Охотники за частицами

И вообще, в разговоре о четностях справедливо известное старинное правило: минус на минус дает плюс. Если частица распалась на две нечетные частицы, то она четная, плюсовая; если на три: минус на минус, на минус, то она нечетная, минусовая. Быть и той и другой одновременно она не может, как не может урод быть одновременно писаным красавцем.

Пи-мезон оказался нечетной частицей. Из-за этого-то и разгорелся сыр-бор. Допустить, что ка-мезон, распадаясь и на два, и на три пи-мезона, может быть одновременно четным и нечетным! Да это же означает, что у природы кривое зеркало: правое отличается от левого! Вот что заставляло физиков упорствовать в признании «единого и неделимого» ка-мезона.

…Вы никогда не задумывались над тем, почему наиболее выдающиеся открытия в большинстве своем делаются весьма молодыми людьми? Эварист Галуа создал основы современной алгебры, когда ему не было и двадцати лет; Френель и Юнг разработали волновую теорию света еще до тридцати лет; столь же молоды были Альберт Эйнштейн, в двадцать шесть лет создавший теорию относительности, Гейзенберг и Дирак, заложившие основы квантовой механики! А ведь двадцатилетний ум еще далек от той зрелости, которая приходит лишь к тридцати — сорока годам.

Но у двадцатилетних умов есть одно важное преимущество перед зрелостью: свежий, не замутненный многолетней работой (а в ней всегда немало рутины) взгляд на вещи. Пусть не хватает широты, зато в избытке дерзость! Самое невероятное пленяет ум. И чем вернее ход мысли подтверждает возможность невероятного, тем с большей храбростью идет молодой ученый вперед. Он с легкостью неведения ломает догмы, к которым привыкли его современники. Новые представления не умещаются в тесных рамках!

Так бывает не каждый день. Но так случилось на этот раз. Основы физики были потрясены двумя молодыми китайцами, работающими в США, — Ли Цзун-дао и Янг Чжэнь-нином. Это произошло в 1956 году.

В самом деле, почему бы не допустить, что у природы кривое зеркало, что левое отличается от правого? Не доказывать с пеной у рта, что это не так, а спокойно поговорить. И еще лучше — попытаться проверить. Очень «странные» они, эти слабые взаимодействия!

Но проверить уже не на тау- и тета-мезонах. Они мало подходят для этой цели: живут чуть ли не миллиардные доли секунды, да и попадаются не так уж часто. Лучше взять какое-нибудь другое, не такое быстрое, но зато хорошо изученное явление, виновником которого являются слабые взаимодействия.

Например, бета-распад, тот самый распад, когда из ядер летят электроны.

Но неужели никто никогда не замечал в нем такой «странности», как нарушение четности? «Представьте себе, нет, — отвечали молодые физики. — Не замечали, потому что не искали. Это явление тонкое, в глаза оно не бросается. Рекомендуем поискать».

А в чем оно должно проявиться? Ли и Янг посчитали и ответили так. Если сложить все спины протонов и нейтронов в ядре, то получится суммарный спин. Наподобие того, как атомные магнитики, складываясь в намагниченном куске железа, образуют большой магнит. Так вот, при бета-распаде в том направлении, куда указывает спин ядра (а попросту, куда направлена «ось вращения» ядра), должно вылетать меньше электронов, чем в противоположном направлении.

Ну, казалось бы, это давным-давно заметили бы! Ничуть не бывало! Во всех радиоактивных веществах, с которыми имели дело, спины ядер направлены как попало. Совсем так, как атомные магнитики в ненамагниченном веществе. Поэтому и электроны в среднем летели одинаково густо по любому направлению.

Ага! Значит, теперь надо все ядра выстроить как на параде — в затылок друг другу. Только так можно проверить предсказание Ли и Янга.

Очень нелегкая задача! Но результат предсказывался такой, что ради него стоило преодолеть и большие трудности.

За дело взялась большая группа экспериментаторов. Ее возглавили ученица Сегре китаянка By Цзянь-сюн и Эрнст Эмблер. Они поделили обязанности так. Эмблер должен был дать ядрам команду «смирно», а By — смотреть, что при этом произойдет с испусканием электронов.

Ядра существа резвые. В первую очередь нужно было поубавить их пыл. С этой целью радиоактивное вещество охладили до сверхнизкой температуры — всего лишь на сотые доли градуса выше абсолютного нуля. А затем поместили в сильнейшее магнитное поле. И, наконец, окружив всю установку счетчиками частиц, измерили, сколько электронов летит «по спину», а сколько «против спина».

Опыт готовился полгода. Опыт длился четверть часа. Этой четверти часа оказалось достаточно. Все получилось так, как предсказали Ли и Янг!

У природы в самом деле кривое зеркало! По крайней мере там, где присутствуют слабые взаимодействия.

Это было действительно потрясением! Нарушался один из самых очевидных законов природы: левое отличается от правого, верх от низа. Как это понять, как с этим примириться? Примириться придется. Факты — вещь чрезвычайно упрямая.

А понять… Понять — труднее. Дело в том, что здесь все не так просто, заявил вскоре после решающего опыта знаменитый советский физик Лев Давидович Ландау. Нарушается не только четность. У природы зеркало устроено хитрее, чем мы думали.

Отразите в этом зеркале протон. Вы думаете, что «по ту сторону» будет протон? Нет, там будет его зеркальный брат — антипротон! При отражении в зеркале природы частица заменяется античастицей.

И не приближайтесь к зеркалу, уважаемый протон, чтобы получше разглядеть свое отражение. Иначе кончится тем, что не останется ни вас, ни вашего зеркального брата!

Но читатель может не бояться даже сплющить собственный нос о зеркало. И он не подвержен слабым взаимодействиям, и зеркало иное — построенное руками человека, а не природы.

Да, кроме того, в зеркало и из него летят всего лишь фотоны. А для них, как мы уже видели в таблице, античастица ничем не отличается от частицы. Сколько ни встречайся они друг с другом — аннигиляции, взрыва не будет.

Так новым поразительным открытием и разрешилась загадка «тау-тета».

При путешествии по этой книге вы не раз встречали эпитет «элементарный», которым физики до недавнего времени наделяли частицы. Что под этим подразумевали ученые?

Прежде всего им представлялось до недавних пор, что эти частицы — как бы предел дробления вещества на части. Путешествуя по лестнице энергий, мы уже убедились в том, что, повышая энергию, можно было раздробить вещество на все более мелкие кусочки. Та же органическая молекула при нагревании сначала разбивалась на крупные блоки, эти блоки затем превращались в «пыль» из отдельных мелких молекул, молекулы дробились на атомы.

Еще немногим более полувека назад и атом был пределом делимости. Потом, повысив энергию, раздробили и его. Неделимый («атом» — по-гречески и означает «неделимый») оказался делимым. И, если бы не языковое неудобство, можно было бы предложить переименовать его в «том». (И получить, например, такие перлы, как «томная энергия» и «том железа»!)

После этого рубеж неделимости пролег по границам ядер. Но и здесь он был в считанные годы преодолен физикой. Тогда его отодвинули на рубеж частиц.

В книге, изданной пять лет назад, я читаю: «Элементарные частицы — это такие тельца, которым пока что нельзя приписать никакой внутренней структуры». Что ж, правильно по тем годам. И, казалось бы, правильно вообще: если припишешь внутреннюю структуру, то изволь признать еще более мелкие частички, из которых и образована эта самая структура!

Все, однако, оказалось не так-то просто. С самого начала выяснилась интереснейшая особенность: частицы превращались друг в друга. Ударили по протону энергичным пи-мезоном, чтобы расколоть протон на кусочки. Он и раскололся — на ламбда-гиперон и ка-мезон. Но можно ли считать их «кусочками» протона? Вряд ли: ламбда-гиперон и массивнее протона и сам распадается, образуя протон. В равной мере и ка-мезон нельзя считать осколком протона.