 |
Нарушение зеркальной симметрии в радиоактивном распаде
|
|
|
|
Нарушение зеркальной симметрии в радиоактивном распаде
Примерно десять лет тому назад начались первые неувязки с этим законом. Была обнаружена частица (К‑ мезон), которая может распадаться либо на две, либо на три других частицы (пи‑ мезоны). Анализ этих опытов привел физиков к заключению, что здесь нарушается зеркальная симметрия. Она запрещает К‑ мезону распадаться обоими способами.
Но самый решительный удар по закону зеркальной симметрии был нанесен блестящим опытом американской исследовательницы By. Она наблюдала радиоактивный распад ядер, помещенных в магнитное поле. При этом из ядер вылетают электроны и антинейтрино или позитроны и нейтрино (позитрон отличается от электрона только знаком заряда. Нейтрино и антинейтрино – нейтральные частицы с массой, равной нулю). Обнаружилось, что электроны вылетают преимущественно под тупыми углами к направлению магнитного поля. Между тем по закону зеркальной симметрии острые и тупые углы должны были бы встречаться одинаково часто. Действительно, посмотрим на отражение этой установки в зеркале. Магнитное поле изменит свое направление на обратное, как винт, который из правого при отражении превращается в левый. Ведь направление магнитного поля определяется из направления тока в катушке, создающей поле как раз по правилу винта. Поэтому тупые углы к направлению магнитного поля в зеркале превратятся в острые. Следовательно, зеркальное изображение опыта выглядит не так, как сам опыт, что прямо противоречит закону зеркальной симметрии. Наступил период смятения. Казалось, что следует отказаться и от других свойств симметрии нашего пространства. Выход из тупика нашли советский физик Ландау и американские физики Ли и Янг. Идея была следующая: при радиоактивном распаде вылетающее одновременно с электроном антинейтрино представляет собой зеркально несимметричную частицу (она летит, вращаясь направо). Теперь при отражении в зеркале вся картина изменится – не только острые углы перейдут в тупые, но и антинейтрино из правого винта превратится в левый. Поскольку в зеркальной картине испускается другая частица, опыт By уже не противоречит зеркальной симметрии пространства.
|
|
|
Дальнейшие опыты подтвердили эту догадку – нейтрино действительно оказалась зеркально несимметричной частицей, – при зеркальном отражении она не переходит сама в себя, подобно тому как шуруп с правой резьбой при зеркальном отражении превращается в шуруп с левой резьбой или как правая рука превращается в левую.
Таким образом, зеркальная симметрия пространства не нарушается. Пространство зеркально симметрично, а зеркальная асимметрия при радиоактивном распаде целиком определяется асимметрией нейтрино.
Радиоактивный распад с вылетом позитрона зеркально симметричен электронному распаду. При распаде с вылетом позитрона вылетает нейтрино, которая в противоположность антинейтрино летит вращаясь налево, поэтому если одновременно с отражением мысленно заменить все заряды на противоположные, то все электроны заменятся на позитроны, а нейтрино – на антинейтрино, и наоборот, и симметрия полностью восстановится.
Зарядово‑ зеркальная симметрия.
Античастицы. Антимиры
До этих опытов физики считали, что законы природы не изменятся, если все заряды заменить на обратные. Это свойство законов природы называется зарядовой симметрией. Теперь, для того чтобы включить в рассмотрение и явление радиоактивного распада, закон пришлось уточнить. Природа обладает не зарядовой, а зарядово‑ зеркальной симметрией. Законы природы не изменятся, если все заряды в мире изменить на обратные и одновременно произвести зеркальное отражение. В таком мире протоны будут иметь отрицательный заряд, а электроны – положительный, в противоположность зарядам в нашем мире. Согласно зарядово‑ зеркальной симметрии, все уравнения физики допускают наряду с частицами существование античастиц. И такие античастицы действительно были обнаружены. Антиэлектрон, то есть позитрон, был обнаружен еще в 1932 году Андерсеном. Далее были обнаружены антипротон и антинейтрон. Поскольку ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, то из антипротонов и антинейтронов можно составить соответствующий антиэлемент. Если к такому антиядру, заряженному отрицательно, добавить позитроны, то получится антиатом, а из антиатомов можно построить антивещество. Силы между античастицами по закону зарядово‑ зеркальной симметрии равны силам между частицами, поэтому антивещество будет обладать теми же свойствами, что и вещество.
|
|
|
Существуют ли в нашей вселенной антимиры, то есть области антивещества? Это пока остается без ответа, хотя логически существование антимиров совершенно естественно.
Из сказанного ясно, что антимир отличается от нашего мира не только знаком зарядов. В таком мире изменится понятие правого и левого: антимир – зеркальное отражение нашего мира. Люди этого мира, если бы они проходили ту же историческую эволюцию, что и мы, имели бы сердце с правой стороны. Более сильная рука у них была бы левая. Замечательный американский физик Р. Фейнман в своих лекциях говорит: «Если в космическом пространстве вы встретите корабль, идущий из далекого мира, и космонавт протянет вам левую руку, берегитесь – возможно, он состоит из антивещества! » Закончу тем, что добавлю к непонятным фразам, приведенным вначале, еще одну, как я надеюсь, теперь понятную: «Законы природы инвариантны относительно операции зеркального и зарядового сопряжения».
К сожалению, это красивое утверждение не совсем точно.
В последние годы в опытах по распаду того же злополучного Κ ‑ мезона, который принес первые неприятности с нарушением зеркальной симметрии, было обнаружено небольшое, но колоссально важное с принципиальной точки зрения нарушение закона зарядово‑ зеркальной симметрии.
|
|
|
Означает ли это, что наше пространство несимметрично? Удастся ли сохранить стройность картины, как в случае нарушения зеркальной симметрии при радиоактивном распаде?
Любое важное открытие сначала нарушает красоту и порядок, но через некоторое время приводит к еще более стройной картине. Поэтому лучше обождать с окончательным ответом на вопрос, поставленный в заглавии этой статьи.
Обычно люди, интересующиеся наукой, начинают с просьбы рассказать, к каким практическим следствиям приводит то или иное открытие. Такое желание безусловно правомерно. Хотя на этот вопрос иногда трудно ответить, любое открытие рано или поздно, прямо или косвенно приводит к изменению нашей жизни.
Удалось ли мне показать и другую сторону науки, сторону поэтическую, мужество отхода от привычного, внезапные скачки догадок, течение глубоких мыслей, радость познания?
|
|
|
