Размышляя об отражении

Чтобы полностью осознать открытие Кронина и Фитча, мы должны понять концепцию симметрии в физике элементарных частиц. Некоторые симметрии выглядят непрерывными, как вращательная инвариантность. Закрутим атом водорода, находящийся на самом низком уровне энергии, и его измеряемые физические свойства будут казаться теми же самыми. Симметрия переноса (движения через пространство) также непрерывна: сдвинем немного тот же атом через пустое пространство, и он ничуть не изменится.

Другие типы симметрии являются дискретными, включают сдвиг между конечными наборами конфигураций. Симметрия зарядового сопряжения (смены знака) является хорошим примером: если поменять заряд частицы с положительного на отрицательный и ничего больше не изменится, то эта симметрия имеет место. Симметрия пространственной инвариантности возникает тогда, когда вы отражаете объект в зеркале, с математической точки зрения она включает изменение знака одной или нескольких пространственных координат – с плюса на минус или наоборот. При этом виде симметрии смена направления взаимодействия на его зеркальный образ никак не повлияет на результат.

Представим, что вы работаете в пункте приема вторсырья, и некто дает вам бумажную перчатку, чтобы превратить ее в бумажную массу. Вас не заботит, с левой руки она или с правой, это одно и то же – вот симметрия пространственной инвариантности. И наоборот, если при игре в бейсбол вы исполняете роль катчера и ловите мяч правой рукой, то перчатку для левой вы постараетесь обменять, и здесь подобной симметрии нет.

Разница между леворукостью и праворукостью называется «хиральность». Многие знакомые вещи – перчатки, обувь, ракушки, двери и т. д. – имеют соответствующую направленность. В симметрии пространственной инвариантности изменение хиральности не влияет на результат.

Временная симметрия тоже относится к дискретным, и в ее рамках существуют два выбора: вперед и назад во времени. Полностью упругое столкновение двух пляжных мячей – отличный пример существования такой симметрии. Рост ребенка по мере его превращения во взрослого – один из несметного количества образцов из нашей жизни, где такой симметрии нет. Понятное дело, что видео человеческого развития выглядит по-разному, если воспроизводить его вперед и назад во времени – случай нарушения временной симметрии в повседневном масштабе.

И в конечном итоге существуют близкие к симметричным ситуации, когда преобразование производит небольшие изменения. Протоны и нейтроны обладают почти одинаковой массой, подчиняясь почти-симметрии, называемой «изоспин». Такие почти-симметрии иногда дают нам информацию о связях между частицами. В случае с протонами и нейтронами оказалось, что и те и другие состоят из компонентов, называемых кварками и глюонами.

Диаграммы Фейнмана с перпендикулярными осями, отображающими пространство и время, наряду с прямыми и волнистыми линиями, показывающими характерные траектории частиц, могут быть использованы и для того, чтобы наглядно представить разного вида симметрии. Их можно применить, чтобы показать, что комбинация временной симметрии, симметрии зарядового сопряжения и пространственной инвариантности должна быть инвариантна для всех известных взаимодействий в мире частиц.

Например, возьмем электрон, движущийся направо – при смене заряда он превратится в позитрон, движущийся направо; отразим его в зеркале, и он превратится в позитрон, двигающийся налево; обратим направление времени, и он станет позитроном, который движется налево и одновременно в прошлое. Взяв концепцию позитронов Фейнмана и Уилера, мы представляем ее посредством смены направления осей координат в диаграмме, результатом чего станет электрон, путешествующий вправо и в будущее. Таким образом, мы описали полный цикл, показав магическую комбинацию из трех симметрий.

Другой способ описания этого феномена – взять две симметрии и показать, что их комбинация является третьей. Например, смена заряда и направления в пространстве эквивалентны изменению направления времени. Если заряд и направление постоянны, то время тоже. Изменение заряда и направления означает изменение времени.

Для электромагнитных взаимодействий каждое из трех преобразований является инвариантным. Вы можете убедиться в этом, измеряя силу отталкивания между двумя электронами, один слева, другой справа, и применяя к ним любое из преобразований. Сменим заряды, электроны станут позитронами, сила не изменится; поменяем местами электроны – то же самое, изменим направление времени – и опять ничего не меняется.

Просто, но скучно.

Более интересным выглядит слабое взаимодействие, имеющее отношение ко многим формам радиоактивного распада. В ранних моделях слабого взаимодействия предполагалась инвариантность каждой из трех симметрий, как и в электромагнетизме.

Но в 1956 году физики Янг Чженьнин и Ли Чжэндао высказали предположение, что определенные типы каонного (к-мезонного) распада демонстрируют нарушение симметрии пространственной инвариантности. Слабое взаимодействие, заявили они, характеризуется расхождением между определенными процессами и их зеркальным отображением – подобно разнице в проценте правшей и левшей. Экспериментатор Ву Цзяньсюн блестяще подтвердила их гипотезу, результатом чего стала Нобелевская премия для первых двоих в следующем году.