Ричард Фейнман - 4a. Кинетика. Теплота. Звук

Следующей задачей было нахождение правила нарушения закона сохранения четности. Есть ли какое-нибудь правило, говорящее нам, насколько велико должно быть это нарушение? Оно оказалось следующим: нарушение происходит только в очень медленных реакциях, названных слабыми распадами, и если уж оно произошло, то частицы, уносящие спин, такие, как электрон или нейтрино, вылетают, преимущественно враща­ясь налево. Это как бы «правило перекоса», оно связывает поляр­ный вектор скорости и аксиальный вектор момента количества движения и говорит, что моменту количества движения более присуще направление против вектора скорости, нежели по нему. Таково правило, но мы еще не очень понимаем всех его «по­чему» и «поэтому». Почему справедливо именно это правило, в чем его фундаментальная причина и как оно связано с дру­гими явлениями? Сейчас мы настолько потрясены самим фак­том несимметрии мира, что до сих пор еще не можем оправиться и понять, как же оно отразится на всех остальных правилах. Тем не менее проблема эта интересная, животрепещущая и, увы, до сих пор не решенная. Поэтому сейчас самое время об­судить некоторые вопросы, связанные с этим правилом.

§ 8. Антивещество

Когда исчезает одна из симметрии, то первым делом нуж­но немедленно обратиться к списку известных или предположен­ных симметрии и посмотреть, не может ли еще нарушиться ка­кая-то из них. Мы не упомянули одну операцию из нашего списка, а к ней наш вопрос относится в первую очередь — это от­ношение между веществом и антивеществом. Дирак предсказал, что в дополнение к электронам в мире должны существовать другие частицы, называемые позитронами (открытые Андерсоном в КАЛТЕХ'е), и они тесно связаны с электронами. Все свойства этих двух частиц подчиняются определенным правилам соот­ветствия: энергии их равны, массы равны, заряды противопо­ложны, но самое важное, столкнувшись, они могут уничтожить друг друга (аннигилировать), превратив всю свою массу в энер­гию, например g - излучение. Позитрон называется античасти­цей электрона, и эти свойства являются основными свойствами частицы и ее античастицы. Из рассуждений Дирака было ясно, что у всех остальных частиц тоже должны быть соответствую­щие античастицы. Например, наряду с протоном должен существовать и антипротон, который сейчас обозначается симво­лом р. У него должен быть отрицательный электрический заряд, та же, что и у протона, масса и т. д. Однако наиболее важным свойством является то, что протон и антипротон, столкнувшись, могут уничтожить друг друга. Я особенно подчеркиваю это по­тому, что люди обычно удивляются, когда говоришь, что наряду с нейтроном существует и антинейтрон; они говорят: «Как ан­тинейтрон может иметь противоположный заряд, ведь он нейтральный?» Приставка «анти» означает не просто противополож­ный заряд, частица характеризуется целым набором свойств, многие из которых становятся противоположными. Антинейт­рон можно отличить от нейтрона следующим способом: если поместить рядом два нейтрона, они так и останутся двумя нейт­ронами, но если мы поместим рядом нейтрон и антинейтрон, то они уничтожат друг друга, причем выделят большое коли­чество энергии в виде разных p-мезонов, g-квантов и т. п.

Далее, если у нас есть антипротоны, антинейтроны и по­зитроны, то из них в принципе можно составить антиатомы. Это еще не сделано, но в принципе вполне возможно. В атоме водорода, например, в центре расположен протон, вокруг ко­торого крутится электрон. Вообразите теперь, что мы сделали антипротон и запустили вокруг него позитрон. Будет ли он кру­титься? Ну прежде всего антипротон заряжен отрицательно, а позитрон — положительно, так что они будут притягиваться друг к другу с соответствующей силой, а поскольку массы у них одинаковы с протоном и электроном, то одинаково будет и все остальное. В этом состоит один из принципов симметрии в фи­зике: уравнения, по-видимому, говорят нам, что если сделать одни часы из вещества, а другие, точно такие же, из антиве­щества, то они будут идти совершенно одинаково. (Разумеется, если мы поместим эти часы рядом, то они уничтожат друг друга, но это уже совсем другое дело.)

Тогда немедленно возникает вопрос. Можно сделать двое часов из вещества, причем одни «правосторонние», а другие «левосторонние». Можно, скажем, сделать не простые часы, а часы с кобальтом, магнитами и детекторами, регистрирую­щими b-распадные электроны и считающими их. Всякий раз, ког­да регистрируется электрон, секундная стрелка слегка подви­гается. Но тогда зеркально отраженные часы, в которые при­ходит меньше электронов, не будут идти с той же скоростью. Итак, теперь нам ясно, что возможно построить такую пару ча­сов, что правосторонние не будут согласовываться с левосто­ронними. Давайте сделаем часы из вещества и назовем их стан­дартными, или правосторонними, и сделаем еще часы тоже из вещества и назовем их левосторонними. Мы только что устано­вили, что эти двое часов, вообще говоря, не будут идти одина­ковым образом, а до этого выдающегося открытия в физике считалось, что будут. Далее мы, кроме того, полагали, что ве­щество и антивещество эквивалентны, т. е. если бы мы сделали часы из антивещества, такие же правосторонние, той же самой формы, то они шли бы точно так же, как и правосторонние часы из вещества, а если бы мы сделали такие же левосторонние часы, то и они тоже ходили бы точно таким же образом. Другими сло­вами, первоначально мы полагали, что все четверо таких часов должны работать совершенно одинаково. Но теперь мы знаем, что правосторонние и левосторонние часы из вещества не оди­наковы. А следовательно, право- или левосторонние часы из антивещества тоже, по-видимому, не одинаковы.