Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Якщо хвильова функція системи після розпаду антисиметрична стосовно перестановки частинок, тоді система має «негативну» парність, тобто є непарною. У цьому випадку хвильова функція, яка описує початковий квантовий стан частинки, що розпадається, також повинна бути непарною (себто має змінювати знак при перестановці лівого й правого боків місцями).

Далі, піони – частинки, відкриті Пауеллом та гіпотетично передбачені Юкавою, непарні, тож хвильова функція, яка описує квантовий стан їхнього дзеркального відображення, матиме протилежний знак порівняно з початковою хвильовою функцією. Розрізнення між парністю й непарністю чимось нагадує розгляд, з одного боку, правильного сферичного м’ячика, який у дзеркалі виглядає ідентично, а отже, є парним:

А з другого боку, скажімо, ваша рука, яка у дзеркалі змінює характер (з лівого на правий), а отже, є непарною:

З огляду на ці дещо абстрактні роздуми, дані спостережень розпадів нових частинок, які відкрив Пауелл, ставили дослідників у глухий кут. Оскільки піон непарний, два піони повинні бути парними, адже (-1)2 = 1. Проте система з трьох піонів, за цими ж роздумами, є непарною, оскільки (-1)3 = -1. Таким чином, якщо в результаті розпадів частинок парність не змінюється, та сама початкова частинка не може розпадатися на два різні кінцеві стани з різною парністю.

Якби сила, відповідальна за цей розпад, поводилася, як усі інші відомі на той час сили на кшталт електромагнетизму чи гравітації, вона була б сліпа щодо парності (не відрізняла б лівий бік від правого), тож після розпаду вона не змінювала б початкову парність системи, точно як освітлення вашої правої руки не змушує її виглядати, як ваша ліва рука.

Оскільки видавалося неможливим, щоб частинки одного типу іноді розпадалися на два, а іноді на три піони, рішення здавалося простим. Має бути дві різні нові елементарні частинки з протилежними характеристиками парності. Пауелл назвав їх тау-частинкою й тета-частинкою, і одна з них розпадалася на два піони, а друга – на три.

Спостереження показували, що ці дві частинки мають точно однакові маси й час життя, що було трохи дивним, проте Лі і Янг висловили припущення, що це може бути загальною характеристикою різних елементарних частинок, які, на їхню думку, трапляються парами з протилежною парністю. Вони назвали цю ідею «дублюванням парності».

Такою була ситуація навесні 1956 року, коли відбулася Міжнародна конференція з фізики високих енергій, яка щорічно збиралась у Рочестерському університеті. 1956 року вся спільнота фізиків, які цікавилися ядерною фізикою та фізикою елементарних частинок, могла поміститися в одній університетській лекційній залі, тож усі ці вчені, зокрема всі основні гравці, традиційно приїздити на цю щорічну зустріч. Цього разу сталося так, що в одній кімнаті опинилися Річард Фейнман та Марті Блок. Як експериментатор, Блок не був настільки обтяжений можливою єрессю, властивою ідеї, що якась сила природи не була сліпою до розрізнення правого й лівого боку, тож він спитав Фейнмана, чи може бути так, що слабка взаємодія, яка керує виявленими Пауеллом розпадами, може відрізняти лівий бік від правого. Це дало б можливість одній частинці розпадатися на стани з різною парністю, а отже, тау-й тета-мезони могли бути тією самою частинкою.

Блоку бракувало зухвалості підняти це питання на відкритому засіданні, а от Фейнман це зробив, хоча сам особисто вважав це дуже малоймовірним. Янг відповів, що вони з Лі про це думали, але досі з цієї ідеї нічого не вийшло. Юджин Вігнер, який пізніше здобуде Нобелівську премію за роз’яснення важливості речей на кшталт парності для атомної та ядерної фізики, також був присутній і також поставив аналогічне питання щодо слабкої взаємодії.

Проте всі лаври дістаються переможцеві, і одна справа – теоретизувати щодо можливого порушення парності новою силою природи, здатною відрізняти лівий бік від правого, а зовсім інша – продемонструвати це. Через місяць Лі та Янг сиділи в нью-йоркському кафе й вирішили вивчити всі відомі експерименти, пов’язані зі слабкою взаємодією, аби перевірити, чи бодай якийсь із них може перекреслювати можливість порушення парності. На їхній величезний подив виявилося, що жоден експеримент не давав на це запитання чіткої відповіді.