ЧЕТНОСТЬ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Четность — квантовое число, характеризующее поведение системы (атома, атомного ядра, адрона, элементарной частицы) при зеркальном отражении. В статье Симметрия законов природы рассказывается о симметриях, имеющих геометрическую природу. Так, насколько известно, наше пространство однородно и изотропно, т. е. в нем нет какой-либо выделенной точки и какого-нибудь выделенного направления, но все они равноправны. Можно перенести любую замкнутую физическую систему в произвольную точку пространства или повернуть ее на любой угол, но ни к каким физическим последствиям это не приведет: законы физики не меняются при таких преобразованиях. В каждом таком случае существует сохраняющаяся величина, связанная с данным типом симметрии: геометрическим симметриям соответствуют фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Геометрические преобразования можно делать плавно, они имеют непрерывный характер.

Кроме непрерывных преобразований существуют дискретные, которые нельзя выполнить плавно. В самом деле, мы можем «чуть-чуть» повернуть систему на какой-то угол, но нельзя лишь «чуть-чуть» отразить ее в зеркале. Среди дискретных преобразований наиболее важную роль играют операции Р, С и Т.

Операция Р (наименована первой буквой английского слова, означающего «четность») состоит в зеркальном отражении относительно точки, т. е. в одновременном отражении относительно трех взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через начало координат. Легко понять, что, когда мы смотрим в обычное зеркало, направление меняет лишь одна из координатных осей, направленная перпендикулярно плоскости зеркала. Но если, кроме того, повернуть систему координат вокруг этой оси на 180°, получится операция Р.

Долгое время ученым казалось естественной идея симметрии физических законов относительно зеркального отражения. Опыты также подтверждали, что мир «зазеркалья» ничем не отличается от нашего мира. Как правило, с этой симметрией связывалась сохраняющаяся величина — пространственная четность . Квантовая система (см. Квантовая механика) описывается волновой функцией Ψ(х). Все наблюдаемые величины определяются модулем волновой функции. Частица, скажем пи-мезон, рассматриваемая в зеркале, должна оставаться тем же π-мезоном (см. Адроны). Иными словами, ее волновая функция при операции отражения P может изменяться лишь на несущественный множитель PΨ = ηΨ. Операция P, повторенная дважды, возвращает систему в исходное состояние, откуда следует, что множитель η может принимать только значение ±1:

P2Ψ = P(РΨ) = Р(ηΨ) = η2Ψ = Ψ,η = ±1. Таким образом, частице можно приписать определенную (положительную или отрицательную: η = +1 или η = -1) внутреннюю четность.

Многие годы справедливость симметрии законов природы относительно операции зеркального отражения не подвергалась сомнению. Конечно, были известны различия между правым и левым на макроскопическом уровне (достаточно напомнить здесь о разнице между правой и левой рукой, полушариями мозга, молекулами ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты и т. п.). Однако наблюдаемая асимметрия относилась на счет каких-то различий в начальных условиях, поскольку на микроуровне все свойства частиц выглядели симметричными.

В 1956 г. китайские физики Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин проанализировали ситуацию и выяснили, что сохранение пространственной четности подтверждено в экспериментах только для сильного и электромагнитного взаимодействий. Было высказано предположение, что в слабых взаимодействиях четность не сохраняется. И уже в 1957 г. By Цзянь-сюн экспериментально подтвердила это предположение, открыв со своими сотрудниками в опытах эффект несохранения четности при бета-распаде.

Для того чтобы понять эти опыты, представим себе, что происходит с векторами при зеркальном отражении. Очевидно, координаты частиц меняют при этом знак: x →P→ -x. Ясно, что то же самое произойдет со скоростью частиц, а значит, и с их импульсом. Векторы, меняющие знак при зеркальном отражении, называются полярными. Но существуют и так называемые аксиальные векторы, не меняющиеся при действии операции P. К ним относятся векторы, так или иначе связанные с вращением: угловая скорость, момент количества движения, спин.

Теперь снова вернемся к опыту By Цзянь-сюн, в котором измерялась интенсивность потока электронов, испущенных при бета-распаде ядер кобальта: 60Co → 60Ni + е- + ν̃e. Использовались ядра кобальта в поляризованном состоянии со спином, направленным вдоль оси z. Существует некоторая вероятность того, что электрон вылетит по направлению спина ядра. При зеркальном отражении импульс электрона меняет знак, т. е. он вылетает против направления спина ядра. Если законы природы симметричны относительно операции P, то вероятность обоих процессов будет одинаковой. На опыте же выяснилось, что интенсивность потока электронов, испущенных по спину ядра, меньше интенсивности потока электронов, летящих в противоположном направлении.

Эффекты несохранения четности выступают особенно наглядно в слабых процессах с испусканием нейтрино (см. Нейтрино, Лептоны). Дело в том, что нейтрино — очень своеобразные частицы, так как их масса очень мала, а возможно, вообще равна нулю, и нейтрино практически всегда находятся в движении со скоростью, близкой к скорости света,— почти как фотоны. Оказывается, что у нейтрино спин всегда направлен против импульса, а у антинейтрино — по импульсу. Говорят, что нейтрино — частица с «левой спиральностью», т. е. напоминает винт с левой резьбой. А ее античастица обладает «правой спиральностью» (винт с правой резьбой). Все это было установлено в экспериментах по определению спиральности нейтрино, испускаемых в β-распаде и в распаде π+ → μ+ + νμ. Теперь ясно, что зеркальным изображением процесса с испусканием нейтрино будет процесс с испусканием не существующей в природе частицы — нейтрино со спином, направленным по импульсу (нейтрино с правой спиральностью). Другими словами, зеркального процесса в природе просто нет (или, по крайней мере, он очень сильно подавлен) .

Одновременно с открытием несохранения четности оказалась опровергнутой и другая, казалось бы, точная симметрия природы относительно операции зарядового сопряжения С (названа по первой букве английского слова, означающего «заряд»). При операции С частицы заменяются на античастицы, т. е. меняют знаки все заряды. Истинно нейтральным частицам, для которых все заряды равны нулю и которые совпадают поэтому со своими античастицами (фотон, π0-мезон и т. п.), можно приписать определенную зарядовую четность: их волновые функции при операции С приобретают множитель ±1 (рассуждения здесь такие же, как в случае пространственной четности). Сохранение зарядовой четности сильными и электромагнитными взаимодействиями приводит к определенным ограничениям на реакции распада элементарных частиц.

Открытие в 1950-х гг. нарушения Р-симметрии произвело на физиков большое впечатление, поскольку оно означало асимметрию пространства по отношению к зеркальному отражению, что представлялось тогда весьма странным. Казалось, выход был найден на пути рассмотрения комбинированной операции CP, при которой одновременно заменяются правое на левое и частицы на античастицы. Зеркальное отражение, сопровождающееся заменой всех частиц на античастицы, советский ученый Л. Д. Ландау назвал комбинированной инверсией. Ученые предпринимали попытки сохранить симметрию пространства, а всю асимметрию перенести на электрические и прочие заряды. Например, операция CP переводит нейтрино с противоположным спином и импульсом в реально существующее антинейтрино с параллельным спином и импульсом. По такой теории, мир, потеряв симметрию относительно С- и Р-операций по отдельности, оставался СР-симмет-ричным. Античастицы, выражаясь наглядно, стали рассматриваться как зарядово сопряженные частицы, отраженные в зеркале.

В 1964 г. Дж. Кронин и В. Фитч обнаружили в опытах по распадам нейтральных K0-мезонов эффект нарушения симметрии относительно комбинированного отражения СР. В этих опытах наблюдались распады так называемого долгоживущего K-мезона (CP-четность которого отрицательна) на два π-мезона (четность этой системы положительна). До сих пор не ясно, какое взаимодействие ответственно за нарушение CP-симметрии. Попытки обнаружить

этот эффект в иных системах, нежели нейтральные К-мезоны, результата пока не дали. Решение вопроса о причинах СР-нарушения имеет фундаментальное значение. В последнее время в науке все больше укрепляется мнение, что благодаря нарушению CP-симметрии произошло разделение вещества и антивещества во Вселенной, а без этого была бы невозможна не только разумная жизнь, но и существование планет, звезд и галактик.

CP-симметрия тесно связана с третьей дискретной симметрией относительно операции Т. Операция Т (название произошло от первой буквы английского слова, означающего «время») состоит в замене знака времени на обратный t →T→-t во всех уравнениях движения рассматриваемой системы. Симметрия относительно операции Т означает, что для любого возможного движения системы возможно и обратное, обращенное во времени движение, при котором система проходит те же состояния, но в обратном порядке. На макроскопическом уровне такая симметрия отсутствует: например, люди с возрастом, увы, не молодеют. Но на уровне простых физических систем 7-сим-метрия не вызывала сомнений. Открытие нарушения CP-симметрии почти автоматически означало и нарушение симметрии относительно обращения времени. Дело в том, что из самых общих принципов квантовой теории следует точная симметрия физических законов относительно совместного действия всех трех операций СРТ.