Странное поведение странных частиц
Швейцарский физик Эрнест Штекельберг, работая в нейтральной Швейцарии во время Второй мировой войны, когда в других частях Европы шли ожесточенные бои, высказал предположение, что античастицу можно рассматривать как частицу, путешествующую во времени назад. Идея Штекельберга была опубликована в одном малоизвестном швейцарском журнале в 1941 году, и в то время, конечно, мало кто обратил на нее внимание, в особенности в международных масштабах. Через восемь лет такую же идею высказал Ричард Фейнман, о котором мы рассказывали выше. Война к тому времени закончилась, Фейнман был известным ученым и смог донести свою идею до широких слоев общественности. Штекельберг считал себя обделенным. Но когда его спросили, почему он не опубликовал соответствующие статьи в крупнейших журналах или хотя бы американском Physical Review, который читают по всему миру, он отвечал, что шла война, и он не смог найти художника, который должным образом нарисовал бы необходимые графики и диаграммы, которые требовались для представления идеи. Напоминаем, что компьютеров в те времена не было, но все равно слова о необходимости привлекать художника звучат странно. Ведь требовалось нарисовать несколько прямых линий, соединенных кривыми. Но все равно похоже, что мы должны считать Штекельберга автором идеи о том, что античастицы – это частицы, путешествующие во времени назад.
В сознании тут же возникают образы по-настоящему экзотической антиматерии. Мы смотрим на позитроны и думаем, что это электроны, прибывшие из будущего. Определенно, время не может идти в обратном направлении и проявляться через то, что мы называем антиматерией. Миры из антиматерии не проходят сквозь наш, появляясь из будущего вместе с античужими, которые каждый антидень становятся все моложе и моложе вместо старения. Чтобы посмотреть, как антиматерия и обратный ход времени связаны с материей, нам вначале нужно понять, как базовые законы физики соотносятся со временем и как появилось наше восприятие времени.
Для больших кусков материи, включая живых существ, время – это иллюзия, включающая законы случайности, которые применяются к большим количествам атомов. Цветы вянут, наши тела стареют, из яиц вылупляются птенцы, и яйца при этом не могут собраться назад. Когда порядок превращается в беспорядок в широком смысле, возникает интуитивное ощущение течения времени, и эта концепция совсем не является очевидной после того, как посмотришь на фундаментальные законы физики.
Движением на любых уровнях и в любых масштабах, от планет до бильярдных шаров, управляют законы Ньютона, которые не проводят различий между будущим и прошлым. Если бы нам удалось заглянуть в прошлое и посмотреть, как там планеты двигались по орбитам вокруг Солнца, это движение оказалось бы ничем не отличающимся от того, что мы наблюдаем сегодня. Если посмотреть на движение планет в зеркале, то оно тоже будет точно таким же. То есть законы Ньютона неизменны и постоянны, даже если к ним применить обратный ход времени или зеркальную симметрию. Базовые уравнения работают независимо от того, в какую сторону вы пустите часы.
Отдельные атомы совершенно не волнует, в какую сторону направлена стрела времени, но их взаимодействия, в результате которых они перестраиваются и их переносит с места на место, дают наборы атомов, в которых, вероятно, может наблюдаться беспорядок и дезорганизация. Это происходит потому, что есть и другие возможные варианты: атомы должны быть соединены только одним определенным образом, чтобы получилось яйцо, но если оно разобьется, есть бесчисленное количество вариантов кусочков и того, как они упадут.
В качестве простого примера приведем бильярд. Десять шаров аккуратно выкладывают треугольником. Происходит первый удар – и порядок нарушается. Можно сказать, что каждая бильярдная партия уникальна на этом этапе, потому что есть множество вариантов движения шаров после первого удара. Нельзя сосчитать количество мест, где они могут оказаться. Возможно, хотя и маловероятно, что в результате первого удара игрок не попадет по сложенным шарам, и шар, которым били, вернется в то место, с которого начиналась игра. В таком случае, если вы смотрите запись на пленке, вы не можете сказать, видите ли вы реальное событие или время пошло вспять. При этом вы можете определить, если перед вами пленка прокручивается в обратном направлении, потому что разлетевшиеся после удара шары не склонны сами возвращаться на место и аккуратно выстраиваться равносторонним треугольником.
Беспорядка среди всего десяти бильярдных шаров достаточно для того, чтобы показать стрелу времени. В случае макроскопических предметов в дело вовлечено такое количество атомов, что не остается вообще никаких сомнений. Однако для отдельных элементарных частиц внутри атомов стрела времени потеряна – как в игре в снукер, где используются только два шара. В конце игры на столе оказываются только черный и белый шары. Но если окрасить оба шара в белый цвет, вы не сможете сказать, просматривая запись игры, крутится ли пленка вперед или назад. Точно также и на уровне отдельных электронов, протонов и даже атомов законы не волнует движение времени.
Для этих отдельных электрически заряженных частиц вы можете сделать еще одну вещь: воспроизвести время, посмотреть в зеркало и так же перенести знак электрического заряда в другое место. То, что вы получите в конце, будет вести себя точно так же, как то, с чем вы начинали. Продолжая аналогию с черным и белым шарами при игре в снукер, если вы поменяете черный и белый цвета, то вы тоже не сможете отличить реальность от противоположной или обратной реальности. Это и есть симметрия между материей и антиматерией, между электроном и позитроном. Механика электронов и их реакция на силы идентична механике и реакциям позитронов, если смотреть на них в зеркало и «проигрывать» в обратном направлении. Таким образом электрические токи с позитронами циркулируют против часовой стрелки в Большом электрон-позитронном коллайдере так же, как электрические точки с электронами циркулируют по часовой стрелке, если смотреть фильм, в котором время обращено вспять. В таком смысле позитрон ведет себя, как электрон, идущий назад во времени.
Давайте поместим пучок позитронов и еще один пучок электронов в Большой электрон-позитронный коллайдер в понедельник и будем снимать их по мере того, как они движутся в будущее. В конце недели прокрутим это кино назад и сравним с тем, что видели в реальности. Поток позитронов выглядит так, как поток электронов во времени, идущем вспять. И точно так же электроны выглядят, как позитроны в обращенном вспять времени – ни больше и не меньше! Правда, в этом случае мы игнорируем силу тяжести. Вообще-то для этого опыта следовало бы переместить Большой электрон-позитронный коллайдер в открытый космос.
Позитроны, как все части антиматерии, действуют так же, как частицы обычной материи. В этом отличий нет. Наше воображение поражает их разрушительная способность, которая и делает их «антиматерией». Но во всем другом они – знакомые игроки материального мира.
Глубокая симметрия между материей и антиматерией проявляется только если изменить на противоположные три свойства: заряд, четность и время. Когда Штекельберг и Фейнман высказывали свои идеи, считалось достаточным поменять одно из трех свойств, например одно время, для того чтобы показать эту симметрию. Однако теперь мы знаем, что одного недостаточно. Если вы измените на противоположное только одно свойство или два, могут проявиться небольшие различия. Спорным остается вопрос, ведут ли себя материя и антиматерия симметрично под влиянием силы тяжести.
Концепция простейших противоположных космических сил, единства противоположностей представлена в китайской философии инь и ян: инь символизирует свойства тени, зловещего и левой руки, в то время как ян отражает ее солнечную противоположность, символизируя четность и правую руку. Материя и антиматерия разделяют часть этой мистической симметрии, которая, как мы увидим, отличается и глубокой асимметрией, как отражает символ инь и ян.
Джеймс Уотсон Кронин и Вэл Логсден Фитч, американские физики, удостоенные Нобелевской премии (1980) за открытие нарушения фундаментальных принципов симметрии в распаде нейтральных К-мезонов
Выше мы говорили про бозоны, которые состоят из кварков и антикварков. Среди сотен типов есть один, который, как оказалось, демонстрирует абсолютную разницу между материей и антиматерией. Эта странная частица называется нейтральным каоном, обозначается – K0. Напомним, что каоны – это группа элементарных частиц с нулевым спином и массой около 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. В группу входят два заряженных и два нейтральных каона. Каоны бывают заряженные, нейтральные, короткоживущие, долгоживущие.
Нейтральный каон состоит из кварка и антикварка с различными ароматами, при сложении электрических зарядов которых получается ноль. Кварк с нижним ароматом вместе с антикварком странного типа дают K0. Если заменить материю антиматерией, то у вас будут странный кварк и нижний антикварк, которые дают антиверсию K0.
Первая подсказка о том, что K0 и его античастица – особенные, появилась в 1964 году, во время эксперимента, проводившегося в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, во время которого меняли заряды и при этом смотрели в зеркало. До этого времени считалось, что материя и антиматерия будут вести себя одинаковым образом. Однако, к удивлению всех, эксперимент показал, что это не так. По результатам эксперимента сотрудники Брукхейвенской лаборатории, американские физики, которые занимались ядерной физикой и физикой элементарных частиц, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, были удостоены Нобелевской премии в 1980 году за открытие нарушения симметрии относительно операции комбинированной инверсии. Комбинированная инверсия обозначается СР, это операция перехода от частиц системы к античастицам (зарядовое сопряжение) с одновременным изменением знаков пространственных координат частиц (пространственная инверсия – Р). Все взаимодействия в природе (за исключением процессов распада одной частицы) инвариантны (то есть не меняются) относительно комбинированной инверсии. Пространственная инверсия (Р) – это изменение знаков пространственных координат на противоположные (то есть х на – х, y на – y, z на – z), получается при зеркальном отражении координат частиц. Физические процессы, обусловленные сильными и электромагнитными взаимодействиями, не меняются при пространственной инверсии, то есть симметричны по отношению к пространственной инверсии. Зарядовое сопряжение – это операция замены всех частиц, участвующих в каком-либо процессе, на соответствующие античастицы. Сильное и электромагнитное взаимодействия не меняются при зарядовом сопряжении.
Инь и Ян – символ происхождения элементарных частиц
То есть до эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории считалось, что СР будет «симметрией» законов природы. Однако это не так! После присуждения Нобелевской премии Кронину и Фитчу одна шведская газета написала, что премию по физике дали за открытие того, что «Законы природы неправильны!». Законы природы не неправильны, хотя они оказались более утонченными или даже хитрыми, чем кто-либо предполагал.
Сегодня мы лучше понимаем, что происходит. Мы даже нашли способы показать асимметрию между K0 и его античастицей при обратном ходе времени.
Странный кварк более массивен, чем нижний, но во всем остальном точно такой же. В результате странный кварк может отдать часть энергии и превратиться в нижний кварк. Точно так же антистранный кварк может превратиться в антинижний кварк. И наоборот, если нижний или антинижний кварк получает энергию, то он может стать странным или антистранным кварком. Это имеет большое значение для K0 и анти-K0: они постоянно меняются, будто доктор Джекил и мистер Хайд (напомним о героях повести Стивенсона: доктор Джекил – ученый и филантроп, человек безупречной репутации, его уважают знакомые и любят друзья. В результате научных экспериментов ему удается материально раздвоить свою личность, выделив из нее порочную и злобную половину – мистера Хайда).
В форме «Джекила» мы имеем комбинацию нижнего кварка с антистранным. Антистранный теряет энергию и превращается в антинижний; иногда эта энергия просачивается наружу и происходит распад каона; но она также может быть впитана соседним нижним кварком, в результате чего тот превратится в странный кварк. В этом случае то, что начиналось как нижний кварк с антистранным кварком, превращается в странный с антинижним: K0 «Джекил» изменился в анти-K0 «Хайд».
Это означает, что K0 и анти-K0 могут меняться в одну и другую сторону: Джекил в Хайда и обратно. На научном языке это называется осцилляцией. Изначально чистый пучок K0 будет при распространении превращаться в свои античастицы, которые затем станут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это и есть осцилляция частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K0 всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица анти-K0 – с эмиссией позитрона. Если материя и антиматерия симметричны, то, вероятно, произойдет изменение K0 в анти-K0, как и обратный процесс. Если снять фильм про осцилляцию, то смотреться он будет одинаково, независимо от того, в каком направлении прокручивать пленку – вперед или назад. Если материя и антиматерия отличаются, то и эти «обменные курсы» могут различаться.
Как заглянуть внутрь одного из этих зверей, чтобы посмотреть, не осциллирует ли он больше, чем другой? Ответ – нужно посмотреть, что остается после смерти, потому что таким образом можно сказать, был ли погибший K0 или его антиверсией. Если вы создаете пучок, в котором наблюдается смесь K0 и его антиблизнеца в пропорции 50:50, то вы можете сравнить смесь после гибели частиц. Если окажется другая пропорция, а не 50:50, это произойдет или потому, что в осцилляции наблюдается асимметрия, при трансформации Джекила в Хайда и наоборот: одно направление выбиралось чаще другого, или одна форма погибает быстрее или легче другой. Что бы это ни было, мы приходим к определенному выводу: материя и антиматерия различаются.
Во время серии экспериментов, проведенных в ЦЕРН в 1998 году, было обнаружено, что анти-К превращается в К немного быстрее, чем наоборот. Это доказывает наличие внутреннего направления стрелы времени даже на уровне базовых частиц, поскольку вы можете сказать, в какую сторону крутится пленка со снятым фильмом об осцилляции анти-К в К: вперед, если анти-К имеет склонность вымирать, и назад, если остается больше анти-К. Последствия таковы, что, если вы начинаете с равным количеством К и анти-К в смеси, то в конце концов получается небольшой излишек К. При короткой жизни К это мелочь, и сама по себе она недостаточна для объяснения большого преимущества материи во Вселенной. Тем не менее это доказательство в принципе того, что такая асимметрия может получиться.
Эти ключи к асимметрии материи и антиматерии появились в результате подарка природы: в дополнение к нижнему кварку и его более тяжелой странной версии мы теперь знаем, что природа на этом не остановилась. Эксперименты в Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что в самом начале существования Вселенной были три «поколения» кварков и три поколения частиц, подобных электронам и связанных с ними нейтрино.
Если идеи, заложенные в уравнении Дирака, расширить таким образом, чтобы учитывать тот факт, что природа использует не одно, а три поколения, то оказывается, что материи и антиматерии больше не нужно быть симметричными двойниками. Эмпирическое доказательство этого было продемонстрировано в асимметричном поведении К и анти-К. В последние годы появились еще более веские доказательства после открытия того, что если странный кварк или антикварк в К и анти-К заменяется кварком или антикварком третьего поколения, получающиеся в результате В-мезоны и анти-В-мезоны демонстрируют еще большую асимметрию. Это соответствует тому, что было предсказано теоретически и доказывает, что существование трех поколений ароматов кварков во Вселенной допускает появление асимметрии между материей и антиматерией. Это также показывает, что удаленные галактики могут состоять как из материи, так и антиматерии. Нам нужен только разумный инопланетянин, чтобы задать ему вопрос. Но на всякий случай не стоит пожимать руку антиинопланетянину.
Представьте, что вы висите над планетой в очень далекой галактике. Вы не знаете, состоит ли она из материи или антиматерии, а поэтому – будет ли для вас безопасно на нее сесть. Планета заселена дружелюбными инопланетянами, с которыми вы установили радиосвязь. Они очень умны, понимают вас и настолько продвинуты, что все знают про материю и антиматерию.
Естественно, они утверждают, что состоят из материи. В конце концов было бы странно, если бы кто-то стал говорить о себе как об «анти» ком-то или имеющем «анти» что-то. Как нам определить, совпадают ли наши понятия и определения? Какие вопросы нужно задать, чтобы с абсолютной точностью выявить, что инопланетяне состоят из материи, как мы, или что они – антиинопланетяне?
Если бы материя и антиматерия всегда симметрично противопоставлялись друг другу, то этот вопрос решить было бы нельзя, только можно было бы на свой страх и риск подойти поближе или запустить крошечный непилотируемый зонд и посмотреть, что произойдет, когда он войдет в атмосферу или антиатмосферу. Хотя реакция антиинопланетян на кусок материи, аннигилирующей в их атмосфере, может оказаться не самой благоприятной, независимо от того, какими дружелюбными они казались вначале.
Однако мы знаем, что асимметрия имеет место. Она небольшая, но измеримая, и именно это могут показать электрически нейтральные К-мезоны. Они это делают при распаде, давая пион, который заряжен или положительно, или отрицательно, в компании с электроном или позитроном соответственно. Если бы материя и антиматерия были полными двойниками, то эти два распада тоже идеально совпадали бы. Но в реальности они немного отличаются друг от друга.
Нейтральный К и анти-К спаяны вместе в природе таким образом, что иногда они быстро погибают, но в других случаях живут дольше. Две возможности весьма сильно отличаются и известны как короткоживущие и долгоживущие каоны. Каждый из них демонстрирует асимметрию между материей и антиматерией, но в случае долгоживущего эффект сильнее, распад, который ведет к позитрону, слегка более вероятен, чем дающий электрон. Из двух тысяч примеров в среднем 1003 дадут позитрон, а 997 – электрон. Теперь у нас по крайней мере есть что-то для обсуждения с инопланетянами.
Вначале идентифицируйте К. Называть его так, как называем мы, бессмысленно, поскольку у инопланетян определенно будет свое название, но мы можем его идентифицировать по тому, в чем мы все соглашаемся, – его массе. Он весит немного больше, чем половина массы протона или антипротона, и его нельзя спутать ни с какими другими частицами. Так что скажите инопланетянам, что нас интересует частица, масса которой немного больше, чем половина массивной частицы, которая существует в ядре в центре самого простого атома, имеющегося у инопланетян, протона в атоме водорода (или антипротона в атоме антиводорода). Это идентифицирует К.
В дополнение к К0 без электрического заряда также есть К-плюс и К-минус с положительным или отрицательным зарядом. Так что мы должны убедиться, что мы с инопланетянами говорим об электрически нейтральной версии. Мы должны сказать, что свойство, которое удерживает атом вместе, мы называем «зарядом» – и нас интересует К, у которого нет заряда. Инопланетяне будут знать, что у этого К0 есть две формы: короткоживущая и относительно долгоживущая. Мы сосредоточим внимание на последней.
А теперь подходим к самой важной части. В нашем материальном мире (мире, где основной является материя), при распаде долгоживущего К на пион и электрон или позитрон более вероятен вариант с позитроном. Так что мы должны спросить у инопланетян: а легкая частица, которая получается чаще всего во время этих распадов, та же самая, которая встречается в ваших атомах или противоположная ей? Если инопланетяне ответят, что та же самая, то это позитрон и, соответственно, инопланетяне состоят из антиматерии, и мы можем на них смотреть, но не прикасаться к ним. Если инопланетяне ответят, что противоположная, электрон, то это значит, что они, как и мы, состоят из материи, и можно спокойно приземляться.
