Вселенная в зеркале заднего вида

Рассмотрим частицу под названием пион, состоящую из кварка (+1) и антикварка (–1). Я могу разобраться, как она выглядит в зеркале, если перемножу четности ее компонентов. Четность пиона равна –1.

По тем же самым правилам пара пионов обладает четностью +1, а три пиона — общей четностью –1. Все это выглядит сущей экзотикой, пока не поймешь, что четность и правда должна сохраняться, и при электромагнитном и сильном взаимодействии именно так и происходит.

А вот слабое взаимодействие — это совсем другое дело, и именно здесь таится ключ к подлинному пониманию эксперимента Кронина и Фитча, о котором мы писали раньше. Если помните, Кронин и Фитч в 1964 году изучали каоны. Каоны — на редкость хитрые маленькие твари.

Создайте кучу каонов — и примерно половина из них проживет всего лишь одну миллиардную секунды или около того. Другая половина, как правило, живет примерно в 600 раз больше. Это настолько большая разница, что длинные и короткие каоны на самом деле — разные частицы.

И когда они распадаются, трупики тоже обычно получаются совсем разные. Обе версии распадаются на пионы, однако короткоживущая версия распадается на два пиона (четность +1), а долгоживущая на три (четность — 1). До Кронина и Фитча все считали, будто так себя ведут все каоны.

А на самом деле нет. Примерно один из 500 каонов-долгожителей немыслимым образом распадается на два пиона. То есть некоторые долгоживущие каоны, в сущности, превращаются в короткоживущие. Разница не так уж мала. Сохраняемое качество — четность — очевидно, в конечном итоге не всегда сохраняется, а ведь это, как мы уже видели, строжайшее требование ко всему веществу во вселенной. А чтобы разобраться, как так получается, нам нужно понять, что такое симметрия минус единицы.

Я потратил колоссальное количество чернил, пытаясь объяснить разницу между разными видами частиц — и всегда получалось так, что эта разница сводится к знаку «минус», который и измерить-то невозможно. Между прочим, я умею читать мысли, и вы сейчас думаете примерно так: «Да кому какое дело?!»

Принцип Паули

Давайте кратко повторим ход наших рассуждений.

Мы живем в квантовой вселенной, в которой о том, где скорее всего находится частица, говорит квадрат квантово-механической волны.

Некоторые частицы — фермионы — ставят перед амплитудой волны знак «минус», если поменять местами две из них.

Очевидно, что все это неважно, поскольку вероятность — это квадрат волны, и минус исчезает при умножении.

А я ведь, кажется, говорил, что минусу вы обязаны своим существованием!

Частицы, составляющие вещество, в том числе и нас, — это фермионы: протоны, нейтроны, кварки и электроны. Представьте себе два электрона, спины у которых направлены в одном направлении, прямо друг над дружкой (на случай, если эту книгу читают профессионалы, добавлю, что и импульс у них один и тот же). А теперь представьте себе, что мы поменяли их местами. С нашей точки зрения все осталось как было, однако с точки зрения квантовой механики во вселенной воцарился хаос. Волновая функция не должна была измениться никак, поскольку отличить один электрон от другого невозможно, однако мы каким-то образом умудрились поставить перед ней минус.

Коротко говоря, после умножения на минус единицу ничего не изменилось. Такое может быть только с одним числом — с нулем. Иначе говоря, нулевая волновая функция, следовательно, нулевая вероятность, следовательно, никаких шансов. Не бывает, и все тут.

Нельзя сделать так, чтобы два электрона были точь-в‑точь в одном месте в одно и то же время и с тем же спином. Когда Паули обнаружил это в 1925 году, то открыл путь к пониманию самых разных явлений в широчайшем диапазоне от структуры атомов до участи звезд. Этот принцип по праву называется принципом запрета Паули.

Преувеличить его значение невозможно. Непосвященным может показаться, будто это просто пикантная подробность из жизни частиц. Когда вы приступали к этой книге, то, наверное, думали, будто частицы вообще не могут накладываться друг на друга, так что вся эта умственная гимнастика с подменой частиц и минусом, возможно, кажется вам какой-то бессмыслицей. Какое отношение это имеет к обычной жизни?!

Атомы, а значит, и мы с вами, и любые инопланетяне, если они есть, сверху донизу состоят из фермионов. Возьмем не совсем наугад два элемента: главное различие между водородом и гелием состоит в том, что у водорода один электрон, а у гелия два и каждый из этих электронов нейтрализует по протону — один и два соответственно. Казалось бы, разница невелика, но она становится поистине космической, если вспомнить о принципе запрета.