Поменять две частицы местами – то же самое, что отразить их в зеркале. Та, что была слева, теперь будет находиться справа, и наоборот. Таким образом, существует тесная связь между такой заменой и тем, что физики называют четностью и что является совокупной характеристикой подвергаемой отражению системы (то есть системы, в которой право и лево меняются местами).
Если некая элементарная частица распадается на две другие частицы, то волновая функция, описывающая «четность» конечного состояния (то есть сообщающая, поменяет ли волновая функция знак при замене правых частиц на левые и наоборот), позволяет нам присвоить исходной частице некую величину, которую мы тоже назовем четностью. И если сила в квантовой механике, управляющая распадом, игнорирует различие между правым и левым, то и сам распад не изменит четности квантового состояния системы.
Если же волновая функция системы антисимметрична в отношении обмена частиц после распада, то система имеет «отрицательную» четность. В этом случае волновая функция, описывающая начальное квантовое состояние распадающейся частицы, тоже должна обладать отрицательной четностью (то есть менять знак при обмене правого и левого).
Так вот, пионы – частицы, существование которых предположил Юкава, а открыл Пауэлл, – имеют отрицательную четность, так что волновая функция, описывающая квантовое состояние их зеркального отражения, должна иметь другой знак по сравнению с первоначальной волновой функцией. Различие между положительной и отрицательной четностью – это как различие между чудесным круглым мячом, который в зеркале выглядит точно так же, как без него, и потому характеризуется положительной четностью, и, скажем, вашей рукой, которая при отражении в зеркале меняет вид, превращаясь из правой в левую, и потому, можно сказать, характеризуется отрицательной четностью.
Из-за этих несколько абстрактных соображений наблюдаемые данные, связанные с распадом новых, открытых Пауэллом частиц, поставили физиков в тупик. Поскольку четность пиона отрицательна, четность пары пионов должна быть положительной, поскольку (–1)2 = 1. Однако система из трех пионов, по тем же соображениям, будет иметь отрицательную четность, так как (–1)3 = –1. Таким образом, если при распаде частицы четность не меняется, одна и та же частица не может распадаться до двух разных конечных состояний с разной четностью.
Если бы сила, ответственная за распад, вела себя так же, как вели себя в те времена все остальные известные силы, такие как электромагнетизм или гравитация, то она игнорировала бы четность (не различала бы правое и левое) и потому не меняла бы в процессе распада первоначальную четность системы – точно так же, как свет, направленный на вашу правую руку, не сделает ее похожей на левую.
Поскольку представлялось невозможным, чтобы некий тип частиц распадался иногда на два, а иногда на три пиона, решение казалось простым. Требуется не одна, а две новые элементарные частицы с противоположными характеристиками четности. Пауэлл окрестил их тау-частицей и тета-частицей; одна из них распадалась на два пиона, другая – на три.
Наблюдения говорили о том, что эти две частицы обладают в точности одинаковой массой и временем жизни, что казалось немного странным, но Ли и Янг предположили, что это может быть общим свойством различных элементарных частиц; согласно их гипотезе, частицы существуют парами с противоположными значениями четности. Они назвали эту идею «удвоением четности».
Так выглядела ситуация весной 1956 г., когда началась Международная конференция по физике высоких энергий, проходившая каждый год в Университете Рочестера. В 1956 г. все сообщество ученых, интересующихся физикой элементарных частиц и ядерной физикой, легко вмещалось в одну университетскую лекционную аудиторию, и все эти ученые, включая и сильнейших игроков, старались приехать на эту ежегодную встречу. На той конференции Ричард Фейнман жил в одной комнате с Марти Блоком. Будучи экспериментатором, Блок не так остро реагировал на еретическое в то время предположение о том, что какая-то сила в природе может не быть слепа по отношению к правому и левому, и потому он спросил Фейнмана, не может ли оказаться так, что слабое взаимодействие, управляющее распадами, которые наблюдал Пауэлл, различает правое и левое. Это позволило бы одной и той же частице распадаться до состояний разной четности – имелось в виду, что тау- и тета-частицы оказались бы на поверку одной и той же частицей.
Блоку не хватило дерзости поднять этот вопрос на общем заседании, но Фейнману хватило, хотя сам он считал этот вариант чрезвычайно маловероятным. Янг ответил, что он и Ли думали об этом, но пока из этой идеи ничего не вышло. На заседании присутствовал и Юджин Вигнер, который позже получил Нобелевскую премию за разъяснение важности таких вещей, как четность, в атомной и ядерной физике; он тоже поднял вопрос о том, не может ли слабое взаимодействие различать правое и левое.
Однако всё достается победителю, а от простых рассуждений о возможном нарушении четности новым типом фундаментального взаимодействия, способным, может быть, различать левое и правое, было далеко до того, чтобы это продемонстрировать. Месяцем позже Ли и Янг, обедая в нью-йоркском кафе, решили еще раз проанализировать все известные эксперименты, имевшие дело со слабым взаимодействием, чтобы понять, можно ли по данным какого-нибудь из них отвергнуть всякую возможность нарушения четности. Проделав это, они, к собственному огромному удивлению, поняли, что ни один эксперимент наверняка это не устанавливает. Янг позднее вспоминал: «Тот факт, что сохранение четности при слабом взаимодействии так долго не подвергалось сомнению без всяких экспериментальных доказательств, поражал воображение. Но еще поразительнее была перспектива того, что закон симметрии пространства – времени, который физики так хорошо изучили, может нарушаться. Эта перспектива нам не нравилась».
К чести Ли и Янга следует отметить, что молодые ученые предложили несколько экспериментов, при помощи которых можно было проверить возможность того, что слабое взаимодействии различает правое и левое. Они предложили рассматривать бета-распад нейтрона в ядре кобальта-60. Поскольку это радиоактивное ядро обладает ненулевым спином (моментом импульса), то есть ведет себя так, будто вращается вокруг своей оси, оно также работает как крохотный магнит. Во внешнем магнитном поле такие ядра выстраиваются в направлении поля. Если электроны, испущенные при распаде нейтрона в ядре, в конечном итоге оказываются преимущественно в одном полушарии, а не в другом, то это признак нарушения четности, поскольку в зеркале те же электроны оказались бы в противоположном полушарии.
Если бы это оказалось правдой, то означало бы, что на фундаментальном уровне природа различает правое и левое. Тогда и созданные человеком различия между ними (не зря же «правый» означает не только сторону, но и правоту) оказались бы не совершенно искусственными. Таким образом, мир в зеркале можно было бы отличить от реального мира, или, как позже образно сформулировал Ричард Фейнман, мы могли бы использовать этот эксперимент, чтобы отправить послание марсианам, информирующее их, какое
