ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ В НАШЕМ МИРЕ

Кандидат физико-математических наук Г.Г.Тахтамышев
Видите? Это же голая зеркальность!
Глупая, глупая природа, ни о чем
она не заботится так рьяно,
как о равновесии.
Венедикт Ерофеев.
Москва -- Петушки

Правая, левая где сторона?

Классическую постановку вопроса о право-левой симметрии приписывают средневековому философу Буридану. Он сформулировал следующую проблему. Допустим, имеется обычный осел и на равном расстоянии от него, справа и слева, находятся одинаковые охапки сена. Вопрос: какова судьба этого осла? Ответ Буридана достаточно жесток: "Судьба этого осла печальна, он неминуемо умрет с голоду. Поскольку у него нет ни малейшего основания для выбора между правым и левым направлениями, он останется на месте и будет ждать своей кончины".
Оспорить тезис Буридана трудно. Конечно, мы должны предполагать, что начальное состояние в этом мысленном эксперименте строго симметрично. И тогда мы действительно вправе ожидать, как это ни печально, что симметрия сохранится до конца.
Однако мне жаль осла, поэтому я позволю себе немного видоизменить схему мысленного эксперимента, не изменив при этом его сути и основного вывода. Я предоставлю в распоряжение осла прибор под названием "генератор случайных чисел". Его можно представить как черный ящик, снаружи которого находятся только кнопка и окошечко, где при нажатии кнопки выскакивает либо "0" либо "1". Существенно, что выбор того или иного числа внутри ящика производится абсолютно случайно и равновероятно. (Если это слишком сложно, замените генератор на обычную монету, которая падает на землю либо орлом, либо решкой.) Симметрия начального состояния эксперимента не нарушилась, но теперь осел может нажать кнопку генератора, предварительно решив, что, если увидит в окошечке "0", то пойдет налево, а если увидит "1" -- направо.
Мы спасли осла, но не потеряли ли мы симметрию? Ведь она, имевшаяся вначале, все-таки в конечном состоянии исчезла. Чтобы разобраться, давайте рассмотрим статистический набор модифицированных буридановых ослов. И если половина ослов из этого набора пойдет направо, а половина налево, то мы будем утверждать, что право-левая симметрия не нарушается.
Именно так рассуждает современная физика. Если при распаде частицы какой-то продукт распада, например электрон, полетел вниз, то симметрия пока не нарушена. Надо понаблюдать побольше распадов и посчитать, в скольких случаях электрон летит вниз, а в скольких -- вверх. Если в среднем числа одинаковы, то все в порядке.
Гипотеза о возможном несохранении четности была впервые высказана американскими физиками Ли Цзундао и Янг Чжэннином. Они же предложили провести прямые эксперименты, демонстрирующие это явление. Первый такой эксперимент был выполнен в 1956 году группой физиков Колумбийского университета.

Экспериментально право-левая симметрия в мире элементарных частиц была обнаружена в 1956 г. Она выражалась в том, что при распаде ядра кобальта электроны летят "вниз" чаще, чем "вверх"

 
В эксперименте наблюдали за электронами, возникающими при распаде радиоактивного кобальта. Ядро кобальта имеет спин, то есть как бы вращается вокруг оси. Наличие спина и дает возможность определить "верх" и "низ". Обычный вращающийся шарик обязан сохранять симметрию относительно этого верха и низа. Эксперимент же показал, что электроны предпочитают лететь почему-то вниз. То есть все получалось так, как если бы наши модифицированные буридановы ослы почему-то предпочитали правую кормушку левой.
Особенность, обнаруженная в распаде кобальта, вскоре была подмечена еще и в распадах нейтрона, мюона, а потом и других частиц. И вывод, сформулированный на основе этих наблюдений, гласил: наш мир относительно левого и правого не симметричен.
Как же был воспринят этот поистине революционный вывод? Как ни странно, на редкость спокойно. Правда, можно привести и "нетипичные" высказывания. В книге "Характер физических законов" Ричард Фейнман пишет: "Ни один человек пока еще не имеет ни малейшего представления о том, как объяснить эту загадку". Эти слова можно найти в первом издании книги Фейнмана на русском языке, вышедшем в 1968 году. Но при переиздании ее в серии "Квант" кто-то решил подправить нобелевского лауреата и выбросил эту фразу. По-видимому, как не представляющую интереса для советского читателя. А вот мнение Вернера Паули, одного из создателей квантовой механики: "...Таким образом, обсуждавшиеся здесь новые экспериментальные результаты привели нас к проблемам, решение которых, возможно, является делом далекого будущего".
Почти сразу же после открытия несохранения четности было обнаружено еще одно, не менее интересное, явление, которое заставило говорить, что право-левая симметрия, конечно же, нарушается, то есть отсутствует, но одновременно она как бы сохраняется, то есть все-таки присутствует.
Это новое явление зафиксировали при наблюдении за распадом античастиц. Оказалось, что в распадах античастиц есть та же асимметрия, что и у частиц, но противоположного направления! То есть при распаде нейтрона электроны летят вниз, а при распаде антинейтрона -- вверх. Это правило находило свое подтверждение во всех распадах всех частиц. Другими словами, античастицы вели себя как зеркальные партнеры частиц. Что немедленно привело к формулировке принципа CP-инвариантности (C -- charge, заряд; P -- parity, четность), который гласит примерно следующее. Да, наблюдаются процессы, которые нарушают право-левую симметрию. То есть, отразив наблюдаемую картинку в зеркале, мы увидим процесс, который в нашем мире не наблюдается. Но если в отраженной в зеркале картинке мы поменяем еще и частицы на античастицы (а античастицы соответственно на частицы), то все будет в порядке. Теперь процесс, который получился при таком двойном отражении, можно наблюдать и в нашем реальном мире.

Эксперименты, выполненные в 1956 и 1964 г., приводят к мысли о существовании сложной пространственно- временной структуры элементарных частиц

И тут мы подходим к самому загадочному моменту в истории право-левой симметрии. Казалось бы, описанные выше наблюдения должны вызвать закономерный вопрос: почему античастицы ведут себя зеркально симметричным образом в сравнении с частицами? Не есть ли они настоящие зеркальные аналоги частиц? Ведь если бы такие аналоги существовали, то вопрос о нарушении право-левой симметрии был бы снят с повестки дня. Об этом писали еще Ли и Янг в 1956 г., выдвигая свою гипотезу и предлагая прямые эксперименты для ее проверки: "Эти эксперименты позволят установить, действительно ли известные в настоящее время элементарные частицы обладают право-левой асимметрией. Будь такая асимметрия обнаружена, все еще возникал бы вопрос, нет ли в природе соответствующих элементарных частиц, обладающих противоположной асимметрией -- так, чтобы в более широком смысле по-прежнему имела место общая симметрия правого и левого. В таком случае должно было бы существовать два сорта протонов, pr и pl -- соответственно правых и левых".
Но ведь мы же их знаем, эти два сорта: pr -- это протон, а pl -- это антипротон! То же самое для всех остальных частиц. И нет никакого несохранения четности, и наш мир вновь обретает утраченную было право-левую симметрию. Именно такая мысль была высказана Э.Вигнером в 1957 году. Обсуждая эксперимент с асимметрией в распаде кобальта, Вигнер заявил, что если результатом зеркального отражения кобальта выступает антикобальт, то никакого нарушения симметрии в эксперименте не происходит. В этом случае, писал Вигнер, "...зеркальное отражение отрицательного заряда было бы положительным зарядом, зеркальное отражение электрона -- позитроном, и наоборот. Зеркальное отражение материи было бы антиматерией".
Ну и что же, спросит читатель, эта мысль получила дальнейшее развитие или после обсуждения была по каким-то причинам отвергнута? В том-то и дело, что ни того, ни другого не произошло. Такое впечатление, что все просто пропустили слова Вигнера мимо ушей. Да и сам он к своей гипотезе больше не возвращался.
Чтобы объяснить эту загадку или хотя бы дать читателю какие-то дополнительные сведения, мы должны перейти к зарядам.

Заряды -- электрический и другие

На вопрос, что такое электрический заряд, в разных разделах физики можно получить различные ответы. Классическая электродинамика, например, говорит, что заряд есть способность тела, им обладающего, притягивать либо отталкивать другое тело, также наделенное зарядом. Заряды существуют двух видов, положительные и отрицательные, при этом разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.
В квантовой электродинамике ответ звучит уже по-другому. Заряд есть способность частицы излучать и поглощать гамма-кванты. Тела (вернее, частицы), обменивающиеся гамма-квантами, будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Однако понятия знака заряда в квантовой электродинамике не существует, оно ей не нужно.
Чем же тогда различаются электрон и позитрон? Ответ довольно интересный. В этой науке (к которой следует относиться с большим уважением) позитрон описывается как электрон, движущийся вспять во времени. То есть эта частица имеет на борту собственный хронометр, который либо отсчитывает время в ту же сторону, что и наши часы, либо в обратную. В первом случае мы называем частицу электроном, во втором -- позитроном.
Итак, ни в классической, ни в квантовой науках понятие заряда никак не объясняется. Это просто свойство, которое у частицы либо есть, либо нет. В обоих случаях речь идет о фундаментальном первичном свойстве, которое не может быть объяснено никакими другими свойствами. Физики к этому привыкли, поэтому на вопрос, что произойдет с зарядом, если его отразить в зеркале, всегда отвечали одинаково: ничего не произойдет, каким он был, таким и останется.
Само собой разумеется, никаких доказательств того, что зеркальное отражение заряда есть этот же самый заряд, ни у кого нет. Экспериментаторы пока не дошли до того, чтобы выворачивать элементарные частицы наизнанку, а теоретикам не было большой надобности создавать теории, в которых зеркальное отражение заряда было бы зарядом другого знака либо еще чем-нибудь. Да и нелегкое, надо думать, дело -- создать такую теорию или даже модель. Ведь если заряд меняет знак при отражении, у него должны быть для этого достаточно веские причины. Такой заряд уже должен иметь какую-то структуру. То есть такая теория (или модель) должна была вместо фундаментального электромагнитного взаимодействия ввести какое-то другое и получить электрический заряд как следствие этого нового взаимодействия.
И все же после опытов, демонстрирующих асимметрию в распадах частиц, возникла дилемма, отмеченная Вигнером. Либо эти эксперименты доказывают, что в нашем мире нет право-левой симметрии, либо мы пытаемся (и в теории, и в эксперименте) найти подтверждение того, что электрический заряд имеет структуру.
Но электрическим зарядом дело не ограничивается. Есть еще барионный и слабый заряды, и они тоже имеют разные знаки у частиц и античастиц. Стало быть, и они должны менять знак при отражении в зеркале, стало быть, и они, доселе фундаментальные, должны объясняться какими-то другими, новыми силами и зарядами.
Физика, как мы знаем, выбрала первый путь. Второй даже не был как следует обозначен. Идея заряда, меняющего свой знак в зеркале, оказалась для большинства чересчур безумной.
Попробуем, завершая эту главу, подытожить на понятном читателю языке основные выводы конца 50-х годов. Физики обнаружили, что буридановы ослы предпочитают правую кормушку. Одновременно объявилась другая разновидность этих животных, предпочитающих, наоборот, левую кормушку. При анализе выяснилось, что ослы первой группы состоят из молекул сорта A, а ослы второй -- из молекул сорта B, в остальном же они идентичны. Молекулы A и B, по существу, однотипны, и в настоящий момент наука не в силах найти, в чем различие между ними. Вывод, который сделала из этого физика, звучит следующим образом. Доказано, что право-левой симметрии в нашем мире нет. Но зато есть симметрия по отношению к комбинированной операции: когда при отражении в зеркале одновременно меняются местами молекулы A и B. Все? Все.
Да, автору такой вывод кажется по меньшей мере странным. По его мнению, выводы о нарушении право-левой симметрии на этой стадии явно преждевременны и разница в поведении ослов первой и второй групп объясняется разным устройством молекул A и B. Именно исследованиям структуры A и B нужно уделить особое внимание.
Однако история о право-левой симметрии на этом отнюдь не заканчивается. Совершенно неожиданный поворот внесли в нее события, происшедшие в 1964 году.

Симметрия частица-античастица

В 1964 году на конференцию в Дубну приехал из Америки молодой экспериментатор Джим Кронин и сделал доклад, предметом которого было открытие нового вида распада частицы, именуемой K-ноль-два-мезон. Эксперимент, задуманный им совместно с Вэлом Фитчем и выполненный на Брукхейвенском ускорителе, показал, что этот мезон распадается на два пи-мезона. Для неспециалиста в этом не было ничего интересного, но на аудиторию доклад произвел впечатление разорвавшейся бомбы. Ибо существование такого распада означало, что симметрии между частицами и античастицами не существует.
Строго говоря, упомянутая симметрия оказалась под вопросом еще в 1956 году -- помните, электрон при распаде частицы летит вниз, а при распаде античастицы -- вверх? Но тогда многих утешало то соображение, что распад античастицы в зеркале выглядит точь-в-точь как распад частицы. Теперь же оказывалось, что и комбинированной CP-симметрии в нашем мире не существует.
Частица K-ноль-два-мезон -- в некотором смысле особая. Она не частица и не античастица, а как бы смесь того и другого. Или, точнее, то и другое сразу. Ведь смесь -- это что такое? Ну, например, смесь воды и спирта -- наливая эту смесь из бутылки, мы знаем, что окажется в рюмке. А что вы скажете о бутылке, из которой в одном случае в рюмку польется чистая вода, а в другом -- чистый спирт? Вот примерно так и устроен этот K-ноль-два-мезон. В одном случае он мог проявить себя как K-ноль-мезон (это частица), а в другом -- как анти-K-ноль-мезон, то есть как античастица. В микромире, где правят законы квантовой механики, это дело обычное. Важным было то, что компоненты K-ноль и анти-K-ноль содержались в K-ноль-два-мезоне в совершенно равных пропорциях. Поэтому он был сам себе и античастицей. Уточняю, что такие представления бытовали на 1964 год.
Но из результатов опыта Кронина--Фитча следовало, что K-ноль-два чуть более охотно проявляет себя как частица и, соответственно, чуть менее охотно как античастица. Все бы ничего, если бы нашлась частица с обратными тенденциями, притом с той же массой и временем жизни (эти параметры у частиц и античастиц обязаны совпадать). Но, увы, такой частицы нет. Следовательно, K-ноль-два-мезон -- уникальное явление. Частица, не имеющая соответствующей античастицы.
Превышение материи над антиматерией в K-ноль-два очень невелико, но оно есть, и смысл этого превышения был и остается загадкой по сей день. Ни одной сколько-нибудь разумной гипотезы, способной объяснить такую асимметрию, пока не было высказано. Однако вы очень ошибаетесь, если думаете, что физики легко переварили этот сюрприз. Ничего похожего на благодушное отношение к несохранению четности и в помине не было! После официального доклада на конференции Кронину было организовано специальное выступление, которое более напоминало перекрестный допрос с пристрастием (автор статьи имел честь там присутствовать). Каждая деталь эксперимента была тщательно разобрана, проанализирована, подвергнута всей возможной критике.
А с конца 1964 года научные журналы буквально захлестнул шквал работ и идей, авторы которых стремились к одной цели: объяснить результаты эксперимента Кронина--Фитча, сохранив полную симметрию между частицами и античастицами. Чего только не предлагали и не предполагали! И другой сорт пи-мезонов, на которые К-ноль-два-мезону не возбраняется распадаться; и межгалактическое поле, доселе неслыханное; и теневая Вселенная; и зеркальный невидимый мир, и многое другое. Для проверки этих гипотез ставили специальные эксперименты, но ни один не дал желаемого результата, все выглядело по-старому. Оставалось предположить, что Господь Бог для каких-то своих надобностей пометил один вид материи особой меткой.
Авторы эксперимента, в котором было обнаружено CP-нарушение, вполне заслуженно удостоились Нобелевской премии. Свою речь при вручения премии профессор Кронин завершил следующими словами: "Мы должны постоянно напоминать самим себе о том, что CP-нарушение, каким бы малым оно ни было, есть вполне реальный эффект... Мы должны продолжать поиски причины нарушения CP-симметрии всеми возможными способами, имеющимися в нашем распоряжении... Мы надеемся, что в будущем, возможно, отдаленном, это загадочное послание природы будет расшифровано".
Помимо общего оживления атмосферы, которое привнес с собой результат эксперимента Кронина--Фитча, он серьезно повредил гипотезе Вигнера. Действительно, коль скоро античастицы несимметричны по отношению к частицам, то они не могут помочь нам восстановить право-левую симметрию. Значит ли это, что мы должны навсегда с ней распрощаться ? Цель данной статьи -- показать, что торопиться не стоит. А чтобы это показать, нужно познакомить читателя с зеркальным миром.

Зеркальный мир.

Термин "зеркальный мир" вошел в физику в 1968 году, и гипотеза существования такого мира имеет самое непосредственное отношение к право-левой симметрии. Гипотеза, авторами которой были советские физики Л.Окунь, И.Кобзарев и И.Померанчук, появилась наряду с прочими как реакция на эксперимент Кронина--Фитча. Предположим, сказали авторы, что у каждой частицы есть партнер -- зеркальная частица. Соответственно и античастица имеет партнера -- зеркальную античастицу. Массы всех четырех строго равны. Существует еще один мир, который мы будем называть зеркальным. Он во всем подобен нашему, за исключением знаков асимметрий. То есть опыты с асимметрией в распадах и эксперимент Кронина--Фитча дадут в результате ту же величину, но с обратным знаком. Это как бы восстанавливало ситуацию, возникшую после 1956 года. Тогда физики смирились с потерей P-- и C-симметрий, заменив их CP-симметрией. Теперь авторы гипотезы предлагали смириться и с потерей CP-симметрии, заменив ее новой симметрией CPA, где буква A обозначает оператор, переводящий обычные частицы в зеркальные и наоборот. При этом, естественно, знаки всех зарядов, отраженных в зеркале, оставались теми же. И точно так же, как в 1956 году, авторы оставляли за скобками самый интересный вопрос: почему зеркальные частицы ведут себя зеркальным образом по отношению к обычным?
Восстанавливает ли такая гипотеза симметрию между частицами и античастицами, или между правым и левым? Мне кажется -- нет, не восстанавливает. Вернемся опять к нашим баранам, то бишь к ослам имени Буридана. Что мы теперь наблюдаем? По-прежнему есть две разновидности: ослы типа A и ослы типа B. Но если раньше наши измерения показывали, что тип A в 51% случаев предпочитает правую охапку сена, а тип B точно в таком же проценте случаев предпочитает левую, то теперь более точные измерения обнаружили разницу. Для типа A процент предпочтения составляет 51,1%, в то время как для типа B эта цифра только 50,9%. (Цифры не имеют ничего общего с реальными, но это не важно.)
В такой ситуации никакие гипотезы о структуре молекул типа A и B не могут спасти право-левую симметрию. Поэтому логично придумать зеркальных партнеров. Получается, что теперь есть ослы четырех типов -- A, B, C и D, причем пары A, C и B, D ведут себя по отношению друг к другу абсолютно зеркальным образом.
Однако на этом авторы "зеркального мира" успокаиваются и говорят примерно следующее. "Да, существуют четыре формы материи, и пары A, C и B, D демонстрируют в своем поведении абсолютную симметрию. Но почему это так, нас не интересует. Мы знаем, что молекулы A, B, C, D все различны, поэтому право-левой симметрии не существует. И вдобавок симметрия между частицами и античастицами тоже отсутствует".

Мы наш, мы новый зеркальный мир построим

Можно, однако, сформулировать такую гипотезу зеркальных частиц, в рамках которой право-левая симметрия существует. Для этого надо сказать о молекулах A, C и B, D то же самое, что сказал Вигнер по поводу частиц и античастиц. А именно: если зеркальные частицы существуют, то они могут быть настоящими зеркальными партнерами обычных частиц, теми, о которых мечтали Ли и Янг в далеком 1956 году.
Но тогда зеркальное отражение должно преобразовывать реальный электрон с его зарядом в зеркальный электрон с зеркальным зарядом. Кстати, я пока не успел сказать о зарядах зеркальных частиц. Дело в том, что если зеркальные частицы существуют, то их электрические заряды совершенно не похожи на заряды наших частиц. Эти заряды взаимодействуют только между собой, а к нашим относятся абсолютно индифферентно. А поскольку мы видим, слышим и осязаем исключительно с помощью электромагнитного взаимодействия, вышесказанное означает, что ни наблюдать, ни детектировать зеркальные частицы с помощью обычных детекторов мы не можем. (Заметим, что эксперименты, демонстрирующие существование зеркальных частиц, тем не менее возможны.)
Может ли простое зеркальное отражение превращать "наш" заряд в некий гипотетический заряд, который с "нашим" и взаимодействовать не хочет? А почему бы и нет? В принципе это ничему не противоречит. Конечно, в рамках такой гипотезы заряд должен иметь пространственную, а скорей всего и пространственно-временную структуру.
Автор статьи сознает, что от слов "не противоречит" до создания даже примитивной математической модели -- дистанция огромного размера. Но разговор пока не об этом. Пока мы хотим только констатировать, что принципиальных запретов на пути такой гипотезы нет.
Кстати говоря, мысль о том, что электрический заряд есть следствие некоторой пространственно-временной структуры частицы, уже появлялась в физике. Мы говорим о модели Калуцы--Клейна, именно эти физики -- авторы такой модели. В ней кроме трех известных нам пространственных измерений существует еще одно, четвертое. Но оно, это измерение, замкнутое. Двигаясь вдоль него, мы очень скоро окажемся в той же точке, с которой стартовали. Физики, которые любят красивые термины, называют такое измерение "компактифицированным". Так вот, в этой модели каждая частица, помимо обычного вектора скорости, может иметь еще и компоненту скорости вдоль этого четвертого измерения. В этом случае она ведет себя так, как должна себя вести заряженная частица. Если же такой компоненты нет, она выглядит электрически нейтральной. Интересно и то, что в этой модели знак заряда определяется направлением движения вдоль четвертого измерения. Стало быть, если мы рассмотрим какой-то физический процесс в обратном направлении, то вместо электронов увидим позитроны, и наоборот.
Мы подошли к финалу и готовы сформулировать ответ на вопрос, что же означают эти загадочные результаты, именуемые в физике терминами "нарушение четности" и "нарушение CP-симметрии". Вполне возможно, их следует рассматривать как слабые сигналы, свидетельствующие о сложной внутренней структуре тех частиц, которые сейчас принято считать элементарными, то есть бесструктурными. И, приняв в качестве гипотезы тезис о существовании право-левой симметрии, мы можем сказать кое-что о внутреннем устройстве этих частиц.
Сама идея о возможном существовании частиц более элементарных, чем кварки и лептоны, высказывалась, и неоднократно. Такие частицы даже получили имя -- их называют преонами. Чтобы не придумывать новых названий, мы в дальнейшем будем пользоваться этим именем. Итак, электрон, позитрон, а также их зеркальные партнеры (которые еще предстоит открыть) состоят из одних и тех же частиц -- преонов. Преоны не несут на себе ни электрического, ни какого-либо еще из известных нам зарядов. Однако внутри электрона преоны движутся по некоторым замысловатым траекториям и, как результат этого движения, электрон приобретает те свойства, которые ассоциируются у нас с электрическим зарядом. Какой-то другой вид движения преонов придает электрону свойства, позволяющие ему участвовать в слабых взаимодействиях. Соответственно внутри кварка преоны движутся каким-то другим образом, создавая для кварка свойства электромагнитного и сильного взаимодействий.
Понятно и то, чем различаются участники этого квартета -- электрон, позитрон, зеркальный электрон, зеркальный позитрон. Траектории движения преонов в позитроне совершенно такие же, как и в электроне, но направление их движения обратное (так же, как и в модели Калуцы--Клейна). А в зеркальном электроне преоны движутся в том же направлении, что и в обычном, но зато орбиты их движения суть зеркальные копии орбит преонов в обычном электроне. То же справедливо и для любого другого квартета кварков и лептонов.
В качестве простейшего примера орбит, о которых говорилось выше, можно предложить коническую поверхность с навитой на нее спиралью и некоторой точкой (преоном), движущейся по этой спирали. Если принять, что в электроне точка движется по левой спирали в направлении к вершине конуса (вверх), то в позитроне точка движется по левой же спирали, но вниз, а в зеркальных электроне и позитроне точки движутся по правой спирали вверх и вниз соответственно.
Нам осталось ответить на вопрос, как в этом случае обстоят дела с симметрией частица -- античастица и что означает странное поведение K-ноль-два-мезона. Ну, во-первых, мы видим, что при изменении направления движения времени частицы становятся античастицами, и наоборот. Таким образом, в рамках обсуждаемой картины вопрос о симметрии частица -- античастица эквивалентен вопросу о симметрии по отношению к отражению времени. То есть если в природе существуют несимметричные во времени процессы, то нет и симметрии между частицами и античастицами. Однако имеющихся в настоящее время экспериментальных данных пока недостаточно для определенного ответа на этот вопрос.
Надо сказать, что до сих пор различия в поведении частиц и античастиц наблюдались только в экспериментах с K-ноль-два-мезонами. Кроме того, выводы о таком различии базируются лишь на некоторых предположениях о поведении нейтральных K-мезонов, то есть носят косвенный характер. В том случае, если зеркальный мир существует, эти выводы должны быть пересмотрены. Если (как в случае с электроном) мы имеем дело с квартетом нейтральных K-мезонов, то настоящий, так сказать, K-ноль-два-мезон должен нести в себе свойства не двух, а всех четырех партнеров (и зеркальных тоже). В этом случае K-ноль-два, с которым экспериментаторы имели дело до сих пор, -- это не частица, а некое промежуточное состояние. Оно, это состояние, вполне может "помнить" историю своего рождения. И очень может быть, что тот крохотный избыток состояния K-ноль в K-ноль-два-мезоне, который обнаружили Фитч и Кронин, и есть метка, полученная частицей при рождении.
Можно подвести итоги. В настоящее время мало кто из физиков сомневается в существовании более элементарной структуры, чем кварки и лептоны. Рано или поздно мы найдем экспериментальные проявления следующего, более низкого уровня материи и будет создана адекватная теория. И цель данной статьи -- показать, что мы имеем все основания ожидать: на этом новом уровне загадки "нарушения четности" и "нарушения CP-симметрии" найдут свое естественное объяснение.
 

ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ В НАШЕМ МИРЕ

Кандидат физико-математических наук Г.Г.Тахтамышев
Видите? Это же голая зеркальность!
Глупая, глупая природа, ни о чем
она не заботится так рьяно,
как о равновесии.
Венедикт Ерофеев.
Москва -- Петушки

Правая, левая где сторона?

Классическую постановку вопроса о право-левой симметрии приписывают средневековому философу Буридану. Он сформулировал следующую проблему. Допустим, имеется обычный осел и на равном расстоянии от него, справа и слева, находятся одинаковые охапки сена. Вопрос: какова судьба этого осла? Ответ Буридана достаточно жесток: "Судьба этого осла печальна, он неминуемо умрет с голоду. Поскольку у него нет ни малейшего основания для выбора между правым и левым направлениями, он останется на месте и будет ждать своей кончины".
Оспорить тезис Буридана трудно. Конечно, мы должны предполагать, что начальное состояние в этом мысленном эксперименте строго симметрично. И тогда мы действительно вправе ожидать, как это ни печально, что симметрия сохранится до конца.
Однако мне жаль осла, поэтому я позволю себе немного видоизменить схему мысленного эксперимента, не изменив при этом его сути и основного вывода. Я предоставлю в распоряжение осла прибор под названием "генератор случайных чисел". Его можно представить как черный ящик, снаружи которого находятся только кнопка и окошечко, где при нажатии кнопки выскакивает либо "0" либо "1". Существенно, что выбор того или иного числа внутри ящика производится абсолютно случайно и равновероятно. (Если это слишком сложно, замените генератор на обычную монету, которая падает на землю либо орлом, либо решкой.) Симметрия начального состояния эксперимента не нарушилась, но теперь осел может нажать кнопку генератора, предварительно решив, что, если увидит в окошечке "0", то пойдет налево, а если увидит "1" -- направо.
Мы спасли осла, но не потеряли ли мы симметрию? Ведь она, имевшаяся вначале, все-таки в конечном состоянии исчезла. Чтобы разобраться, давайте рассмотрим статистический набор модифицированных буридановых ослов. И если половина ослов из этого набора пойдет направо, а половина налево, то мы будем утверждать, что право-левая симметрия не нарушается.
Именно так рассуждает современная физика. Если при распаде частицы какой-то продукт распада, например электрон, полетел вниз, то симметрия пока не нарушена. Надо понаблюдать побольше распадов и посчитать, в скольких случаях электрон летит вниз, а в скольких -- вверх. Если в среднем числа одинаковы, то все в порядке.
Гипотеза о возможном несохранении четности была впервые высказана американскими физиками Ли Цзундао и Янг Чжэннином. Они же предложили провести прямые эксперименты, демонстрирующие это явление. Первый такой эксперимент был выполнен в 1956 году группой физиков Колумбийского университета.

Экспериментально право-левая симметрия в мире элементарных частиц была обнаружена в 1956 г. Она выражалась в том, что при распаде ядра кобальта электроны летят "вниз" чаще, чем "вверх"

 
В эксперименте наблюдали за электронами, возникающими при распаде радиоактивного кобальта. Ядро кобальта имеет спин, то есть как бы вращается вокруг оси. Наличие спина и дает возможность определить "верх" и "низ". Обычный вращающийся шарик обязан сохранять симметрию относительно этого верха и низа. Эксперимент же показал, что электроны предпочитают лететь почему-то вниз. То есть все получалось так, как если бы наши модифицированные буридановы ослы почему-то предпочитали правую кормушку левой.
Особенность, обнаруженная в распаде кобальта, вскоре была подмечена еще и в распадах нейтрона, мюона, а потом и других частиц. И вывод, сформулированный на основе этих наблюдений, гласил: наш мир относительно левого и правого не симметричен.
Как же был воспринят этот поистине революционный вывод? Как ни странно, на редкость спокойно. Правда, можно привести и "нетипичные" высказывания. В книге "Характер физических законов" Ричард Фейнман пишет: "Ни один человек пока еще не имеет ни малейшего представления о том, как объяснить эту загадку". Эти слова можно найти в первом издании книги Фейнмана на русском языке, вышедшем в 1968 году. Но при переиздании ее в серии "Квант" кто-то решил подправить нобелевского лауреата и выбросил эту фразу. По-видимому, как не представляющую интереса для советского читателя. А вот мнение Вернера Паули, одного из создателей квантовой механики: "...Таким образом, обсуждавшиеся здесь новые экспериментальные результаты привели нас к проблемам, решение которых, возможно, является делом далекого будущего".
Почти сразу же после открытия несохранения четности было обнаружено еще одно, не менее интересное, явление, которое заставило говорить, что право-левая симметрия, конечно же, нарушается, то есть отсутствует, но одновременно она как бы сохраняется, то есть все-таки присутствует.
Это новое явление зафиксировали при наблюдении за распадом античастиц. Оказалось, что в распадах античастиц есть та же асимметрия, что и у частиц, но противоположного направления! То есть при распаде нейтрона электроны летят вниз, а при распаде антинейтрона -- вверх. Это правило находило свое подтверждение во всех распадах всех частиц. Другими словами, античастицы вели себя как зеркальные партнеры частиц. Что немедленно привело к формулировке принципа CP-инвариантности (C -- charge, заряд; P -- parity, четность), который гласит примерно следующее. Да, наблюдаются процессы, которые нарушают право-левую симметрию. То есть, отразив наблюдаемую картинку в зеркале, мы увидим процесс, который в нашем мире не наблюдается. Но если в отраженной в зеркале картинке мы поменяем еще и частицы на античастицы (а античастицы соответственно на частицы), то все будет в порядке. Теперь процесс, который получился при таком двойном отражении, можно наблюдать и в нашем реальном мире.

Эксперименты, выполненные в 1956 и 1964 г., приводят к мысли о существовании сложной пространственно- временной структуры элементарных частиц

И тут мы подходим к самому загадочному моменту в истории право-левой симметрии. Казалось бы, описанные выше наблюдения должны вызвать закономерный вопрос: почему античастицы ведут себя зеркально симметричным образом в сравнении с частицами? Не есть ли они настоящие зеркальные аналоги частиц? Ведь если бы такие аналоги существовали, то вопрос о нарушении право-левой симметрии был бы снят с повестки дня. Об этом писали еще Ли и Янг в 1956 г., выдвигая свою гипотезу и предлагая прямые эксперименты для ее проверки: "Эти эксперименты позволят установить, действительно ли известные в настоящее время элементарные частицы обладают право-левой асимметрией. Будь такая асимметрия обнаружена, все еще возникал бы вопрос, нет ли в природе соответствующих элементарных частиц, обладающих противоположной асимметрией -- так, чтобы в более широком смысле по-прежнему имела место общая симметрия правого и левого. В таком случае должно было бы существовать два сорта протонов, pr и pl -- соответственно правых и левых".
Но ведь мы же их знаем, эти два сорта: pr -- это протон, а pl -- это антипротон! То же самое для всех остальных частиц. И нет никакого несохранения четности, и наш мир вновь обретает утраченную было право-левую симметрию. Именно такая мысль была высказана Э.Вигнером в 1957 году. Обсуждая эксперимент с асимметрией в распаде кобальта, Вигнер заявил, что если результатом зеркального отражения кобальта выступает антикобальт, то никакого нарушения симметрии в эксперименте не происходит. В этом случае, писал Вигнер, "...зеркальное отражение отрицательного заряда было бы положительным зарядом, зеркальное отражение электрона -- позитроном, и наоборот. Зеркальное отражение материи было бы антиматерией".
Ну и что же, спросит читатель, эта мысль получила дальнейшее развитие или после обсуждения была по каким-то причинам отвергнута? В том-то и дело, что ни того, ни другого не произошло. Такое впечатление, что все просто пропустили слова Вигнера мимо ушей. Да и сам он к своей гипотезе больше не возвращался.
Чтобы объяснить эту загадку или хотя бы дать читателю какие-то дополнительные сведения, мы должны перейти к зарядам.

Заряды -- электрический и другие

На вопрос, что такое электрический заряд, в разных разделах физики можно получить различные ответы. Классическая электродинамика, например, говорит, что заряд есть способность тела, им обладающего, притягивать либо отталкивать другое тело, также наделенное зарядом. Заряды существуют двух видов, положительные и отрицательные, при этом разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.
В квантовой электродинамике ответ звучит уже по-другому. Заряд есть способность частицы излучать и поглощать гамма-кванты. Тела (вернее, частицы), обменивающиеся гамма-квантами, будут либо притягиваться, либо отталкиваться. Однако понятия знака заряда в квантовой электродинамике не существует, оно ей не нужно.
Чем же тогда различаются электрон и позитрон? Ответ довольно интересный. В этой науке (к которой следует относиться с большим уважением) позитрон описывается как электрон, движущийся вспять во времени. То есть эта частица имеет на борту собственный хронометр, который либо отсчитывает время в ту же сторону, что и наши часы, либо в обратную. В первом случае мы называем частицу электроном, во втором -- позитроном.
Итак, ни в классической, ни в квантовой науках понятие заряда никак не объясняется. Это просто свойство, которое у частицы либо есть, либо нет. В обоих случаях речь идет о фундаментальном первичном свойстве, которое не может быть объяснено никакими другими свойствами. Физики к этому привыкли, поэтому на вопрос, что произойдет с зарядом, если его отразить в зеркале, всегда отвечали одинаково: ничего не произойдет, каким он был, таким и останется.
Само собой разумеется, никаких доказательств того, что зеркальное отражение заряда есть этот же самый заряд, ни у кого нет. Экспериментаторы пока не дошли до того, чтобы выворачивать элементарные частицы наизнанку, а теоретикам не было большой надобности создавать теории, в которых зеркальное отражение заряда было бы зарядом другого знака либо еще чем-нибудь. Да и нелегкое, надо думать, дело -- создать такую теорию или даже модель. Ведь если заряд меняет знак при отражении, у него должны быть для этого достаточно веские причины. Такой заряд уже должен иметь какую-то структуру. То есть такая теория (или модель) должна была вместо фундаментального электромагнитного взаимодействия ввести какое-то другое и получить электрический заряд как следствие этого нового взаимодействия.
И все же после опытов, демонстрирующих асимметрию в распадах частиц, возникла дилемма, отмеченная Вигнером. Либо эти эксперименты доказывают, что в нашем мире нет право-левой симметрии, либо мы пытаемся (и в теории, и в эксперименте) найти подтверждение того, что электрический заряд имеет структуру.
Но электрическим зарядом дело не ограничивается. Есть еще барионный и слабый заряды, и они тоже имеют разные знаки у частиц и античастиц. Стало быть, и они должны менять знак при отражении в зеркале, стало быть, и они, доселе фундаментальные, должны объясняться какими-то другими, новыми силами и зарядами.
Физика, как мы знаем, выбрала первый путь. Второй даже не был как следует обозначен. Идея заряда, меняющего свой знак в зеркале, оказалась для большинства чересчур безумной.
Попробуем, завершая эту главу, подытожить на понятном читателю языке основные выводы конца 50-х годов. Физики обнаружили, что буридановы ослы предпочитают правую кормушку. Одновременно объявилась другая разновидность этих животных, предпочитающих, наоборот, левую кормушку. При анализе выяснилось, что ослы первой группы состоят из молекул сорта A, а ослы второй -- из молекул сорта B, в остальном же они идентичны. Молекулы A и B, по существу, однотипны, и в настоящий момент наука не в силах найти, в чем различие между ними. Вывод, который сделала из этого физика, звучит следующим образом. Доказано, что право-левой симметрии в нашем мире нет. Но зато есть симметрия по отношению к комбинированной операции: когда при отражении в зеркале одновременно меняются местами молекулы A и B. Все? Все.
Да, автору такой вывод кажется по меньшей мере странным. По его мнению, выводы о нарушении право-левой симметрии на этой стадии явно преждевременны и разница в поведении ослов первой и второй групп объясняется разным устройством молекул A и B. Именно исследованиям структуры A и B нужно уделить особое внимание.
Однако история о право-левой симметрии на этом отнюдь не заканчивается. Совершенно неожиданный поворот внесли в нее события, происшедшие в 1964 году.

Симметрия частица-античастица

В 1964 году на конференцию в Дубну приехал из Америки молодой экспериментатор Джим Кронин и сделал доклад, предметом которого было открытие нового вида распада частицы, именуемой K-ноль-два-мезон. Эксперимент, задуманный им совместно с Вэлом Фитчем и выполненный на Брукхейвенском ускорителе, показал, что этот мезон распадается на два пи-мезона. Для неспециалиста в этом не было ничего интересного, но на аудиторию доклад произвел впечатление разорвавшейся бомбы. Ибо существование такого распада означало, что симметрии между частицами и античастицами не существует.
Строго говоря, упомянутая симметрия оказалась под вопросом еще в 1956 году -- помните, электрон при распаде частицы летит вниз, а при распаде античастицы -- вверх? Но тогда многих утешало то соображение, что распад античастицы в зеркале выглядит точь-в-точь как распад частицы. Теперь же оказывалось, что и комбинированной CP-симметрии в нашем мире не существует.
Частица K-ноль-два-мезон -- в некотором смысле особая. Она не частица и не античастица, а как бы смесь того и другого. Или, точнее, то и другое сразу. Ведь смесь -- это что такое? Ну, например, смесь воды и спирта -- наливая эту смесь из бутылки, мы знаем, что окажется в рюмке. А что вы скажете о бутылке, из которой в одном случае в рюмку польется чистая вода, а в другом -- чистый спирт? Вот примерно так и устроен этот K-ноль-два-мезон. В одном случае он мог проявить себя как K-ноль-мезон (это частица), а в другом -- как анти-K-ноль-мезон, то есть как античастица. В микромире, где правят законы квантовой механики, это дело обычное. Важным было то, что компоненты K-ноль и анти-K-ноль содержались в K-ноль-два-мезоне в совершенно равных пропорциях. Поэтому он был сам себе и античастицей. Уточняю, что такие представления бытовали на 1964 год.
Но из результатов опыта Кронина--Фитча следовало, что K-ноль-два чуть более охотно проявляет себя как частица и, соответственно, чуть менее охотно как античастица. Все бы ничего, если бы нашлась частица с обратными тенденциями, притом с той же массой и временем жизни (эти параметры у частиц и античастиц обязаны совпадать). Но, увы, такой частицы нет. Следовательно, K-ноль-два-мезон -- уникальное явление. Частица, не имеющая соответствующей античастицы.
Превышение материи над антиматерией в K-ноль-два очень невелико, но оно есть, и смысл этого превышения был и остается загадкой по сей день. Ни одной сколько-нибудь разумной гипотезы, способной объяснить такую асимметрию, пока не было высказано. Однако вы очень ошибаетесь, если думаете, что физики легко переварили этот сюрприз. Ничего похожего на благодушное отношение к несохранению четности и в помине не было! После официального доклада на конференции Кронину было организовано специальное выступление, которое более напоминало перекрестный допрос с пристрастием (автор статьи имел честь там присутствовать). Каждая деталь эксперимента была тщательно разобрана, проанализирована, подвергнута всей возможной критике.
А с конца 1964 года научные журналы буквально захлестнул шквал работ и идей, авторы которых стремились к одной цели: объяснить результаты эксперимента Кронина--Фитча, сохранив полную симметрию между частицами и античастицами. Чего только не предлагали и не предполагали! И другой сорт пи-мезонов, на которые К-ноль-два-мезону не возбраняется распадаться; и межгалактическое поле, доселе неслыханное; и теневая Вселенная; и зеркальный невидимый мир, и многое другое. Для проверки этих гипотез ставили специальные эксперименты, но ни один не дал желаемого результата, все выглядело по-старому. Оставалось предположить, что Господь Бог для каких-то своих надобностей пометил один вид материи особой меткой.
Авторы эксперимента, в котором было обнаружено CP-нарушение, вполне заслуженно удостоились Нобелевской премии. Свою речь при вручения премии профессор Кронин завершил следующими словами: "Мы должны постоянно напоминать самим себе о том, что CP-нарушение, каким бы малым оно ни было, есть вполне реальный эффект... Мы должны продолжать поиски причины нарушения CP-симметрии всеми возможными способами, имеющимися в нашем распоряжении... Мы надеемся, что в будущем, возможно, отдаленном, это загадочное послание природы будет расшифровано".
Помимо общего оживления атмосферы, которое привнес с собой результат эксперимента Кронина--Фитча, он серьезно повредил гипотезе Вигнера. Действительно, коль скоро античастицы несимметричны по отношению к частицам, то они не могут помочь нам восстановить право-левую симметрию. Значит ли это, что мы должны навсегда с ней распрощаться ? Цель данной статьи -- показать, что торопиться не стоит. А чтобы это показать, нужно познакомить читателя с зеркальным миром.

Зеркальный мир.

Термин "зеркальный мир" вошел в физику в 1968 году, и гипотеза существования такого мира имеет самое непосредственное отношение к право-левой симметрии. Гипотеза, авторами которой были советские физики Л.Окунь, И.Кобзарев и И.Померанчук, появилась наряду с прочими как реакция на эксперимент Кронина--Фитча. Предположим, сказали авторы, что у каждой частицы есть партнер -- зеркальная частица. Соответственно и античастица имеет партнера -- зеркальную античастицу. Массы всех четырех строго равны. Существует еще один мир, который мы будем называть зеркальным. Он во всем подобен нашему, за исключением знаков асимметрий. То есть опыты с асимметрией в распадах и эксперимент Кронина--Фитча дадут в результате ту же величину, но с обратным знаком. Это как бы восстанавливало ситуацию, возникшую после 1956 года. Тогда физики смирились с потерей P-- и C-симметрий, заменив их CP-симметрией. Теперь авторы гипотезы предлагали смириться и с потерей CP-симметрии, заменив ее новой симметрией CPA, где буква A обозначает оператор, переводящий обычные частицы в зеркальные и наоборот. При этом, естественно, знаки всех зарядов, отраженных в зеркале, оставались теми же. И точно так же, как в 1956 году, авторы оставляли за скобками самый интересный вопрос: почему зеркальные частицы ведут себя зеркальным образом по отношению к обычным?
Восстанавливает ли такая гипотеза симметрию между частицами и античастицами, или между правым и левым? Мне кажется -- нет, не восстанавливает. Вернемся опять к нашим баранам, то бишь к ослам имени Буридана. Что мы теперь наблюдаем? По-прежнему есть две разновидности: ослы типа A и ослы типа B. Но если раньше наши измерения показывали, что тип A в 51% случаев предпочитает правую охапку сена, а тип B точно в таком же проценте случаев предпочитает левую, то теперь более точные измерения обнаружили разницу. Для типа A процент предпочтения составляет 51,1%, в то время как для типа B эта цифра только 50,9%. (Цифры не имеют ничего общего с реальными, но это не важно.)
В такой ситуации никакие гипотезы о структуре молекул типа A и B не могут спасти право-левую симметрию. Поэтому логично придумать зеркальных партнеров. Получается, что теперь есть ослы четырех типов -- A, B, C и D, причем пары A, C и B, D ведут себя по отношению друг к другу абсолютно зеркальным образом.
Однако на этом авторы "зеркального мира" успокаиваются и говорят примерно следующее. "Да, существуют четыре формы материи, и пары A, C и B, D демонстрируют в своем поведении абсолютную симметрию. Но почему это так, нас не интересует. Мы знаем, что молекулы A, B, C, D все различны, поэтому право-левой симметрии не существует. И вдобавок симметрия между частицами и античастицами тоже отсутствует".

Мы наш, мы новый зеркальный мир построим

Можно, однако, сформулировать такую гипотезу зеркальных частиц, в рамках которой право-левая симметрия существует. Для этого надо сказать о молекулах A, C и B, D то же самое, что сказал Вигнер по поводу частиц и античастиц. А именно: если зеркальные частицы существуют, то они могут быть настоящими зеркальными партнерами обычных частиц, теми, о которых мечтали Ли и Янг в далеком 1956 году.
Но тогда зеркальное отражение должно преобразовывать реальный электрон с его зарядом в зеркальный электрон с зеркальным зарядом. Кстати, я пока не успел сказать о зарядах зеркальных частиц. Дело в том, что если зеркальные частицы существуют, то их электрические заряды совершенно не похожи на заряды наших частиц. Эти заряды взаимодействуют только между собой, а к нашим относятся абсолютно индифферентно. А поскольку мы видим, слышим и осязаем исключительно с помощью электромагнитного взаимодействия, вышесказанное означает, что ни наблюдать, ни детектировать зеркальные частицы с помощью обычных детекторов мы не можем. (Заметим, что эксперименты, демонстрирующие существование зеркальных частиц, тем не менее возможны.)
Может ли простое зеркальное отражение превращать "наш" заряд в некий гипотетический заряд, который с "нашим" и взаимодействовать не хочет? А почему бы и нет? В принципе это ничему не противоречит. Конечно, в рамках такой гипотезы заряд должен иметь пространственную, а скорей всего и пространственно-временную структуру.
Автор статьи сознает, что от слов "не противоречит" до создания даже примитивной математической модели -- дистанция огромного размера. Но разговор пока не об этом. Пока мы хотим только констатировать, что принципиальных запретов на пути такой гипотезы нет.
Кстати говоря, мысль о том, что электрический заряд есть следствие некоторой пространственно-временной структуры частицы, уже появлялась в физике. Мы говорим о модели Калуцы--Клейна, именно эти физики -- авторы такой модели. В ней кроме трех известных нам пространственных измерений существует еще одно, четвертое. Но оно, это измерение, замкнутое. Двигаясь вдоль него, мы очень скоро окажемся в той же точке, с которой стартовали. Физики, которые любят красивые термины, называют такое измерение "компактифицированным". Так вот, в этой модели каждая частица, помимо обычного вектора скорости, может иметь еще и компоненту скорости вдоль этого четвертого измерения. В этом случае она ведет себя так, как должна себя вести заряженная частица. Если же такой компоненты нет, она выглядит электрически нейтральной. Интересно и то, что в этой модели знак заряда определяется направлением движения вдоль четвертого измерения. Стало быть, если мы рассмотрим какой-то физический процесс в обратном направлении, то вместо электронов увидим позитроны, и наоборот.
Мы подошли к финалу и готовы сформулировать ответ на вопрос, что же означают эти загадочные результаты, именуемые в физике терминами "нарушение четности" и "нарушение CP-симметрии". Вполне возможно, их следует рассматривать как слабые сигналы, свидетельствующие о сложной внутренней структуре тех частиц, которые сейчас принято считать элементарными, то есть бесструктурными. И, приняв в качестве гипотезы тезис о существовании право-левой симметрии, мы можем сказать кое-что о внутреннем устройстве этих частиц.
Сама идея о возможном существовании частиц более элементарных, чем кварки и лептоны, высказывалась, и неоднократно. Такие частицы даже получили имя -- их называют преонами. Чтобы не придумывать новых названий, мы в дальнейшем будем пользоваться этим именем. Итак, электрон, позитрон, а также их зеркальные партнеры (которые еще предстоит открыть) состоят из одних и тех же частиц -- преонов. Преоны не несут на себе ни электрического, ни какого-либо еще из известных нам зарядов. Однако внутри электрона преоны движутся по некоторым замысловатым траекториям и, как результат этого движения, электрон приобретает те свойства, которые ассоциируются у нас с электрическим зарядом. Какой-то другой вид движения преонов придает электрону свойства, позволяющие ему участвовать в слабых взаимодействиях. Соответственно внутри кварка преоны движутся каким-то другим образом, создавая для кварка свойства электромагнитного и сильного взаимодействий.
Понятно и то, чем различаются участники этого квартета -- электрон, позитрон, зеркальный электрон, зеркальный позитрон. Траектории движения преонов в позитроне совершенно такие же, как и в электроне, но направление их движения обратное (так же, как и в модели Калуцы--Клейна). А в зеркальном электроне преоны движутся в том же направлении, что и в обычном, но зато орбиты их движения суть зеркальные копии орбит преонов в обычном электроне. То же справедливо и для любого другого квартета кварков и лептонов.
В качестве простейшего примера орбит, о которых говорилось выше, можно предложить коническую поверхность с навитой на нее спиралью и некоторой точкой (преоном), движущейся по этой спирали. Если принять, что в электроне точка движется по левой спирали в направлении к вершине конуса (вверх), то в позитроне точка движется по левой же спирали, но вниз, а в зеркальных электроне и позитроне точки движутся по правой спирали вверх и вниз соответственно.
Нам осталось ответить на вопрос, как в этом случае обстоят дела с симметрией частица -- античастица и что означает странное поведение K-ноль-два-мезона. Ну, во-первых, мы видим, что при изменении направления движения времени частицы становятся античастицами, и наоборот. Таким образом, в рамках обсуждаемой картины вопрос о симметрии частица -- античастица эквивалентен вопросу о симметрии по отношению к отражению времени. То есть если в природе существуют несимметричные во времени процессы, то нет и симметрии между частицами и античастицами. Однако имеющихся в настоящее время экспериментальных данных пока недостаточно для определенного ответа на этот вопрос.
Надо сказать, что до сих пор различия в поведении частиц и античастиц наблюдались только в экспериментах с K-ноль-два-мезонами. Кроме того, выводы о таком различии базируются лишь на некоторых предположениях о поведении нейтральных K-мезонов, то есть носят косвенный характер. В том случае, если зеркальный мир существует, эти выводы должны быть пересмотрены. Если (как в случае с электроном) мы имеем дело с квартетом нейтральных K-мезонов, то настоящий, так сказать, K-ноль-два-мезон должен нести в себе свойства не двух, а всех четырех партнеров (и зеркальных тоже). В этом случае K-ноль-два, с которым экспериментаторы имели дело до сих пор, -- это не частица, а некое промежуточное состояние. Оно, это состояние, вполне может "помнить" историю своего рождения. И очень может быть, что тот крохотный избыток состояния K-ноль в K-ноль-два-мезоне, который обнаружили Фитч и Кронин, и есть метка, полученная частицей при рождении.
Можно подвести итоги. В настоящее время мало кто из физиков сомневается в существовании более элементарной структуры, чем кварки и лептоны. Рано или поздно мы найдем экспериментальные проявления следующего, более низкого уровня материи и будет создана адекватная теория. И цель данной статьи -- показать, что мы имеем все основания ожидать: на этом новом уровне загадки "нарушения четности" и "нарушения CP-симметрии" найдут свое естественное объяснение.