Несохранение четности

Драма идей в познании природы

К середине 1950-х годов накопились серьезные трудности в теории распада К-мезонов. Такие распады происходят за счет слабого взаимодействия, и в 1956 году, обсуждая возможность решения этих трудностей, Т.Ли и Ч.Янг поставили вопрос о сохранении четности в процессах слабого взаимодействия. Они показали, что убедительных экспериментальных данных в пользу эквивалентности правого и левого в процессах слабого взаимодействия нет, что процесс слабого взаимодействия и тот же процесс, отраженный в зеркале, могут отличаться друг от друга. Они указали опыты, в которых такое отличие можно наблюдать. Эти опыты были поставлены. Гипотеза Ли и Янга подтвердилась.

В опыте Ц.By и ее сотрудников изучался бета-распад ядер кобальта. Эти ядра были поляризованы. Спин ядер был ориентирован вдоль одного направления. Исследовалось, с какой вероятностью вылетают электроны под разными углами относительно оси ориентации спинов. Спин ядра - это момент его внутреннего вращения. Естественно, что вдоль оси вращения и перпендикулярно этой оси (в плоскости вращения) электроны должны вылетать с разной вероятностью вследствие действия центробежных сил. Но если четность сохраняется, то вращение ядра влево и вращение его вправо (против часовой стрелки или по часовой стрелке в плоскости вращения) должно приводить к одному и тому же распределению по углу вылетающих при бета-распаде электронов. Эти два случая - вращения ядра по и против часовой стрелки - получаются один из другого при их отражении в зеркале. В теории, в которой сохраняется четность, картина процесса не должна измениться, если его отразить в зеркале. Под одинаковыми углами к плоскости вращения должно вылетать одинаковое число электронов как вверх, так и вниз.

В самом деле, чем отличается процесс распада и этот же процесс, отраженный в зеркале? Тем, что один процесс мы описываем в "левой" системе координат X,Y,Z, а другой - в "правой" Y,X,Z. В левой системе координат поворот по кратчайшей дуге, при котором ось X совмещается с осью Y, происходит против часовой стрелки. В правой - по часовой стрелке. Любой процесс и его отражение в зеркале отличаются только тем, что при их описании мы должны сменить левую систему координат на правую. А все отличие этих двух систем в том, что мы меняем местами ось X и ось Y. Вот почему сохранение четности представлялось для физиков таким естественным. Но в опыте Ц.By было надежно установлено, что процесс бета-распада и его отражение в зеркале выглядят по-разному. Оказалось, что если смотреть со стороны направления, в котором вылетает больше электронов, то поляризованное ядро вращается по часовой стрелке. В этом и других опытах, поставленных почти одновременно, было установлено, что слабое взаимодействие явно предпочитает левую систему координат правой. Что в слабом взаимодействии участвуют только "левовинтовые" частицы.

Нейтрино рождаются только в процессах слабого взаимодействия (например в бета-распаде). Это значит, что во всех известных процессах взаимодействия нейтрино участвуют только "левовинтовые" нейтрино. Правовинтовые нейтрино, если и существуют, в наблюдаемых процессах не проявляются. Существование нейтрино только левой спиральности - еще одна сторона несохранения четности.

Это открытие сотрясало все основания физики. Казалось невероятным, что Природа знает, какая ось должна быть названа осью X, а какая - осью Y. (При данном направлении оси Z: изотропия - возможность поворота любого трехмерного объекта остается!) Это отчетливо понимали сами Ли и Янг. В заключение своей классической работы, за которую они были удостоены Нобелевской премии, авторы явно указывали на эту проблему.

В самом деле, когда мы говорим о вращении, то представляем себе ось. С одной стороны оси мы наблюдаем вращение по часовой стрелке, с другой - против часовой стрелки. Поэтому, когда мы говорим об определенном направлении вектора вращения, то в этом определении всегда присутствует условность, потому что все часы условились делать одинаковыми.

Естественно было бы, если бы ядро испускало преимущественно по экватору - это можно было бы понять как эффект центробежной силы. Можно придумать вращающееся тело, симметричное по оси в обе стороны. Однако испускание преимущественно в одну сторону кажется неестественным. Опыт с распадом поляризованного ядра можно было бы поставить гораздо раньше - а не ставили, потому что считали, что тривиальный результат гарантирован.

Действительно, если бы речь шла об электродинамике и сильном взаимодействии, то опыт подтвердил бы симметрию правого и левого: альфа-распад ядер, вращающихся в определенную сторону, симметричен, и электромагнитное излучение вращающегося атома симметрично.

Несимметрия в живой природе - это исключение, загадка, связанная с происхождением жизни. Напомним, что в неживой природе правый и левый сахар одинаковы. Связаны ли две загадки - бета-распад и живое, и если связаны, то каков механизм связи - это дело будущего.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год