Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Работы Дэвиса и Косибо привели к неожиданным открытиям и создали новое поле деятельности для астрономов — нейтринную астрофизику, а они оба удостоены Нобелевской премии за 2002 год.

Но история нейтрино отнюдь не исчерпывается проблемой его регистрации.

2. Принципы симметрии и проблемы сохранения четности

Мы уже говорили о замечательной теореме Эмми Нётер[39], согласно которой неизменность системы при ее переносе как целого в пространстве, ее поворотах, сдвиге начала отсчета времени ведут к законам сохранения импульса, момента вращения и энергии. Но помимо таких непрерывных преобразований нужно рассмотреть и дискретные преобразования: отражение в зеркале (пространственная инверсия, обозначается символом Р), обращение времени (обозначается символом Т), зарядовое сопряжение, т. е. замена всех частиц на античастицы (обозначается символом С). Из очень общих соображений была установлена СРТ-теорема Людерса-Паули: если проделать все три операции над любой системой, то она должна вернуться в свое прежнее состояние.

Нарушение СРТ-инвариантности означало бы фактическое крушение основ современной физики, не менее значимое, чем, скажем, успешное построение вечного двигателя. Поэтому проверке этой теоремы всегда уделялось особое внимание.

Но еще раньше, до установления СРТ-теоремы в начале 1950-х гг. рассматривались по-отдельности симметрии относительности операций Р, С и Т. Например, симметрия относительно пространственной инверсии Р означает, что наряду с существованием некоторого образования может существовать и другое, получаемое при его зеркальном отображении. Так, еще Жан-Батист Био обнаружил в 1815 г., что существуют вещества, вращающие плоскость поляризации света только вправо или только влево. А Луи Пастер (1822–1895), основоположник современной микробиологии, открыл, что многие органические вещества могут существовать в двух зеркально противоположных конфигурациях — левой и правой. Эти разновидности он определил оптически — они вращают плоскость поляризации света в разные стороны (явление хиральности, от греческого «хир» — рука, как бы «разнорукость»), причем, например, наш организм усваивает только и только «левые» соединения.

Казалось естественным и соответствовало множеству наблюдений, что если из симметричной системы, например набора неорганических веществ, синтезировать органические молекулы, то в общем случае получится одинаковое количество левых и правых соединений: если первоначальное состояние было симметричным относительно зеркального отображения, оно таким и останется. И наоборот — для асимметричного синтеза нужно заранее заложить в процесс какую-то асимметрию.

Есть фантастический рассказ о том, как космонавты-земляне гибнут от голода на какой-то вновь открытой планете: она изобилует съедобными продуктами, но все они в правой конфигурации, не усваиваемой организмом. Причины такой хиральности органики на Земле до сих пор не выяснены.

При математическом описании процессов зеркальное отображение соответствует изменению знака пространственных координат. Поэтому симметричные состояния частиц называются четными — знак функции, которая их описывает, не меняется, а антисимметричные — нечетными. Отсюда Вигнер постулировал в 1932 г. закон сохранения четности: каждая частица имеет определенную четность, а четность их соединений определяется произведением четностей составных частей и моментом системы.

Обращение времени Т означает, что наряду с прямой реакцией может происходить и обратная: из перехода, например, А + В → С + D, следует возможность и обратного перехода: С + D→А + В (вероятности их различны, но связаны так называемой теоремой баланса).

Симметрия относительно зарядовой четности С означает, например, что если продукты распада частицы вылетают в одну сторону, то продукты распада античастицы вылетят в противоположную сторону.

Законы сохранения определенных четностей казались столь естественными, что как-то даже не поднимался вопрос о возможности их нарушения. И вдруг, в 1956 г. совершенно неожиданно появляется статья двух теоретиков, американцев китайского происхождения, Ли Чжендао (р. 1926) и Янг Чжэньнина (р. 1922): оказывается, ни один существующий эксперимент не доказывает, что в реакциях с участием нейтрино (они называются слабыми) пространственная четность сохраняется. А может быть, этот закон справедлив только для сильных и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых? И они предлагают ряд экспериментов для проверки такой гипотезы.

Статья эта вызвала в первый момент впечатление шутки или абсурда: под удар ставилась, казалось, самая основа физики. Но очень скоро, буквально через несколько месяцев, их компатриотка мадам Ву Цзин-сян (р. 1913) подтверждает гипотезу Ли и Янга: поставив эксперименты по бета-распаду строго ориентированных при низких температурах ядер кобальта и измеряя поляризацию электронов, она показала, что нейтрино бывают только лево-поляризоваными. Значит, их нельзя отразить в зеркале — поляризация должна при этом измениться на правую, но таких нейтрино не существует!

Сразу же и почти одновременно Янг и Ли, Л. Д. Ландау и Абдус Салам предположили, что должна сохраняться комбинированная СР-четность: при отражении в зеркале одновременно с изменением знака координат и поляризации нейтрино переходит в антинейтрино. (Ли и Янг очень быстро, уже в 1957 г. получили Нобелевскую премию.)

Позднее закон сохранения комбинированной четности (и несохранения Р- и С-инвариантности по отдельности в слабых и только в слабых взаимодействиях) был подтвержден во многих других экспериментах.

Но в 1964 г. Джеймс У. Кронин (р. 1931) и Вел Л. Фитч (р. 1923) обнаруживают, что при одном из типов распадов К-мезонов (или каонов, о них ниже) даже комбинированная четность не сохраняется. Нейтральные каоны существуют в двух формах: одна из них четная и поэтому может распадаться только на два пи-мезона (К0S → 2π), а вторая, нечетная и в 500 раз более долгоживущая, распадается на три пи-мезона (К0L → 3π) — именно такие типы распадов им строго предписывает сохранение СР-инвариантности.

Однако в эксперименте оказалось (в 45 случаях из 23 тыс. сфотографированных событий в искровой камере), что иногда каон К0L распадается на два пиона, а не на три — из-за редкости этого процесса его называют сверхслабым. Эти наблюдения были встречены с таким недоверием, что еще около полугода все эксперты их тщательно анализировали до того как отправить в печать.

Итак, вне подозрений осталась только полная СРТ-симметрия. Но тогда нарушение СР означает, что нарушается, для компенсации СРТ-сохранения, и Т-симметрия, т. е. из существования прямого процесса вовсе не следует, что должен существовать и обратный процесс. А это соображение ведет уже к грандиозным выводам. Так, мы дальше будем говорить, что вся наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет тому назад в результате Большого взрыва, но в момент этого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии, почему же сейчас мы наблюдаем только материю и не видим антиматерию?

Если все процессы Т-инвариантны, то сейчас должно наблюдаться такое же соотношение материи и антиматерии, которое было в самом начале существования Вселенной. Но нарушение СР- или Т-инвариантности позволяет античастицам распадаться быстрее, чем частицам, и, следовательно, быстрее исчезать, оставляя избыток частиц в виде вещества Вселенной. (Аннигилировавшие частицы и античастицы пополняют запас электромагнитного излучения и нейтрино во Вселенной.)

Принципиально важно отметить, что здесь физика самых малых по времени жизни и по размерам образований смыкается с физикой самых грандиозных процессов в мире.

Кронин и Фитч были за свой эксперимент удостоены Нобелевской премии 1980 г., однако до сих пор остается все же непонятным, чем вызван этот факт несохранения — полной теории, как объяснения причин такого распада, так и оценок итогов этих процессов в эволюции Вселенной, все еще нет.

3. Типы нейтрино и лептонный заряд

Итак, существуют только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино. Но это означает, что к ним не подходит уравнение Дирака, описывающее остальные фермионы: оно дает для частицы и античастицы четыре решения, а здесь их только два. И тут вспомнили, что еще в 1929 г. знаменитый математик Герман Вейль предлагал двухкомпонентное уравнение для электрона, отброшенное как раз потому, что оно не сохраняло четность[40]. Но согласно этому уравнению масса нейтрино должна строго равняться нулю, и хотя большинство теоретиков в этом уверены, поиски и определение его массы все еще продолжается. На сегодня (2010 г.) можно сказать, что масса нейтрино, вылетающих при бета-распаде ядер, не превышает в энергетических единицах 3 эВ, т. е. менее одной стотысячной от массы электрона (0,51 МэВ).