют тайны природы, уви­дит, что это наиболее удивительное открытие нашего времени. Если поместить атомы кобальта в очень сильное магнитное поле, то вылетевшие электроны более охотно летят вниз, чем вверх. Поэтому если бы мы отразили этот опыт в зеркале так, чтобы атомы кобальта были «выстроены» наоборот, т. е. вверх, то они бы испускали свои электроны вверх, а не вниз, и симметрия ис­чезла бы. Вот у магнита и выросла борода!

Теперь мы знаем, что южный полюс магнита это тот, от ко­торого летят b-распадные электроны; таким образом, физически возможно отличить северный полюс от южного.

После этого было сделано множество других эксперимен­тов: распад p-мезона на m и v, распад m-мезона на электрон и два нейтрино, распад Л-частицы на протон и p-мезон, распад 2S-частицы и много других распадов. И почти во всех тех слу­чаях, где этого можно было ожидать, обнаружено отсутствие принципа зеркальной симметрии! Фундаментальный закон фи­зики — закон симметрии при отражении — оказался на этом уровне несправедливым.

Короче говоря, теперь мы уже могли бы объяснить нашему приятелю из космоса, где у нас расположено сердце.«Послушай,— сказали бы мы ему,— сделай себе магнит, намотай на него про­волоку и пусти по ней ток. Затем возьми кусок кобальта, охлади его до низкой температуры. Расположи все устройство так, чтобы испущенные электроны летели от ног к голове, тогда направле­ние тока в катушке скажет тебе, какую сторону мы называем правой, а какую — левой: ток входит с правой стороны и выхо­дит с левой». Итак, с помощью эксперимента такого рода можно определить, где правая, а где левая сторона.

Было предсказано множество других свойств. Оказалось, например, что спин, т. е. угловой момент, или момент количества движения ядра кобальта, до распада равен пяти единицам h, а после распада — четырем. Половину этого момента количества движения уносит электрон, а половину — нейтрино. Нетрудно теперь сообразить, что момент количества движения, уносимый электроном, должен быть направлен по линии его движения, как и момент количества движения нейтрино. Казалось, что электрон вертится справа налево; это тоже было проверено. Сделано это было прямо здесь в КАЛТЕХ'е. Бем и Вапстра, поставившие эксперимент, обнаружили, что электрон действи­тельно крутится налево. (Были и другие эксперименты, давав­шие противоположный ответ, но они оказались неверными!)

Следующей задачей было нахождение правила нарушения закона сохранения четности. Есть ли какое-нибудь правило, говорящее нам, насколько велико должно быть это нарушение? Оно оказалось следующим: нарушение происходит только в очень медленных реакциях, названных слабыми распадами, и если уж оно произошло, то частицы, уносящие спин, такие, как электрон или нейтрино, вылетают, преимущественно враща­ясь налево. Это как бы «правило перекоса», оно связывает поляр­ный вектор скорости и аксиальный вектор момента количества движения и говорит, что моменту количества движения более присуще направление против вектора скорости, нежели по нему. Таково правило, но мы еще не очень понимаем всех его «по­чему» и «поэтому». Почему справедливо именно это правило, в чем его фундаментальная причина и как оно связано с дру­гими явлениями? Сейчас мы настолько потрясены самим фак­том несимметрии мира, что до сих пор еще не можем оправиться и понять, как же оно отразится на всех остальных правилах. Тем не менее проблема эта интересная, животрепещущая и, увы, до сих пор не решенная. Поэтому сейчас самое время об­судить некоторые вопросы, связанные с этим правилом.

§ 8. Антивещество

Когда исчезает одна из симметрии, то первым делом нуж­но немедленно обратиться к списку известных или предположен­ных симметрии и посмотреть, не может ли еще нарушиться ка­кая-то из них. Мы не упомянули одну операцию из нашего списка, а к ней наш вопрос относится в первую очередь — это от­ношение между веществом и антивеществом. Дирак предсказал, что в дополнение к электронам в мире должны существовать другие частицы, называемые позитронами (открытые Андерсоном в КАЛТЕХ'е), и они тесно связаны с электронами. Все свойства этих двух частиц подчиняются определенным правилам соот­ветствия: энергии их равны, массы равны, заряды противопо­ложны, но самое важное, столкнувшись, они могут уничтожить друг друга (аннигилировать), превратив всю свою массу в энер­гию, например g- излучение. Позитрон называется античасти­цей электрона, и эти свойства являются основными свойствами частицы и ее античастицы. Из рассуждений Дирака было ясно, что у всех остальных частиц тоже должны быть соответствую­щие античастицы. Например, наряду с протоном должен существовать и антипротон, который сейчас обозначается симво­лом р. У него должен быть отрицательный электрический заряд, та же, что и у протона, масса и т. д. Однако наиболее важным свойством является то, что протон и антипротон, столкнувшись, могут уничтожить друг друга. Я особенно подчеркиваю это по­тому, что люди обычно удивляются, когда говоришь, что наряду с нейтроном существует и антинейтрон; они говорят: «Как ан­тинейтрон может иметь противоположный заряд, ведь он нейтральный?» Приставка «анти» означает не просто противополож­ный заряд, частица характеризуется целым набором свойств, многие из которых становятся противоположными. Антинейт­рон можно отличить от нейтрона следующим способом: если поместить рядом два нейтрона, они так и останутся двумя нейт­ронами, но если мы поместим рядом нейтрон и антинейтрон, то они уничтожат друг друга, причем выделят большое коли­чество энергии в виде разных p-мезонов, g-квантов и т. п.