Воспоминания
Шрифт:
СР-симметрия (или инвариантность – это синоним) означает, что любой процесс с античастицами происходит так же, как процесс с частицами, если античастицы расположены и двигаются в пространстве зеркально-симметрично по сравнению с частицами. Как следствие, полная вероятность любой реакции превращения частиц одинакова для частиц и античастиц (таким образом, для проблемы барионной асимметрии следствия СР-симметрии были бы такими же, как С-симметрии).
Между тем, червь сомнения, порожденный Ли и Янгом, продолжал свою работу... Начались проверки «комбинированной» СР-симметрии (можно сказать, частично комбинированной, если СРТ-инвариантность называть полно комбинированной). При этом одновременно решалась судьба Т-инвариантности – в силу СРТ-теоремы Паули–Людерса, либо одновременно и СР и Т симметрии точные, либо обе эти симметрии приближенные.
Физики усиленно искали явления, в которых происходит нарушение СР-симметрии и Т-симметрии. Как я уже писал, таким явлением оказался распад ка-лонг-мезона на два пи-мезона. Я не буду объяснять, почему этот распад свидетельствует о нарушении СР-симметрии. Через несколько лет было открыто другое явление, где нарушение СР-симметрии и отличие частиц от античастиц проявляются более наглядно. Среди многих способов распада ка-лонг-мезона существуют два способа (как говорят – два канала), являющиеся СР- или С-отражением друг друга, – распад на пи-плюс-мезон, электрон и нейтрино и распад на пи-минус-мезон, позитрон и антинейтрино (мы будем интересоваться полными вероятностями каждого канала, поэтому СР- и С-симметрии для нас эквивалентны).
Оказалось, что полные вероятности распада по этим двум каналам отличаются на 0,6%! Это как раз эффект того типа, который был мне необходим для объяснения возникновения барионной асимметрии Вселенной из нейтрального состояния.
Первая известная мне работа, в которой обсуждаются следствия сохранения СРТ-симметрии и нарушения СР- и С-симметрии, принадлежат Соломону Окубо. Он (с конкретными примерами) формулирует следующие утверждения:
Пусть некое состояние (частица) А распадается по нескольким каналам В1, В2 и т. д., а зарядово-сопряженное состояние А (античастица) распадается по зарядово-сопряженным каналам B1, B2 и т. д. Тогда:
1) Из СРТ-симметрии следует, что масса А равна массе A, и полная вероятность распада А равна полной вероятности распада A (полная вероятность – сумма вероятностей распада по всем возможным каналам).
2) Нарушение СР-симметрии приводит к тому, что вероятности распада по каналам могут быть различны для частиц и античастиц, т. е. вероятность канала B1 не равна вероятности канала B1 и т. д.
Именно эти два утверждения, наряду с нарушением барионного заряда, легли в основу моей работы. На экземпляре работы, который я подарил в 1967 году Евгению Львовичу Фейнбергу, я написал такой эпиграф:
Из эффекта С. Окубопри большой температуредля Вселенной сшита шубапо ее кривой фигуре.Перехожу теперь к обсуждению другой предпосылки работы – к нарушению барионного заряда.
В отличие от только что обсужденной она являлась гипотезой, причем, как я уже отмечал, такой, которая шла вразрез с установившимися в науке тех лет убеждениями. Отчасти поэтому моя работа тогда привлекла мало внимания.
В хорошей книге Зельдовича и Новикова (вышедшей в свет в 1975 году!)1 есть параграф, посвященный гипотезе нарушения барионного заряда и объяснению с ее помощью барионной асимметрии Вселенной. Общее отношение – определенно отрицательное.
Когда я писал свою работу, я знал о предложении Ли и Янга попытаться обнаружить на опыте поле, обусловленное барионным зарядом (мне рассказал об этом предложении Я. Б. Зельдович). Наличие такого поля явилось бы подтверждением сохранения барионного заряда, подобно тому, как наличие у электрически заряженных тел кулоновского электрического поля является «гарантом» сохранения электрического заряда. Аналогично – гравитационное поле, существующее в окрестности любой системы тел (на «бесконечности»), однозначно связано с сохраняющейся массой системы (или энергией, по формуле Эйнштейна). В общем, из самого факта существования дальнодействующего поля (т. е. убывающего обратно пропорционально квадрату расстояния) следует, что оно вызвано какой-то сохраняющейся субстанцией. Обратное заключение – что отсутствие поля означает отсутствие соответствующей сохраняющейся величины – не является логически обязательным, но оно весьма правдоподобно.
По существу, независимость ускорения свободного падения тел от их химического состава, которую проверял Галилей, бросая разные предметы с Пизанской башни, одновременно указывает на отсутствие барионного поля. Эти опыты Галилея явились началом современной экспериментальной науки, в этом их историческое значение. Теперь, с высоты знаний ХХ века, мы можем сказать, что Галилей закладывал основы теории тяготения Эйнштейна (принцип эквивалентности инертной и тяготеющей массы) и проверял, существуют ли не гравитационные и не электрические силы дальнодействия – что, в частности, имеет отношение к проблеме барионного заряда. Заметим, что, если бы обнаружилось различие ускорений, это имело бы большие последствия. И всегда есть опасность (или надежда), что при дальнейшем уточнении что-нибудь обнаружится. Опыты Галилея подвергались уточнению много раз. Вскоре после него – Ньютоном, использовавшим маятники из разных материалов. В нашем веке – в опытах Этвеша, затем Дике и, наконец, Брагинского и Панова, со все возрастающей точностью, достигшей у Брагинского и Панова 10-12 – 10-13 (по-прежнему с негативным результатом).
Я узнал совсем недавно, что в 1964 году (т. е. до меня, так же как до Янга и Ли) Стивен Вейнберг, исходя из отсутствия барионного поля, предположил, что барионный заряд не сохраняется. Он также обсуждал возможную связь этого с космологией. В своей популярной книге (1977 год) о космологии «Первые три минуты» – я уже отсылал к ней читателя – Вейнберг не упоминает о своей гипотезе, видимо не придавая ей значения.
Я должен сказать, что в работе 1967 года я предложил конкретный механизм нарушения барионного заряда, который, по-видимому, не имеет отношения к действительности. В 1970 году появилась интересная работа по проблеме возникновения барионной асимметрии Вадима Кузьмина (со ссылкой на мою работу), затем – работа Пати и Салама, в которых предлагались другие гипотезы относительно механизма нестабильности протона. Они также, по-видимому, не соответствуют природе. Важный принципиальный шаг был сделан Джорджи и Глешоу в 1974 году.
В своей статье Джорджи и Глешоу развивают успех работ Глешоу, Вейнберга и Салама, в которых были объединены в единой теории слабые и электромагнитные взаимодействия элементарных частиц. Джорджи и Глешоу предложили первый (и очень интересный) вариант того, что теперь называется GUT (Grand Unification Theory, Теория Великого Объединения), с объединением сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, оставив за бортом только гравитацию. К этому времени утвердилось представление о структуре барионов как составных частиц, состоящих из трех «более элементарных» частиц – кварков (соответственно, антибарион состоит из античастиц – антикварков). В теории кварки и лептоны (собирательное название электрона и нейтрино) рассматриваются на равных правах и могут превращаться друг в друга. Следствие этого – возможность реакций с изменением барионного заряда. Например, протон может распадаться на позитрон и два фотона. Процесс распада происходит с образованием на промежуточной стадии так называемого икс-бозона (а также иных аналогичных по свойствам тяжелых скалярных и векторных частиц, для краткости будем говорить только об икс-бозонах; поясним, что векторными называются поля, которые могут существовать в разных состояниях поляризации, электромагнитное поле – простейший пример, а скалярными называются поля, подобные звуку, не обладающие свойством поляризации).
Вероятность этой реакции распада чрезвычайно мала. Дело в том, что масса кварка заведомо меньше массы икс-бозона. Поэтому эта реакция не происходит в обычном (классическом) смысле слова. Происходит лишь некое малое «раскачивание» той степени свободы вакуума, которая соответствует икс-бозону. Даже слабая ручка маленького ребенка (кварка) может слегка раскачать язык огромного колокола, но амплитуда этого колебания будет тем меньшей, чем больше масса языка (икс-бозона). Согласно теории, вероятность реакции обратно пропорциональна массе икс в четвертой степени. Джорджи и Глешоу из некоторых соображений оценили массу икс-бозона, потом эти оценки неоднократно уточнялись. По этим оценкам масса икс превосходит массу протона в 1015 раз (т. е. необыкновенно велика по масштабам микромира), и, соответственно, время жизни протона равно 1031 лет, т. е. в 10 раз больше существовавшего тогда экспериментального предела. Если бы удалось подтвердить предсказание о распаде протона, это было бы величайшим триумфом теории Джорджи и Глешоу, всей современной теории элементарных частиц! Сейчас запланированы крупномасштабные опыты с целью обнаружить распад протона в большой массе чистой воды с помощью счетчиков излучения Черенкова. Чтобы избежать помех от космических лучей, эти опыты следует проводить глубоко под землей. Есть также не вполне уверенные показания, что два случая распада протона уже наблюдались в подземных экспериментах индийско-японской экспериментальной группы в глубокой шахте недалеко от Бангалора. (Добавление 1987 г. Сейчас предел для времени жизни протона значительно повышен до величины порядка 1031 лет или еще выше, что уже почти исключает первоначальную схему Джорджи и Глешоу, но современные суперсимметричные теории дают гораздо большее время жизни.)