Четность

Драма идей в познании природы

До 1956 года все опыты, атомные и ядерные, казалось, подтверждали естественное предположение о зеркальной симметрии законов природы. Если и существуют несимметричные предметы, например, "правые" перчатки, то с тем же успехом можно изготовить и перчатку на левую руку. То же относится и к сложным органическим молекулам; великие химики 19 века установили, что существуют такие органические молекулы, у которых разные атомы R₁, R₂, R₃, R₄ или разные группы атомов располагаются по углам тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием), в центре которого находится атом углерода C.

Представим себе тетраэдр, поставленный на плоскость так, что R₁ находится над плоскостью. Остальные 3 группы могут располагаться либо как R₂R₃R₄, либо как R₂R₄R₃. Этим двум разным расположениям соответствуют 2 разные молекулы. Никакими поворотами их нельзя сделать одинаковыми. Различие не связано с тем, что мы выделили группу R₁ и поместили ее вверх. Мы могли бы поместить вверх группу R₂. Тогда в первом случае в основании окажутся R₁R₃R₄, а во втором - R₁R₄R₃.

В растениях и животных мы находим только одну форму, которую можно записать в виде связи атома углерода C с четырьмя соединения R₁, R₂, R₃, R₄.

Однако химики умеют синтезировать и выделять в чистом виде также и другую форму, соответствующую двум переставленным группам. Легко убедиться, что, рассматривая R₂R₃R₄ в зеркале, мы увидим изображение формы R₂R₄R₃; отличать одну форму от другой можно по форме кристаллов, которые при выпаривании можно отобрать пинцетом, как это впервые сделал Пастер. Формы можно отличать и по направлению вращения плоскости поляризации света.

Опыты подтверждают точное равенство энергий левых и правых форм, следующее из теории. Этот вывод теории, основывающейся на квантовой механике и учитывающей электромагнитное (кулоновское) взаимодействие, связан с зеркальной симметрией. Взаимная замена левых (L) и правых (R) форм L«R не меняет предсказаний теории. В квантовой теории состояние (L+R) зеркально симметрично. При отражении в зеркале его волновая функция переходит сама в себя со знаком "+": P(L+R)®+(R+L).

Поскольку дважды отразившись в зеркале объект останется самим собой, P²=1, P=±1 и все состояния атомов можно классифицировать по четности, они обладают либо Р=+1, либо Р=-1. В последнем случае речь идет о более высоколежащих состояниях (L-R), волновые функции которых P(L-R)®-(L-R).

Когда мы говорим о перчатках на левую и правую руку, или о зеркально симметричных молекулах, мы имеем дело со статической четностью. Если в зеркале отражается процесс, то речь идет о динамической четности. Оба аспекта (статический и динамический) можно проследить на примере штопора (шурупа или винта). Сам штопор обладает либо левой, либо правой винтовой нарезкой. При отражении в зеркале нарезка в штопоре меняется с правой на левую. Это статическая четность. Но ввинчивая штопор в пробку, мы будем совершать либо вращения по часовой стрелке (для правовинтового штопора), либо против часовой стрелки (в случае левовинтового штопора). Динамическая четность характеризует связь направления поступательного и вращательного движения штопора относительно пробки. Если мы ввинчиваем штопор в пробку, поворачивая его по часовой стрелке, то при зеркальном отражении этот процесс будет происходить при поворотах против часовой стрелки. В классическом случае (например в случае штопора) соответствие динамической и статической четности взаимно однозначное. Это связано с тем, что нарезка в штопоре жестко фиксирована и однозначно определяет направление вращения при ввинчивании в пробку, а, ввинчивая штопор, по направлению вращения мы однозначно определяем характер нарезки.

Но для элементарных частиц аналогия со штопором, вообще говоря, неправомерна. Электрон, летящий со спином, ориентированным по направлению движения, нельзя рассматривать как штопор с фиксированной нарезкой, поскольку направление движения "штопора"-электрона зависит от выбора системы отсчета. В случае электрона не существует пробки, позволяющей однозначно определить его нарезку. Так, перейдя в систему отсчета, движущуюся быстрее электрона, мы получим изменение характера нарезки "штопора". Абсолютный характер "нарезки" сохраняется только для безмассовых частиц, скорость которых всегда равна скорости света. Для этих "спиральных" частиц спиральность sp·c/hE (где s - спин, а p и E - импульс и энергия частицы) является сохраняющейся и не зависящей от системы отсчета характеристикой.

Так, у фотона можно рассматривать как элементарные не две плоские, а две круговые поляризации. При переходе к другой системе отсчета лево-(L) и право-(R) поляризованные фотоны сохраняют свою круговую поляризацию. Это связано с тем, что масса фотона равна нулю, и скорость распространения света равна c. Поэтому можно говорить о разных частицах: L- и R-фотонах, причем различие между L- и R-фотонами не зависит от выбора системы отсчета.

Зеркальная симметрия электромагнитных процессов ведет, однако, к испусканию смешанных L и R и к переходу L«R фотонов при их отражении в зеркале (при рассеянии) без "порчи" зеркала (электронов).

При высокой энергии существуют правые и левые электроны, но вследствие наличия массы такое деление не абсолютно. Чем ближе скорость частицы к скорости света, тем более точной становится для них аналогия со штопором и более строго можно говорить об их "нарезке". Сохранение четности (динамической) в электромагнитном взаимодействии означает, что "лево"- и "правовинтовые" электроны взаимодействуют одинаково независимо от характера "нарезки".

При отсутствии массы разделение на правые и левые частицы со спином 1/2 строгое. Самое строгое разделение достигается уничтожением того, от чего хотят отделиться. Предположим, - не для электронов, а для нейтрино - что существует только один сорт нейтрино с sp·c/h=-E, тогда масса их тождественно равна нулю. Они должны двигаться со скоростью c, чтобы не превратиться в нечто несуществующее. При этом абсолютное разделение левого и правого нейтрино обеспечивается нулевой массой нейтрино.

Нейтрино и антинейтрино электронейтральны, и тем не менее отличаются друг от друга. (Заряженная частица с массой, равной нулю, задала бы хлопот! Она рождалась бы парами в сколь угодно слабом электрическом поле E с вероятностью примерно (e²/hc)²E²/h²c² штук/(см³·с). При напряженности поля E=1 СГСЕ=300 В/см это дает чудовищное значение 10⁷² штук/(см³·с). В таких условиях электротехника не могла бы существовать.) Значит, "заряд" нейтрино, а также отличие "зарядов" нейтрино и антинейтрино - это не электрическое явление, а нечто похожее на различия нейтрона и антинейтрона. Такие "заряды" нейтрино и антинейтрино можно отличить экспериментально, о чем мы еще расскажем.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год