Этот правый, левый мир

Глава 23. Нейтрино

Знаменитый опыт Майкельсона—Морли был выполнен в 1887 году. Его окончательный смысл стал ясен лишь восемнадцать лет спустя, в 1905 году, после выхода в свет первой статьи Эйнштейна по специальной теории относительности.

Никто не знает, сколько лет понадобится на то, чтобы новый Эйнштейн до конца смог осознать результаты эксперимента госпожи By. Может быть, это суждено сделать как раз тому молодому гению, который в данный момент читает эти строки, хотя его наставники уверены, что он корпит над спряжениями глаголов.

В наши дни лучшие физики-теоретики мира прилагают все силы к тому, чтобы выработать единую теорию, учитывающую нарушение четности в слабых взаимодействиях и вместе с тем объясняющую поразительное отсутствие лево-правой асимметрии во всех явлениях природы, не включающих слабых взаимодействий. Не проходит и месяца, чтобы редакции физических журналов не получали рукописей статей, содержащих попытку такого объяснения. К сожалению, большинство таких рукописей обычно бывает написано людьми, заинтересовавшимися теорией, но не имеющими должной подготовки и, в частности, не позаботившимися разобраться в сложном математическом аппарате квантовой теории. Тем не менее все же может оказаться, что какой-нибудь любитель, не обремененный знаниями профессионала, которые сделали бы его сверхосторожным в своих умозаключениях, как раз и наткнется на ключ, открывающий дверь истины.

Всякому, кто задумается над возникшей проблемой, немедленно придет в голову ошеломляющая мысль: а не обладает ли само пространство в каждой своей точке некой внутренней право-левой асимметрией? И классическая физика Ньютона, и современная теория относительности с квантовой теорией предполагают, что пространство совершенно изотропно. Это означает, что любое направление в пространстве ничем не выделено среди остальных: пространство сферически симметрично. Можно ли сконструировать такую модель Вселенной, в которой пространство обладало бы внутренней право-левой асимметрией?

Оказывается, да. Математики могут предложить модель анизотропного (неизотропного) 3-пространства, в каждой точке которого задана определенная винтовая ориентация («внутренняя спиральность»), одинаковая для всех точек, иными словами, пространству сопоставлен винт с «левой» или «правой» резьбой. Модель сконструировать нелегко, так как пространство имеет сложное строение. Можно было бы подумать, что общее закручивание пространства, как в случае с листом Мёбиуса, дает что-либо подобное, но это не так. Кручение должно быть в каждой точке и при этом иметь такой характер, чтобы его влияние на слабые взаимодействия зависело от ориентации аппаратуры.

Поскольку Земля вращается в космическом пространстве, то аппаратура, используемая для проверки четности, все время меняет свою ориентацию, однако результат проверки от этого не меняется. Нужна такая модель пространства, которая обладает тонкой, ненаблюдаемой «зернистой» структурой, приводящей к асимметричному однородному закручиванию независимо от пространственной ориентации частицы, подверженной воздействию этого кручения.

Если допустить, что такая «зернистая» микроструктура пространства действительно существует, то можно понять, почему четность нарушается только в слабых взаимодействиях. В сильных взаимодействиях неуловимое, мгновенное закручивание пространства можно просто не принимать в расчет. Если катить шар по не очень гладкому желобу, то при достаточно большой скорости дефекты поверхности практически не влияют на его движение. Если же мы пустим шар размером с горошину или просто сообщим ему небольшую скорость, то волнистость желоба может заметно исказить траекторию. Именно поэтому быстротечные сильные взаимодействия могут оказаться не чувствительными к асимметрической микроструктуре пространства-времени. Точно так же эта «зернистость» не сказывается на движении больших, макроскопических тел — бильярдных шаров и планет, а также на движении квантов излучения, происходящем со скоростью света. Эта микроструктура заметна лишь в медленных процессах слабого взаимодействия элементарных частиц.

Многие физики склонны придерживаться именно такого толкования существа проблемы. Например, Отто Фриш из Кембриджа в упоминавшейся выше книге «Атомная физика сегодня» задает такой вопрос: «Можно ли считать, что кобальт не был бы радиоактивным, если пространство не было бы закручено?» Лично мне кажется, что, несмотря на заманчивость этой теории, большинство физиков, специализирующихся в теории элементарных частиц, все же ответили бы на этот вопрос отрицательно.

Дело в том, что гораздо более слабые, чем силы слабого взаимодействия, силы тяготения, тесно связанные с пространственно-временной структурой космоса, никогда не обнаруживали такого рода асимметрии, хотя именно здесь ее следовало бы ожидать. Правда, силы тяготения настолько слабы, что их влиянием на уровне элементарных частиц обычно пренебрегают, но если общая теория относительности справедлива, то тяготение — это лишь иной способ описания инерции. Частицы обладают инертной массой. Во всех поставленных до сих пор экспериментах не было ни малейшего указания на наличие асимметрии инерции. Этот факт чрезвычайно трудно совместить с представлением о закрученном пространстве. Все законы природы, за единственным исключением законов, управляющих слабыми взаимодействиями, проявляют полнейшее безразличие к правому или левому. Поэтому вполне понятно, что физики склонны придерживаться классической идеи изотропности пространства[54].

К счастью, существует другой подход к описанию слабых взаимодействий, в котором неодинаковая роль правого и левого направлений может быть понята без привлечения «зернистой» закрученной структуры пространства-времени. В основе этого подхода лежит предположение о том, что вследствие каких-то — пока нам абсолютно неизвестных — причин некоторые элементарные частицы имеют в действительности асимметричную пространственную структуру. Мы уже видели, как трудно было в свое время химикам поверить в то, что атомы, соединяясь в молекулы, могут образовывать при этом асимметричные пространственные структуры валентных связей. Лишь открытие стереоизомеров окончательно рассеяло сомнения. Многие физики считают, что наше теперешнее понимание свойств элементарных частиц находится на уровне знания молекул накануне открытия стереоизомеров.

«Пока, — напоминает нам Теллер, — не было необходимости изучать внутреннюю структуру электрона». Может быть, в будущем, располагая мощными, нам сейчас неизвестными средствами, физики установят, что элементарные частицы отнюдь не элементарны?

Мы располагаем еще лишь смутными, недостоверными указаниями на это. Наиболее явный намек следует из недавнего открытия действительной спиральной асимметрии нейтрино.

История нейтрино заслуживает краткого изложения. Как уже говорилось, нейтроны (которые присутствуют во всех ядрах, за исключением водорода) — это частицы, имеющие магнитный момент, но не имеющие заряда. Масса нейтрона чуть больше массы протона. При бета-распаде радиоактивного ядра нейтрон распадается на протон и электрон. Однако суммарная масса протона и электрона меньше массы исходного нейтрона. Некоторая часть «потерянной» массы переходит в энергию в соответствии с известным соотношением Эйнштейна Е = mc². Даже если учесть это обстоятельство, для баланса все равно не хватает небольшого количества массы-энергии. Куда же она делась? В 1931 году Паули предположил, что она уносится некоторой частицей, существование которой нужно предположить для выполнения закона сохранения энергии. Когда Ферми разработал свою теорию слабых взаимодействий для объяснения медленного протекания бета-распада, он принял предположение Паули и весьма удачно назвал гипотетическую частицу «нейтрино», то есть «маленький нейтрон». Свойства нейтрино должны были быть такими, что его очень трудно зарегистрировать. Но тем не менее в 1956 году Фредерик Райнес и Клайд Коуэн младший в конце концов доказали существование нейтрино. В качестве источника этих частиц использовался огромный ядерный реактор Комиссии по атомной энергии на Саванна-Ривере, штат Джорджия.

Когда-то в одном цветном мультфильме звучала песенка с припевом: «Ты не более чем призрак, да и нет тебя вообще». О нейтрино лучше не скажешь. Считается, что масса покоя нейтрино равна нулю. Поэтому оно может двигаться в пространстве со скоростью света. Нет у нейтрино ни заряда, ни магнитного поля. Зато у него есть спин. Шутя физики говорят, что спин — это все, что осталось у нейтрино от частицы. Прямо-таки улыбка Чеширского кота![55]

Поскольку нейтрино не испытывает ни притяжения, ни отталкивания в электрических и магнитных полях других частиц, оно может на своем пути в космическом пространстве пройти сквозь земной шар, как если бы его вовсе не было. Вероятность торможения нейтрино частицами земного шара оценивается в десятимиллиардных долях единицы. К счастью, вокруг нас так много нейтрино, что подобные столкновения действительно происходят; в противном случае эту частицу никогда не удалось бы обнаружить. Пока вы читали эту фразу, миллиарды нейтрино, пришедших от Солнца, звезд, а быть может, и из других галактик, пронизывали ваше тело.

Когда писалась эта книга, первооткрыватели нейтрино Коуэн и Райнес глубоко под землей продолжали свои работы над новыми нейтринными проектами. Поскольку мощный слой земли поглощает все другие частицы, приходящие из внешнего пространства, он используется как фильтр, пропускающий лишь нейтрино. Райнес работал в заброшенной соляной шахте на глубине 600 метров в горах Адирондак (штат Нью-Йорк), а Коуэн занимался изучением нейтрино в одной из пещер Голубого хребта (штат Мэриленд). В 1963 году Райнес собирался соорудить гигантскую ловушку нейтрино в глубине одной из золотопромышленных шахт возле Иоганнесбурга в Южной Африке[56]. Поскольку нейтрино, безусловно, должны образовываться при столкновениях материи с антиматерией, регистрация нейтрино позволит получать информацию о наличии антивещества в космосе.

Если принять, что нейтрино обладает спином и движется в направлении, совпадающем с осью вращения, то очевидно, что вращение может происходить в одном из двух возможных направлений. Предположим, что на поверхности этой частицы нарисована точка. (Ясно, что такого сорта рассуждения — весьма грубое приближение к тому, что может быть точно выражено лишь на языке математических формул; и все же такое грубое описание имеет некий смысл.) При движении частицы вперед со скоростью света точка описывает либо правовинтовую, либо левовинтовую спираль. При этом, говоря о винтовой ориентации спирали, мы подразумеваем наблюдателя, который или покоится, или движется со скоростью, меньшей скорости поступательного движения частицы. Если наблюдатель движется в том же направлении, но быстрее, чем наблюдаемая частица, то она имеет относительное движение от наблюдателя, а это приводит к изменению винтовой ориентации спирали (иными словами, меняется «спиральность» частицы) .

Чтобы понять, что это действительно так, представьте, что к вам приближается нейтрино с правой спиральностью. Вы смотрите ему в «лицо» и видите правовинтовую спираль. Нейтрино проходит сквозь вас и начинает удаляться. Вы оборачиваетесь, видите «спину» нейтрино и убеждаетесь, что его движение по-прежнему описывается правовинтовой спиралью. Теперь допустим, что вы движетесь в ту же сторону, что и правовинтовое нейтрино, но со скоростью, равной удвоенной скорости частицы. В вашей системе отсчета, которая ничуть не хуже любой другой (теория относительности отрицает существование «преимущественных» систем координат), нейтрино будет двигаться от вас и вы увидите левую спираль. То же самое будет, если вы станете догонять нейтрино. С точки зрения внешнего наблюдателя, например, в «системе неподвижных звезд» вы догоняете правовинтовое нейтрино, но с вашей точки зрения это выглядит как движение левовинтового нейтрино к вам.

Так, может быть, нейтрино в самом деле бывает либо правовинтовым, либо левовинтовым в зависимости от скорости движения наблюдателя? Оказывается, нет. Дело в том, что нейтрино, как и фотон, движется со скоростью света, а теория относительности не позволяет никакому наблюдателю двигаться со сверхсветовой скоростью. Поэтому наблюдатель всегда одинаково оценивает характер спиральности данного нейтрино, движется ли он от частицы или навстречу ей, и ему никогда не удастся найти систему координат, относительно которой нейтрино изменило бы направление своего вращения. Короче говоря, спиральность нейтрино одинакова для всех наблюдателей.

Мысль о том, что вращающаяся частица может постоянно находиться в одной из двух зеркально сопряженных винтовых форм, была еще в 1929 году высказана знаменитым немецким математиком Германом Вейлем. Для такой гипотезы Вейль совершенно не располагал какой бы то ни было экспериментальной информацией; просто он считал, что этим демонстрируется очень простая и математически изящная теория. Тогда никто не придал значения теории Вейля. Почему? Да потому, что она шла вразрез с законом сохранения четности, внося в природу необъяснимую асимметрию. Как только несохранение четности было установлено, теорию Вейля признали пророческой. Действительно, вскоре появились указания на то, что нейтрино имеет свою античастицу и что эти две частицы различаются именно так, как предполагал Вейль. (Вейль умер в 1955 году, за два года до возрождения своей теории.)

Эта «двухкомпонентная» теория нейтрино, как ее стали называть, была в 1957 году независимо предложена несколькими физиками-теоретиками: Ли и Яном, Абусом Саламом из Пакистана и советским ученым Львом Давидовичем Ландау. Имеются многочисленные свидетельства того, что эта теория в своей существенной части верна. В бета-распаде при испускании электронов вместе с ними испускаются антинейтрино, вращение которых, если смотреть «из ядра», происходит по часовой стрелке, то есть они закручиваются около своих траекторий по правым спиралям. Напротив, при распаде антинейтрино в процессе анти-бета-распада вылетающие позитроны сопровождаются нейтрино, описывающими левосторонние спирали (рис. 63). Так впервые в истории физики элементарных частиц было установлено наличие стабильной асимметрической структуры частицы (структура нейтрино — это просто определенный вид связи между спином и направлением движения). Нейтрино и антинейтрино — первые из известных нам на уровне элементарных частиц аналоги право- и левосторонних молекул Пастера!

В 1957 году несколько физиков, в их числе Ли и Ян, развили теорию еще дальше[57]. Они предположили, что существуют два типа пар нейтрино — антинейтрино: одна связана с распадами, при которых испускаются электроны, а другая — с распадами, в которых участвуют мю-мезоны. Их предположение получило подтверждение в эксперименте группы физиков из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории, работавших на самом большом в мире (тогда)[58] синхротроне с жесткой фокусировкой в Брукхейвене (Яфанг, Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк).

Нейтрино нового типа и их античастицы сопровождают пионный распад с образованием мю-мезонов[59], Пока не ясно, что означает это замечательное открытие с точки зрения структуры нейтрино. Возможно, нейтрино обоих типов вращаются в одну сторону, а их античастицы — в другую; а может быть, нейтрино каждою типа вращается так, как антинейтрино другого типа. Это еще предстоит установить. Газета «Нью-Йорк таймс» в номере от 1 июля 1962 года приводит слова одного физика: «Это можно сравнить с тем, как если бы мы открыли два вида вакуума!»