Воспоминания о Л. Д. Ландау

В. Б. Берестецкий ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ[24]

В последние годы Л. Д. Ландау все больше времени уделял теории элементарных частиц. Если в других областях физики сейчас решаются конкретные задачи на основе квантовой механики, теории относительности и других четко сформулированных законов физики, то здесь имеют дело с новой областью, в которой основные закономерности еще только нащупываются.

Одна такая работа была выполнена Ландау в конце 1956 г. Она связана с проблемой несохранения четности во взаимодействиях элементарных частиц. В ней особенно ярко проявилось присущее Ландау мастерство использования очень общих и простых принципов к анализу самых различных вопросов. Одним из таких принципов является принцип симметрии, органически содержащийся в основных законах природы. Например, в общем случае «верх» не может иметь преимущество перед «низом». «Верх» и «низ»—это свойства, связанные только с тем, что в одном направлении от нас есть земля, а в другом — нет. Нет в пространстве и разницы между «правым» и «левым». В пространстве нет преимущественных направлений.

Решение многих конкретных задач значительно облегчается, если заранее подумать, что может быть, а чего не может быть с точки зрения принципов симметрии.

Как это ни странно, в 1956 г. в физике элементарных частиц сложилась такая ситуация, что эти незыблемые, казалось бы, законы вроде нарушаются. Речь идет о симметрии между «правым» и «левым»; чем принципиально может отличаться правое вращение вокруг оси от левого вращения, т. е. направления по или против часовой стрелки?

Законы природы должны быть симметричны относительно направления вращения. Иначе говоря, нельзя — и это считалось твердо установленным — указать явление, позволяющее отличить «правое» от «левого», — явление, с помощью которого можно было бы, например, объяснить разумным существам далеких миров, что мы подразумеваем под «правым» и что под «левым».

На первый взгляд кажется, что такие явления часто встречаются. Как известно, электрический ток создает магнитное поле. Если электроны, образующие ток, вращаются в некотором одном направлении, то магнитное поле направлено, скажем, вверх.

А если они вращаются в противоположном направлении, то магнитное поле направлено вниз, и это должно было бы указывать на отличие правого вращения от левого. Но последнее заключение ошибочно, и от того, как устроена правая или левая рука, законы физики не зависят. Действительно, разберемся в том, как действует магнитное поле. Оно заставляет вращаться электроны, которые в него попали. Если электроны, создающие поле, вращаются в одну сторону, то электроны, помещенные в это поле, будут вращаться в другую сторону независимо от того, какое из этих вращений правое и какое левое.

Если бы электроны двигались вдоль магнитного поля, то существовало бы объективное отличие «правого» от «левого». Но как раз этого в природе не бывает. Можно сказать и так: из равноправности правого и левого вращений (зеркальная симметрия) следует, что электроны не движутся под действием магнитного поля вдоль него.

Вот с каким явлением столкнулась физика элементарных частиц в 1956 г. Расскажу коротко об одном опыте. Он состоит в исследовании радиоактивного распада ядра кобальта с атомным весом 60. Это радиоактивное ядро испускает электроны. Куда должны эти электроны лететь? Из соображении симметрии следует, что они должны лететь равномерно и по всем направлениям, в частности столько же вперед, сколько и назад. Ведь нет выделенного направления в пространстве.

Теперь поместим кобальт в магнитное поле, т. е. окружим его соленоидом, по которому идет ток. Теперь есть выделенная ось соленоида, но оба направления ее должны быть равноправны. При этом на опыте оказалось, что электроны летят в основном вперед и в меньшем количестве назад. Этот вывод является потрясающим с точки зрения представления о симметрии «правого» и «левого», потому что если вращать электроны, создающие ток в соленоиде в обратном направлении, то электроны, испускаемые ядром, уже будут лететь в основном назад, так что «правое» и «левое» существенно отличаются.

Этот опыт доказал, что нет симметрии между процессом и его зеркальным отражением. Наблюдаемое явление и было названо нарушением закона сохранения четности.

Еще до опыта, когда вопрос только обсуждался, но прямых экспериментов по несохраиению четности не было, Ландау стал размышлять на тему, возможен ли подобный эффект. Он твердо считал, что пространство не может иметь такой право-левой асимметрии, и вначале думал, что результаты опытов будут отрицательными, а затем пришел к идее о возможности эффекта и без нарушения симметрии пространства. Он сформулировал новый закон симметрии, получивший название (в отличие от закона сохранения четности) закона сохранения комбинированной четности.

Суть его состоит в следующем. Вспомним, что, кроме электронов, существуют такие же частицы, как электроны, но с противоположным электрическим зарядом — позитроны. Каждой частице соответствует своя античастица. Несколько лет назад были открыты антипротоны, антинейтроны и другие античастицы. В обычном веществе атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Вообще же законы природы симметричны относительно знака заряда. Можно представить себе такой мир, в котором все наоборот, т. е. атомы состоят из отрицательно заряженных ядер и положительно заряженных электронов. Ни один из известных нам фактов не противоречит этому. Когда мы искусственно создаем частицы, то они возникают и положительными и отрицательными, и частицами и античастицами.

Ландау скомбинировал принцип зеркальной симметрии с этим принципом зарядовой симметрии.

Можем ли мы дать разумному существу из других миров объективное определение того, что отличает «правое» от «левого»? Используя описанный выше опыт, можно сказать ему так: «Возьмите ядра кобальта 60, поместите их при соответствующих условиях в магнитное поле и посмотрите, куда летят электроны. Это направление вместе с направлением вращения электронов в проводах электромагнита образует то, что мы называем правым винтом». Но, может быть, это существо живет в антимире, состоит из античастиц, возьмет антикобальт и будет наблюдать не электроны, а антиэлектроны, и они будут лететь в другую сторону. И это существо не может знать, живем ли мы в мире или антимире. И тогда что мы назовем частицами, а что античастицами?..

Так что симметрия правого с левым существует не сама по себе, а лишь объединенная с симметрией между частицами и античастицами.

Проблема несохранения четности возникла из явлений, которые привели к мысли, что четность, может быть, не сохраняется. Физики Ли и Янг, выдвинувшие эту идею, были награждены Нобелевской премией. Но их подход к вопросу был чисто эмпирическим. Для Ландау же характерен иной подход. Пока он не понял, что нарушение четности не нарушает законов симметрии, он не хотел верить в возможность таких эффектов. А когда поверил, то сформулировал обобщенный закон симметрии и указал на ряд новых эффектов. Часть из них была обнаружена экспериментально на основе работ Ли и Янга, часть — на основе работ Ландау.

Взаимодействие элементарных частиц очень сложно. Как показала теория относительности, число частиц не должно сохраняться и одни частицы могут превращаться в другие, лишь бы соблюдался закон сохранения энергии. Это и делает картину взаимодействия элементарных частиц сложной. Ведь нет такой задачи: столкнулись две частицы и можно спокойно изучать, какие силы действуют между ними. Здесь могут возникнуть десятки частиц одновременно, это новый огромный мир.

Найти закономерность таких процессов очень трудно. Поэтому в течение долгого времени у физиков существовало мнение, что для понимания взаимодействия элементарных частиц потребуются еще более фундаментальные изменения основных понятий, чем те, которые потребовались при построении теории относительности и квантовой механики. Может быть, это так и будет. Но в последнее время появились надежды найти более простые пути.

Еще в 1943 г. Гейзенберг высказал мысль, которая тогда не могла найти конкретного воплощения, а теперь стала играть большую роль, — это мысль о том, что, может быть, мы ищем слишком подробного объяснения процессам. Взаимодействие происходит в очень маленьких областях пространства, а мы хотим их детально описывать. На самом деле, может быть, этого и не нужно делать. На эксперименте смогут проявиться лишь те свойства частиц, которые имеют место, когда они находятся на больших расстояниях друг от друга.

Эта идея напоминает ту перестройку, которая произошла на первом этапе развития квантовой механики. Сначала хотели узнать детально, по какой траектории движется электрон в атоме, а потом выяснилось, что электрон вообще траектории не имеет.

Вот эту идею, только уже в современном виде, через 15 с лишним лет после Гейзенберга возродил Ландау. В 1959 г. он выступил на международной конференции по физике элементарных частиц в Киеве с докладом; который произвел на всех физиков мира огромное впечатление. Речь идет не о какой-то завершенной теории, но о новом подходе, направлении, которое сейчас быстро развивается, но далеко еще не завершено. Под влиянием идей Ландау этому направлению во всем мире уделяется много внимания.

Раньше всегда искали уравнения движения типа ньютоновских. Теперь задача формулируется на совершенно другом математическом языке. Ландау внес большой вклад в развитие соответствующего математического аппарата.

Оказалось, что есть такие явления, где могут проявиться простые и четкие закономерности, несмотря на всю их сложность. Сейчас такие закономерности в какой-то степени теоретически вскрыты. Это вызвало сразу большое внимание со стороны экспериментаторов, которые стали их детально изучать. Такими экспериментальными исследованиями занимаются на больших ускорителях, построенных в различных странах мира. Но это уже связано не непосредственно с работами Ландау, а с тем развитием, которое они получили у нас в Советском Союзе и за рубежом.