Читать книгу "Наука. Величайшие теории. Выпуск 6. Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Ангел Сабадел"

Размышляя над этим, мы можем прийти к выводу, что в данных условиях мы преследуем призрачную цель, так как физические законы не различают левую и правую стороны. Другими словами, если нам продемонстрировать видео столкновения двух машин или одной партии в бильярд, мы будем не способны определить, показаны нам картинки прямо или, наоборот, после того как они были отражены в зеркале. В физике такая зеркальная симметрия называется «сохранением четности».

Не все объекты Вселенной симметричны, когда мы наблюдаем их в зеркале. Неподвижная сфера является симметричной: тогда говорят о четности. В противном случае речь будет идти о нечетности. Эта симметрия (геометрическая) исчезает, если сфера начинает вращаться вокруг своей оси. Она больше не соответствует своему зеркальному отражению (см. рисунок).

Изменение четности меняет сферу, вращающуюся в одну сторону, на другую сферу, вращающуюся в обратном направлении. Мы можем проверить это, раскрутив глобус перед зеркалом. С другой стороны, интерес вызывает тот факт, что зеркало меняет местами левую и правую стороны, но не верх с низом. Ответ на этот извечный вопрос заключается в том, что зеркало прячет изменение четности: оно меняет координату по оси, которая перпендикулярна ему, и не меняет координаты на двух других осях, лежащих в плоскости, параллельной ему.

Закон сохранения четности предусматривает, что нечетные объекты не могут превращаться спонтанно в четные. И это важно: в противном случае мы смогли бы использовать спонтанное изменение четности, чтобы определить абсолютную правую и левую стороны. В случае субатомных частиц теория указывает, что если четность сохраняется, тогда четная частица не может распадаться на одну четную частицу и одну нечетную; зато она может распасться на две нечетные или две четные частицы.

В то же время физики открыли, что странные каоны не следуют этому правилу. Они распадаются на другие более легкие частицы, названные пионами, иногда в количестве двух, иногда — трех. Фейнман предложил объяснение такому аномальному поведению. Согласно ему, эта частица:

«...распадалась иногда на два, иногда на три пиона. Но никто не был готов смириться с этим, так как существует закон сохранения четности. Он предполагает, что все физические законы симметричны по отношению к их зеркальному отражению; с другой стороны, он утверждает, что элемент, который образует два пиона, не может также давать три пиона».

Симметрии

Физика обычно ищет закономерности в устройстве нашего мира, то, что обычно называют «законы природы».

Большинство из них можно описать при помощи математических формул. Симметрия создает одну из исследовательских моделей законов природы. Мы все когда-то ее использовали. Если покрутить футбольный мяч на пальце, наше восприятие мяча не меняется: этот феномен называется осевой симметрией; одноцветные машины, выстроенные в один ряд, представляют трансляционную симметрию, то есть невозможно отличить одну машину от другой, так как последняя машина может быть похожей на первую. К тому же, за исключением нескольких очень особых деталей, мы не делаем различия между собой и нашим отражением в зеркале: это зеркальная симметрия. Все эти примеры позволяют нам понять смысл слова «симметрия»: это нечто, остающееся неизменным после преобразования. Какое значение она имеет в физике? Природные законы представляют собой симметрии, которые существуют во Вселенной, и знаменитый закон о сохранении энергии — это не что иное, как симметрия: существует количество энергии, которое остается неизменным.

Эмми Нётер около 1910 года.

Теорема Нётер

Эмми Нётер (1882-1935), молодой немецкий математик, — наш проводник на этом пути. В 1918 году она доказывает теорему, известную сегодня как теорема Нётер, названную в ее честь. В тишине своего дома (женщины в то время не могли становиться профессорами в университетах) она открывает, что для каждой симметрии, которая существует в природе, должен существовать некоторый закон сохранения. Согласно теореме Нётер, сохранение энергии существует, так как законы физики не меняются со временем: они остаются такими же, как и сто лет назад, как вчера или завтра. Импульс — это другая величина, которая соответствует однородности пространства: неважно, проводим мы опыт в Сан-Франциско или в Мадриде, — мы всегда получим одинаковые результаты. Теорема Нётер также предполагает, что если мы не видим никакого изменения в природе, изменяя правую и левую стороны, тогда существует одно значение (четность), которое остается постоянным.

Единственная приемлемая альтернатива сводилась к тому, что должно существовать два типа каонов, которые различаются четностью. В любом случае, это поднимало новую проблему, так как эти два каона, окрещенные физиками may и тета, были полностью идентичными: в обоих случаях речь шла об абсолютно одинаковых бозонах с равными массами. И только распад на две или три частицы позволял их различать.

Электрон, движущийся влево

Такова была ситуация весной 1956 года, когда Гелл-Ман и Фейнман начали сотрудничать. В то время Фейнман уже был ученым, известным среди своих коллег: его диаграммы стали атрибутом повседневной работы физиков, которые, когда приезжали в Калтех, почитали за честь зайти и поздороваться с ним. Все хотели побеседовать с Фейнманом и рассказать о своих проблемах в исследованиях, и он их слушал: эта черта, которая делала его неотразимым в глазах женщин, также располагала к нему его коллег.

В этом году Фейнман и Гелл-Ман приняли участие в самом важном для физики частиц событии — Рочестерской конференции, проходившей в одноименном городе. Умы присутствующих были заняты головоломкой тау- и тета-каонов. В ночь на пятницу молодой человек по имени Мартин Блок предложил Фейнману возможное объяснение явления: речь могла идти о двух процессах одной частицы, идущих с изменением четности при слабых взаимодействиях. У Фейнмана было плохое настроение, и он готов был признать собеседника идиотом из-за таких идей, но он быстро понял, что не может придумать никакого возражения по существу.

На следующий день, к концу последнего субботнего заседания, Фейнман поднялся и спросил, упомянув про авторство Блока: может ли слабое взаимодействие изменить четность? Протокол конгресса сообщает, что ответил один молодой физик-теоретик по имени Ян Чжэньнин. Он объяснил, что проводил исследования на эту тему, но еще не пришел к определенному выводу. Тем не менее Ян сказал, что у него нет никакого доказательства существования такого нарушения. После собрания Фейнман и Гелл-Ман изучили данный вопрос и сделали вывод: не существует веских аргументов, позволяющих утверждать, что слабое взаимодействие не может нарушать закон сохранения четности. Но если так, тогда все казалось возможным. Никакой уверенности у них не было. По возвращении в свой университет Ян и его коллега Ли Чжэндао снова вернулись ко всем имеющимся экспериментальным данным, но не достигли успеха в решении этой проблемы. Тогда они предложили опыт, целью которого было окончательно определить, сохраняет ли слабое взаимодействие четность. Эксперимент в общих чертах состоял в том, чтобы проверить, было ли больше электронов с левой стороны, чем с правой, во время β-распада. В июне 1956 года ученые опубликовали статью, в которой изложили такую возможность. Это было настоящим безумием, но они смогли убедить коллегу из Колумбийского университета By Цзяньсюн проверить их теоретические выкладки на практике. Они были настолько убедительны, что вынудили By сократить ее отпуск с мужем, который она проводила в Европе, ради этого эксперимента. By доказала, что при охлаждении радиоактивного кобальта до сверхнизких температур и при его нахождении в магнитном поле электроны, испускаемые при β-распаде, перемещаются, главным образом, влево. Немного позже Леон Ледерман, будущий Нобелевский лауреат по физике 1988 года, а также коллега By по Колумбийскому университету, решил проверить эти результаты и изменил ее инструментарий, чтобы провести опыт. Он получил подтверждение: электрон стремился влево.