Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Того ж року, коли Янг переїхав із Чикаго до ІПД, Сесіл Пауелл, першовідкривач піона, відкрив у космічних променях нову частинку, яку назвав тау-мезоном. Спостереження показали, що ця частинка розпадається на три піони. Невдовзі було відкрито ще одну нову частинку, яку назвали тета-мезоном і яка розпадалася на два піони. Що цікаво, маса й час життя цієї нової частинки виявилися точно такими самими, як у тау-мезона.

Це може здатися не таким уже й дивним. Що, як це та сама частинка, просто здатна згідно зі спостереженнями розпадатися двома різними способами? Пригадаймо, що у квантовій механіці дозволено все, що не заборонено, і допоки нова частинка є достатньо важкою, щоб розпастися на два чи три піони, – а слабка сила допускає такі розпади, – відбуватися мають обидва.

Проте якщо слабка сила має сенс, вона не повинна допускати одночасно два різні розпади.

Задумайтеся на хвильку про свої руки. Ваша ліва рука відрізняється від вашої правої руки. Жоден простий фізичний процес, за винятком хіба що проходження крізь дзеркало, не може перетворити одну вашу руку на другу. Жодна послідовність рухів угору чи вниз, жоден поворот чи підстрибування вгору-вниз не можуть перетворити одну руку на другу.

Сили, що керують нашими чуттями, електромагнетизм і гравітація, не розрізняють лівий і правий боки. Жоден процес, що відбувається під дією якоїсь із цих сил, не може обернути щось на кшталт вашої правої руки на її дзеркальне відображення. Скажімо, я не можу обернути вашу праву руку на ліву, просто посвітивши на неї.

Іншими словами, якщо я посвічу на вашу праву руку й погляну на неї з деякої відстані, інтенсивність відбитого світла буде такою самою, якщо я посвічу на вашу ліву руку. Світлу, яке від чогось відбивається, байдуже, лівий це бік чи правий.

Наше визначення лівого й правого нав’язане нам людською нормою. Завтра ми можемо вирішити, що лівий бік є правим і навпаки, і не зміниться нічого, крім наших позначень. Я пишу ці рядки в літаку, в економ-класі, і людина праворуч від мене дуже відрізняється від людини ліворуч від мене, проте це лише випадковий збіг обставин. Я не очікую, що закони, які керують польотом мого літака, працюватимуть для його правого крила одним чином, а для лівого – іншим.

Тепер подумаймо, як це виглядає в субатомному світі. Пригадаймо, що Енріко Фермі виявив, що, згідно з правилами квантової механіки, математична поведінка груп пар елементарних частинок залежить від того, чи мають вони спін ½, себто чи є вони ферміонами. Поведінка груп ферміонів суттєво відрізняється від поведінки таких частинок, як фотони, зі значенням спіну, рівним 1 (або будь-яким цілочисельним значенням обертального кутового моменту, себто 0, 1, 2, 3 тощо). Для прикладу, математична «хвильова функція», яка описує пару ферміонів, є «антисиметричною», тоді як функція, котра описує пару фотонів, «симетрична». Це означає, що, якщо поміняти частинки місцями, хвильова функція, яка описує ферміони, змінить знак. Проте для таких частинок, як фотони, хвильова функція після обміну залишиться незмінною.

Поміняти дві частинки місцями рівносильно їх відображенню в дзеркалі. Частинка ліворуч стає частинкою праворуч. Таким чином, існує тісний взаємозв’язок між такими обмінами й тим, що фізики називають парністю, яка є загальною властивістю системи в умовах відображення (себто заміни лівого боку правим і навпаки).

Якщо елементарна частинка розпадається на дві інші частинки, хвильова функція, яка описує «парність» кінцевого стану (себто чи змінює хвильова функція знак при ліво-правому обміні частинок), дає нам змогу приписати початковій частинці величину, яку можна назвати парністю. У квантовій механіці, якщо сила, котра керує розпадом, не розрізняє лівий і правий боки, тоді розпад не змінить парність квантового стану системи.

Якщо хвильова функція системи після розпаду антисиметрична стосовно перестановки частинок, тоді система має «негативну» парність, тобто є непарною. У цьому випадку хвильова функція, яка описує початковий квантовий стан частинки, що розпадається, також повинна бути непарною (себто має змінювати знак при перестановці лівого й правого боків місцями).

Далі, піони – частинки, відкриті Пауеллом та гіпотетично передбачені Юкавою, непарні, тож хвильова функція, яка описує квантовий стан їхнього дзеркального відображення, матиме протилежний знак порівняно з початковою хвильовою функцією. Розрізнення між парністю й непарністю чимось нагадує розгляд, з одного боку, правильного сферичного м’ячика, який у дзеркалі виглядає ідентично, а отже, є парним:

А з другого боку, скажімо, ваша рука, яка у дзеркалі змінює характер (з лівого на правий), а отже, є непарною:

З огляду на ці дещо абстрактні роздуми, дані спостережень розпадів нових частинок, які відкрив Пауелл, ставили дослідників у глухий кут. Оскільки піон непарний, два піони повинні бути парними, адже (-1)2 = 1. Проте система з трьох піонів, за цими ж роздумами, є непарною, оскільки (-1)3 = -1. Таким чином, якщо в результаті розпадів частинок парність не змінюється, та сама початкова частинка не може розпадатися на два різні кінцеві стани з різною парністю.

Якби сила, відповідальна за цей розпад, поводилася, як усі інші відомі на той час сили на кшталт електромагнетизму чи гравітації, вона була б сліпа щодо парності (не відрізняла б лівий бік від правого), тож після розпаду вона не змінювала б початкову парність системи, точно як освітлення вашої правої руки не змушує її виглядати, як ваша ліва рука.

Оскільки видавалося неможливим, щоб частинки одного типу іноді розпадалися на два, а іноді на три піони, рішення здавалося простим. Має бути дві різні нові елементарні частинки з протилежними характеристиками парності. Пауелл назвав їх тау-частинкою й тета-частинкою, і одна з них розпадалася на два піони, а друга – на три.

Спостереження показували, що ці дві частинки мають точно однакові маси й час життя, що було трохи дивним, проте Лі і Янг висловили припущення, що це може бути загальною характеристикою різних елементарних частинок,