Запуск частиц в обратном направлении
Элементарные частицы не слишком-то хорошо соблюдают постулаты клас-
сической механики: они живут по правилам квантовой механики . Тем не
менее основополагающий принцип остается неизменным: существуют такие
преобразования, что после изменения направления времени на обратное
и применения этих трансформаций мы все так же получаем верное решение
в исходной теории . Часто можно услышать, что элементарные частицы
не инвариантны относительно отражения времени, и периодически выска-
зываются даже не слишком тонкие намеки на то, что это связано со стре-
лой времени . Но это ложный след . Поведение элементарных частиц в усло-
виях «обратного» времени никакого отношения к стреле времени не
имеет, что, однако, вовсе не делает ее менее интересным объектом для ис-
следований .
Давайте попробуем вообразить эксперимент, позволяющий понять, дей-
ствительно ли физика элементарных частиц инвариантна относительно обра-
щения времени . Для этого нам нужно взять какой-либо процесс, включающий
элементарные частицы, и прокрутить его в обратном направлении . Например,
две частицы могут взаимодействовать друг с другом с образованием других
частиц (как в ускорителе), или же одна частица может распадаться на несколь-
ко других . Если продолжительность «прямого» процесса будет отличаться от
продолжительности «обратного», это станет доказательством отсутствия
инвариантности .
Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов, которые в свою очередь
состоят из кварков . Нейтроны остаются стабильными только в окружении
протонов и других нейтронов, образующих ядро, а оказавшись в одиночестве,
они распадаются в течение нескольких минут (будучи частицами с тонкой ду-
шевной организацией, они не могут жить без внимания окружающих) . Нейтрон
распадается на комбинацию из протона, электрона и нейтрино (очень легкая
нейтральная частица) .16 С теоретической точки зрения нет ничего сложного
в том, чтобы сконструировать обратный процесс: нужно всего лишь выстрелить
протоном, электроном и нейтрино в одну точку на правильной скорости и до-
ждаться результата . Проблема, однако, состоит в том, что даже если подобное
взаимодействие и позволило бы получить какие-нибудь новые интересные
знания об обращении времени, реализовать это на практике невозможно . Ни-
кому не под силу поместить протон, электрон и нейтрино в такие положения
и заставить вести себя так, чтобы полностью воспроизвести картину распада
нейтрона в обратном направлении . 
Глава 7 . Время, назад!
(d)
(d)
185
Рис . 7 .8 . Нейтральный каон и нейтральный антикаон . Поскольку оба обладают нулевым
электрическим зарядом и суммарное кварковое число в них также равно нулю, каон и анти-
каон могут осциллировать друг в друга, оставаясь при этом разными частицами
Однако не всегда все так печально . В физике элементарных частиц встреча-
ются специфические случаи, когда одиночная частица «распадается» в другую
одиночную частицу, которая затем также может «распасться» обратно в ис-
ходную . В действительности это, конечно, нельзя называть распадом, посколь-
ку в процесс вовлечена только одна частица . Такие процессы называются ос-
цилляциями . Очевидно, что осцилляции могут происходить только в весьма
специфических обстоятельствах . Например, протон не может осциллировать
в нейтрон: их электрические заряды отличаются . Две частицы могут осцилли-
ровать друг в друга только в том случае, если они обладают одинаковым элек-
трическим зарядом, одинаковым числом кварков и одинаковой массой, так как
при осцилляции не может исчезать или увеличиваться энергия . Обратите
внимание на то, что кварк и антикварк — это не одно и то же, и, следовательно,
нейтроны не будут осциллировать в антинейтроны . В сущности, нас интере-
суют две практически одинаковые частицы, различия между которыми мини-
мальны .
Природа предоставляет нам идеального кандидата для таких осцилляций:
нейтральный каон . Каон относится к типу мезонов, и это означает, что он со-
стоит из одного кварка и одного антикварка . Если мы хотим, чтобы частица
состояла из кварков разных типов с нулевым суммарным зарядом, то проще
всего сделать ее из одного нижнего (d)-кварка и одного странного (s) анти-
кварка, или наоборот .17 Систему из нижнего кварка и странного антикварка
принято называть «нейтральным каоном», а систему из странного кварка
|
186
Часть III . Энтропия и ось времени
и нижнего антикварка — «нейтральным антикаоном» . Массы этих частиц
абсолютно одинаковы и составляют около половины массы протона или нейт-
рона . Вполне естественно ожидать, что между каонами и антикаонами возни-
кают осцилляции, и действительно: изучение осцилляций именно этих частиц
стало уже чем-то вроде промышленной отрасли в экспериментальной физике
элементарных частиц . (Существуют также каоны, обладающие электрическим
зарядом . Такой каон состоит из верхнего (u) кварка и странного кварка и для
наших целей совершенно бесполезен . Даже если в дальнейшем обсуждении
для простоты формулировок мы будем опускать слово «нейтральный», гово-
рить мы все же будем именно о нейтральных каонах .)
Итак, нам нужно сделать несколько каонов и антикаонов, чтобы пона-
блюдать, как они будут осциллировать друг в друга . Если инвариантность
относительно отражения времени отсутствует, то в одну сторону процесс
будет идти дольше, чем в другую; в результате в нашем наборе частиц будет
в среднем немного больше каонов, чем антикаонов (или наоборот) . К со-
жалению, на самих частицах мы не найдем маленьких меточек, сообщающих,
с каким типом каонов мы имеем дело . Зато в конечном счете они полностью
распадутся и образуют совершенно новые частицы: каон распадается на пион
с отрицательным зарядом, антиэлектрон и нейтрино, а антикаон — на пион
с положительным зарядом, электрон и антинейтрино . Если оценить, насколь-
ко часто один тип распада происходит по сравнению с другим, то можно
понять, в какой форме первоначальные частицы пребывали дольше — в фор-
ме каона или антикаона .
Несмотря на то что теоретические предсказания были получены уже до-
статочно давно, соответствующий эксперимент CPLEAR провели в лаборато-
рии CERN в Женеве (Швейцария) лишь в 1998 году .18 Ученые обнаружили, что
создаваемый ими пучок частиц, совершающий осцилляции между каонами
и антикаонами, немного чаще (примерно на две трети процента) распадался
как каон, чем как антикаон, то есть частицы в осциллирующем пучке чуть
дольше пребывали в состоянии каонов, чем антикаонов . Другими словами,
процесс превращения каона в антикаон занимал немного больше времени, чем
обратный процесс перехода антикаона в каон . Таким образом, в реальном мире
направление времени в физике элементарных частиц не симметрично .
По крайней мере, это справедливо для «бесхитростного» обращения
времени, как мы определили его выше . Можно ли в мире элементарных частиц
использовать какие-либо дополнительные преобразования, чтобы в результате
добиться инвариантности относительно обращения времени? Ответ положи-
тельный, и сейчас мы обсудим это подробнее .
Глава 7 . Время, назад!
187
Три отражения природы
Если пристальнее всмотреться в принципы работы физики элементарных ча-
стиц, то выяснится, что существует три типа возможных симметрий, включа-
ющих «обращение» физического свойства, и каждое из них обозначено своей
заглавной буквой . Инверсия времени T меняет местами прошлое и будущее .
Четность P обозначает замену «право» на «лево», и наоборот . Мы уже об-
суждали четность в контексте миров шахматных досок, но это понятие точно
так же распространяется и на реальный трехмерный мир . Наконец, существу-
ет «зарядовое сопряжение» C — на самом деле это просто модное название
для процесса замены частиц на античастицы . Преобразования C, P и T обла-
дают одним общим свойством: если повторить любое из них два раза подряд,
то вы вернетесь к исходному состоянию .
В принципе, можно представить себе набор физических законов, инвари-
антный относительно каждого из перечисленных преобразований в отдель-
ности, и на первый взгляд кажется, что так и обстоит дело в нашем мире (глав-
ное, не копать слишком глубоко, например, изучая распад нейтральных каонов) .
Если создать атом антиводорода из антипротона и антиэлектрона, то он будет
обладать почти такими же свойствами, как и обычный атом водорода, за ис-
ключением того, что при соприкосновении с атомом обычного водорода эти
элементы проаннигилируют, оставив после себя лишь излучение . Таким об-
разом, преобразование C создает впечатление симметрии нашего мира, так же
как P и T .
В результате, когда в 1950-х годах американские физики китайского про-
исхождения Чжэндао Ли, Чжэньнин Янг и Цзяньсюн Ву показали, что одно
из преобразований — четность — не является симметрией природы, для
многих это стало огромным сюрпризом . Мысль о возможном нарушении
инвариантности относительно четности витала в воздухе уже довольно дав-
но . Об этом говорили разные люди, но всерьез такую возможность никто не
рассматривал . В физике авторство открытия приписывается не тому, кто
случайно высказывает предположение, а тому, кто подходит к этому предпо-
ложению с достаточно основательных позиций, чтобы взять его в работу
и превратить в солидную теорию или убедительный эксперимент . В случае
нарушения принципа четности именно Ли и Янг сели и выполнили тщатель-
ный анализ проблемы . Они поняли, что существует множество эксперимен-
тальных доказательств того, что электромагнетизм и сильное взаимодействие
инвариантны относительно P, однако что касается слабого взаимодействия,
вопрос оставался открытым .
188
Часть III . Энтропия и ось времени
Ли и Янг предложили несколько путей поиска доказательств нарушения
четности при слабом взаимодействии . В конце концов они убедили Ву — фи-
зика-экспериментатора, специализирующуюся на слабых взаимодействиях,
и коллегу Ли по Колумбийскому университету, что на этот проект стоит по-
тратить время и силы . Ву пригласила физиков из Национального бюро стан-
дартов США присоединиться к ней для проведения эксперимента над атомами
кобальта-60 в магнитных полях при очень низких температурах .
В ходе подготовки к эксперименту Ву убедилась в том, что этот проект
имеет фундаментальную значимость . Позднее в своих воспоминаниях она живо
описывала свои ощущения от участия в важнейшем событии научного мира: