Затем в промежутке между 1954 и 1956 годами создалась любопытная ситуация с двумя частицами, называвшимися в то время тета-мезон и тау-мезон. Занимательную историю о том, как эта «загадка тета-тау» привела к падению закона сохранения четности, мы узнаем в следующей главе.

Как известно каждому в наше время, в основе всех процессов, происходящих во Вселенной, лежат четыре основных типа сил (физики предпочитают термин «взаимодействие», но мы можем употребить здесь более привычный термин «силы»):

1) ядерные силы;

2) электромагнитные силы;

3) силы слабых взаимодействий;

4) гравитационные силы.

В этом перечне силы расположены по убыванию своей величины. Самые мощные — ядерные силы — удерживают вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Они обеспечивают так называемую энергию связи ядра. Электромагнетизм — это та сила, которая удерживает электроны возле ядра, связывает атомы в молекулы, образует из молекул жидкости и твердые тела. Тяготение, как хорошо известно, есть та сила, с которой две любые массы притягиваются друг к другу. Именно они обеспечивают существование таких больших масс, как наша планета. Гравитационные силы настолько слабы, что их крайне трудно измерить, пока величины взаимодействующих масс не станут очень большими. На уровне элементарных частиц влияние этих сил пренебрежимо мало.

Оставшаяся категория сил — силы слабого взаимодействия — наименее известна. Они проявляются в некоторых процессах с участием элементарных частиц (например, в бета-распаде, при котором радиоактивное ядро «выстреливает» электрон или позитрон), где реакция протекает гораздо медленнее, чем если бы ею управляли ядерные или электромагнитные силы. Для объяснения столь малой скорости процесса и пришлось предложить существование сил, более слабых, чем электромагнитные, но превосходящих крайне слабые силы гравитации.

«Проблема тета-тау», над которой физики ломали головы в 1956 году, возникла в связи со слабыми взаимодействиями, в которых участвовала «странная частица», называемая K-мезоном. («Странные частицы» — это класс недавно обнаруженных частиц, получивших свое название из-за того, что они, казалось, никак не укладывались в систему остальных известных к тому времени частиц.) Было похоже, что существуют два различных типа K-мезонов: один, названный тета-мезоном, распадается на два пи-мезона; другой, тау-мезон, — на три пи-мезона. Вместе с тем никакого различия между двумя типами K-мезонов установить не удавалось. Они имели совершенно одинаковые массу, заряд и время жизни. Физикам хотелось сказать, что имеется лишь один тип K-мезонов; иногда он распадается на два, а иногда — на три пи-мезона. Так почему же они не решились заявить об этом? Да потому, что это бы означало, что четность не сохраняется. Тета-мезон имеет положительную четность. Пи-мезон — отрицательную. Полная четность двух пи-мезонов положительная, так что при распаде тета-мезона четность сохраняется. Но три пи-мезона уже имеют общую отрицательную четность[50].

Перед физиками возникла поразительная дилемма: или нужно предположить, что два типа K-мезонов, неразличимые по свойствам, суть действительно две разные частицы с различными четностями (тета-мезон — с положительной, тау-мезон — с отрицательной), или остается заключить, что в одном из этих превращений нарушается четность.

Для большинства физиков в 1956 году вторая гипотеза казалась совершенно невероятной. Как мы видели в гл. 20, это означало бы, что в природе нарушается право-левая симметрия и отдается предпочтение одному из этих направлений. Кроме того, сохранение четности было надежно установлено во всех «сильных» (то есть ядерных и электромагнитных) взаимодействиях. В течение тридцати лет оно являлось весьма плодотворной концепцией квантовой механики. Проблема тета-тау являлась темой горячих дискуссий во время Рочестерской конференции по ядерной физике в Нью-Йорке в апреле 1956 года. Ричард Ф. Фейнман[51], физик из Калифорнийского технологического института, поднял вопрос: не нарушается ли иногда закон сохранения четности? В беседах с Фейнманом мне удалось узнать некоторые подробности, предшествовавшие возникновению этого исторического вопроса. О них стоит упомянуть.

Накануне этот же вопрос был задан Фейнману соседом по номеру в гостинице, физиком-экспериментатором Мартином Блоком. «Решение тета-тау-проблемы, — сказал Блок, — может быть очень простым. Быть может, милый нашему сердцу закон сохранения четности выполняется не всегда». На это Фейнман ответил, что тогда возникло бы фундаментальное неравноправие левого и правого. «Это было бы удивительно, — сказал Фейнман, — но я не могу показать, каким образом это предположение противоречит существующим экспериментальным данным». Он пообещал Блоку поднять этот вопрос на следующий день в дискуссии, чтобы кто-нибудь показал ошибочность этой гипотезы. И он так и сделал, начав свое выступление словами: «Я задаю этот вопрос от имени Мартина Блока». Фейнман считал эту гипотезу настолько интересной, что в случае ее справедливости авторство принадлежало бы Блоку.

На конференции присутствовали два молодых и талантливых физика — Ян Жэнь-нин и Ли Чжэн-дао, уроженцы Китая. Один из них взял слово и дал положительный ответ на вопрос Фейнмана.

— Что он сказал? — спросил Блок Фейнмана позже.

— Не знаю, — ответил Фейнман, — я не смог понять.

«Меня поддразнивали потом, — пишет Фейнман, — и говорили, что я предварительно сослался на Мартина Блока потому, что побоялся, что столь безрассудное предположение будет связано с моим именем. Я действительно считал эту гипотезу хотя и маловероятной, по возможной, и эта возможность интриговала меня. Спустя несколько месяцев Норман Рамзай, физик-экспериментатор, спросил меня, считаю ли я разумным его намерение поставить эксперимент с целью проверить, не нарушается ли четность в бета-распаде. Я ответил: „Конечно, да!“ Я был почти уверен, что четность не нарушается, но все же оставалась какая-то вероятность обратного, и выяснить это было очень важно. „Готовы ли вы поставить сто долларов против одного, что четность сохраняется?“ — спросил он. — „Нет, но пятьдесят — готов“. — „Для меня этого достаточно. Я принимаю ваше пари и поставлю такой эксперимент“. К сожалению, Рамзай не нашел времени для выполнения своего намерения, но мои пятьдесят долларов, возможно, послужили ему некоторой компенсацией упущенной возможности».

Летом 1956 года Ли и Ян внесли новый вклад в обсуждаемую проблему. В начале мая, когда они сидели в кафе «Белая роза» недалеко от угла Бродвея и 125-й улицы, в районе Колумбийского университета, им пришло в голову, что необходимо внимательно изучить все известные эксперименты по слабым взаимодействиям. Этим они и занимались несколько последующих недель. К своему изумлению, они обнаружили, что хотя имеются совершенно убедительные доказательства того, что в сильных взаимодействиях четность сохраняется, их совершенно нет для слабых взаимодействий. Поэтому они предложили несколько проверочных экспериментов. Все это было изложено в ставшей теперь классической работе «Вопрос о сохранении четности в слабых взаимодействиях»[52].

«Чтобы однозначно решить вопрос о сохранении четности в слабых взаимодействиях, — писали они в этой работе, — следует поставить эксперимент, который позволил бы установить, различаются ли в слабых взаимодействиях правое и левое. Некоторые из таких возможных экспериментов и будут обсуждаться в данной статье».

Статья, опубликованная в журнале «Physical Review» не привлекла большого внимания физиков-ядерщиков. Несохранение четности казалось настолько невероятным, что большинство ученых думало про себя: пусть этими проверками занимается кто-нибудь другой. Фримен Дж. Дайсон, теоретик, работающий теперь в Принстоне, в книге «Новаторство в физике» приводит следующее честное признание по поводу своей и большинства своих коллег «слепоты»: «Я получил эту рукопись (имеется в виду статья Ли и Яна „Вопрос о сохранении четности в слабых взаимодействиях“. — Ред.) и прочел ее. Я прочел ее дважды и сказал: „Очень интересно“ или еще что-то в этом роде. Но у меня не хватило воображения воскликнуть: „Бог ты мой, да ведь если это правда, то открыта совсем новая страница физики!“ И я думаю, что все остальные физики, за очень небольшим исключением, были в то время так же лишены воображения на этот счет, как и я».