Этот правый, левый мир

Я. А. Смородинский О новой истории «Проблемы Озма»

Итак, можно ли все-таки объяснить обитателю другой галактики, с какой стороны находится у нас сердце? Можно ли это сделать, если между двумя мирами есть только радиосвязь?

Гарднер кончает свой рассказ на том, что указать правое и левое направления можно с помощью опыта By. Рецепт, который мы сообщим собеседнику, таков:

1. Возьмите соленоид с током.

2. Поместите в него радиоактивный кобальт-60.

3. Сосчитайте, сколько электронов летит из каждого конца соленоида.

4. Отметьте, в какую сторону вылетает меньше электронов.

Теперь предложим собеседнику взять винт и ввинчивать его в направлении, в котором вылетает меньше электронов. Если он будет вращать отвертку в направлении тока, такой винт надо называть правым; если против направления тока, такой винт надо называть левым. Разобравшись в винтах, удастся уже договориться, какая рука называется правой. Возможность опыта By связана с тем, что в природе есть нейтрино И антинейтрино. Нейтрино летит в пространстве, как волчок или как снаряд, «ввинчиваясь», подобно левому винту. Антинейтрино, наоборот, «ввинчивается», как винт правый. Так что вместо описания опыта By можно было бы просто послать нашему далекому другу нейтрино и попросить его самого сравнить нейтрино со своими винтами, руками и чем он еще захочет. В противоположность каналу радиосвязи нейтрино-антинейтринный канал пропускает информацию о правом и левом. Что бы ни случилось но дороге с нейтрино, рассеялся ли он, столкнувшись с каким-либо атомом (это хотя и очень маловероятно, но все же возможно), или нет, его винт, или, как говорят, его спиральность, не изменится: нейтрино всегда левое!

Все это так, но природа заготовила ловушку. Рецепт годится, если мы твердо знаем, что у собеседника — обитателя другого мира — по проводам движутся электроны, а его кобальт состоит из протонов и нейтронов. Если мы в этом не уверены, то в принципе возможно, что у нашего друга по проводам текут позитроны, а кобальт есть не кобальт, а антикобальт и его ядро состоит из антипротонов и антинейтронов.

История, которую рассказал Гарднер, окончилась на том, что результатов повторения опыта By может быть два. Либо в другом мире все построено, как и у нас, из электронов и нуклонов, и тогда правый винт там будет такой же, как у нас. Либо другой мир устроен наоборот и ядро «кобальта» в нем состоит из антипротонов и антинейтронов, а его оболочка — из позитронов, и тогда все это «сооружение», с нашей точки зрения, надо назвать антикобальтом. В этом случае посланное описание опыта привело бы к ошибке и винт, который по результатам испытаний был бы зачислен в правый, «на самом деле» оказался бы левым — «на самом деле» в том смысле, что, если бы винт прислали к нам, он оказался бы по геометрической форме таким же, как наш левый винт.

Значит, в описании есть пробел. Оно обладает неприятной двузначностью: одно и то же испытание с одним и тем же результатом пройдет и левый винт, сделанный из вещества и правый винт, сделанный из антивещества.

Не поможет и нейтринный канал; мы не в состоянии объяснить, из какого источника получено это нейтрино: ведь антикобальт излучает нейтрино, а кобальт—антинейтрино. Для того чтобы понять, какое нейтрино было поймано, надо опять-таки знать разницу между миром и антимиром.

Такое удивительное положение отражает «комбинированную симметрию» мира, существование которой было обнаружено Ландау. Но природа, приготовив ловушку, предусмотрела и выход из нее. Несколько лет назад, в 1964 году, на конференции в Дубне два американских физика, Кронин и Фитч, сообщили, что частица, которая называется K⁰₂-мезон, распадается на три пиона:

Это сообщение вызвало сенсацию. Оно означало, что ландаувская симметрия неточна, что в мире есть процессы, в которых она нарушается!

Дело в том, что существуют два нейтральных каона — мезон K⁰₁ и мезон K⁰₂. Они, как говорят, истинно нейтральные частицы, каждый из них совпадает со своей античастицей (как фотон или как нейтральный пион π⁰). Поэтому в мире и антимире К⁰ одинаковые. Отличаются они между собой тем, что K⁰₁ распадается на два пиона, а K⁰₂, как уже говорилось, — на три. K⁰₂ более «живучий». Его среднее время жизни примерно 10^–8 сек, в то время как K⁰₁ живет всего 10^–10 сек. Распады K⁰₁ → 3π или К → 2π невозможны в мире с ландаувской симметрией, так же как из кобальта в нашем мире не может вылететь нейтрино!

И вдруг все оказалось не так. K⁰₂ распадались примерно в одном случае из 1000 на 2π. После этого их даже переименовали: стали называть долгоживущий К_L и короткоживущий К_S. Короткоживущий почти всегда распадается на два пиона:

и очень редко — на три. Долгоживущий распадается почти всегда на три пиона:

и очень редко — на два.

Свойства нейтральных каонов очень поучительны, но рассказать о них довольно трудно[63]. Для нас сейчас интересно то, что открытие распада К_L → 2π позволило решить и проблему «Озма».

Каоны К_L и К_S рождаются вместе, когерентно, так что, согласно законам квантовой механики, они могут интерферировать друг с другом, подобно свету. Это значит, что распад пучка каонов, в котором есть и К_L и К_S, происходит не так, что каждый из сортов мезонов распадается независимо. Число распадов в единицу времени не равно просто сумме количества распадов К_L, происходящих по закону

где n(К_S) — число имевшихся К_L при t=0, и количества распадов К_S

а отличается от этой величины либо в большую сторону (конструктивная, положительная интерференция), либо, в меньшую (деструктивная, отрицательная интерференция)[64].

Вот этот знак интерференции и поможет нам когда-нибудь договориться с далеким собеседником. Надо лишь добавить в описание опыта еще следующие пункты:

5. Измерьте количество распадов на 2π в пучке нейтральных каонов на определенном расстоянии от места их рождения. (Эффект зависит от «возраста» каонов.)

6. Определите знак интерференции.

7. Сравните с результатами такого же опыта на Земле.

8. Если результаты совпадут, вы Живете в мире таком же, как наш, если нет, то ваш мир — антимир в нашем понимании. Вот и все!

И все же природа загадала нам новую загадку. Нигде, кроме мира каонов, не удалось найти нарушений ландаувской симметрии. Почему это так? Какой смысл в существовании столь редкого события, как распад К_L → 2π? Правда, ему уже нашли применение. Изучая интерференцию, удалось установить, что К_L-мезон тяжелее К_S и эта разность составляет 10^–5 электроновольта — ¹/₅ · 10¹³ от средней их массы:

Это самая маленькая разность масс частиц, которая сейчас известна; она отвечает примерно мухе, которая уселась на здание Московского университета!

Как всегда, решение одной задачи порождает новые. И последней задачи никогда не будет.