Общеизвестно, какое большое значение имеет понятие о симметрии пространства в непрерывных пространственно-временных преобразованиях. Требование одномерности пространства приводит к сохранению импульса, тогда как при изотропности пространства следует сохранения момента импульса. Однородность времени проявляется закон сохранения энергии.
Рассмотрим другие симметрии природы, связанные с возможностью замены правого на левое, частицы на античастицу и возвратность текучести времени. Каждую из этих трех симметрий можно считать точной относительно сильной и электромагнитного взаимодействий частиц, но они нарушаются для слабого взаимодействия.
Еще в далеком прошлом считали, что природа абсолютно симметричная, что физические процессы не изменятся от того, если заменить правое на левое, частичку на античастицу или даже обычное течение времени на обратный. В 1956 г. впервые было высказано предположение, а впоследствии подтверждено экспериментально, зеркально отражен мир по физическим свойствам отличается от реального.
Попытки объяснить некоторые загадочные факты в распадах каона на два и три пионы привели к истинно революционного предположение о том, что природа способна отличать правое от левого в процессах слабого взаимодействия. Это возможно лишь тогда, когда нет так называемой зеркальной симметрии. Действительно, зеркальной симметрии соответствует зеркальное отражение. Симметрия в данном случае означает идентичность левого и правого. Математически зеркальное отражение оформляется в виде замены знака в одной из координат (х ->-х) 9 если зеркало совпадает с плоскостью yz. Более общее математическое преобразование, основанное на замене знаков во всех координат (г ->-г), состоит из зеркального отражения с последующим поворотом на 180 ° вокруг оси, перпендикулярной плоскости зеркала. Такое преобразование называют инверсией координат.
Зеркальная симметрия связана с понятием пространственной четности (сокращенно Р-четности, от англ. Parity - четность).
В квантовой механике состояния объектов (микрочастиц или систем объектов) характеризуются волновыми функциями, а много физических характеристик систем квантуются, т.е. определяются квантовыми числами. Пространственная четность является квантовым числом, которое приобретает все двух значений: +1 и -1; Р-четность равна +1, если волновая функция квантовой системы не меняет знак при инверсии координат, и равен -1, если волновая функция меняет знак. Закон сохранения пространственной четности заключается в том, что квантово-механическая система может находиться только в состояниях с определенной Р-четности: либо Р = +1 (парный состояние), или Р = -1 (нечетный состояние). Четность состояния не меняется со временем. Сохранение Р-четности отражает симметрию физических явлений относительно инверсии координат. Впервые закон сохранения Р-четности (1924 г.) сформулировал немецкий физик А. Лапорт к процессам излучения света атомами. Ученый установил, что энергетические уровни атома разбиваются на два класса - четные и нечетные, а также, что излучения или поглощения фотона сопровождается переходом с уровня с определенной четностью на уровень с противоположной четностью. При этом фотон наделяется отрицательной четностью Р = -1. Следовательно, Р-четность сложной системы равна произведению Р-четности составных частей.
Долгое время закон сохранения Р-четности считался справедливым при всех физических процессах, т.е. для любого взаимодействия. Однако 1956 год стал годом крушения принципа зеркальной симметрии в микромире, точнее годом краха универсальности этого принципа. Американские физики T. Jli и Ч. Янг объяснили странное поведение 7Г °-мезона, который может распадаться как на два, так и на три пионы. Они предположили, что в этом случае нарушается Р-четность. По их мнению, нарушения Р-четности должно сопровождаться не только распад-мезонов, но и все другие процессы, обусловленные слабым взаимодействием. Для проверки этой гипотезы они предложили эксперимент, осуществленный в Колумбийском университете (1957 г.) группой физиков под руководством Ц. By. Они исследовали ? ~-распад нуклида Со. Для того чтобы не нарушалась ориентация ядер кобальта тепловым движением атомов, его охлаждали жидким гелием до температуры 0,06 К. Так, «замороженный» образец помещался в магнитное поле, а над и под ним устанавливалась система счетчиков. При этом оказалось, что при относительно малом времени наблюдения (до ЗО мин) существует асимметрия в вылете электронов: 3 ~-частицы, излучаемую ориентированными ядрами кобальта, вылетают преимущественно против направления магнитного поля. Повторив опыт при противоположном направлении поля, направление преимущественного вылета электронов также менялся на обратный. Обнаружено в опытах Ц. By преимущественное излучение ? ~-частиц в одном направлении свидетельствует о нарушении зеркальной симметрии.
Экспериментально было убедительно доказано, что гипотеза Т. Ли и Ч. Янга справедлива. Итак, во всех процессах, обусловленных слабым взаимодействием, Р-четность не сохраняется *.
Развивая идеи Т. Ли и Ч. Янга, американские физики Р. Фейнман и М. Гелл-Манн высказали гипотезу об универсальности слабого взаимодействия (1958 p.). Они обратили внимание на то, что распады различных элементарных частиц и ?-распад ядер характеризуются одними и теми же закономерностями. Во всех этих процессах не сохраняется пространственная четность. Р. Фейнман и М. Гелл-Манн выделили то общее, что присуще всем частицам, участвующих в слабом взаимодействии. Им оказался спин частиц.
Многие выводы из гипотезы об универсальности слабого взаимодействия было подтверждено экспериментально в начале 60-х годов XX в. Оставалось экспериментально обнаружить слабое взаимодействие ядерных частиц. Учитывая малость константы слабого взаимодействия сравнению с константой сильного взаимодействия (разница в 1014 раз), нужно было выявить действие слабого взаимодействия нуклонов на фоне существенно более интенсивной сильного взаимодействия. Это удалось сделать вследствие свойства слабого взаимодействия не хранить пространственную четность. Слабое взаимодействие, которую ранее связывали с медленного распада элементарных частиц и с процессами, которые происходят с участием нейтрино, существует также и между ядерными частицами - протонами и нейтронами.
Следовательно, изучая слабое взаимодействие элементарных частиц, физики вынуждены были отказаться сначала от универсальности принципа зеркальной симметрии в природе, изъяв из сферы его применения слабое взаимодействие элементарных частиц. Затем установили универсальность слабого взаимодействия, доказав, что она присуща большом количестве элементарных частиц, в том числе протонам и нейтронам.
После открытия нарушение принципа зеркальной симметрии Т. Jli и Ч. Янг сформулировали принцип так называемой зарядово-зеркальной симметрии. Большое значение в формировании понятий, связанных с новым принципом, имеют научные труды JI. Д. Ландау.
Итак, наряду с понятием Р-четности было введено понятие зарядовой четности, которое обозначается буквой С (от англ. Charge - заряд) и характеризующее свойства симметрии микрообъектов по замене знака всех зарядов, т.е. к зарядового сопряжения.
Новый принцип зарядово-зеркальной симметрии заключается в том, что если рядом с инверсией координат (зеркальным отражением) осуществить одновременно зарядовое сопряжение (заменить частицы на античастицы), то преобразован процесс (или микрообъекты) полностью эквивалентен реально существующему. Итак, два вместе взятые преобразования - инверсия координат и замена знаков зарядов - не меняют свойств микрообъектов. В этом случае говорят, что сохраняется CP-четности. Каждая из четности отдельности может не сохраняться, а их произведение сохраняется. Л. Д. Ландау назвал эту комбинацию «комбинированной четности».
Новая симметрия получила всеобщее признание, тем более, что эксперименты подтвердили ее справедливость. Так продолжалось до тех пор, пока 1964 Дж. Кронин и В. Фитч в США экспериментально обнаружили несохранения CP-четности в одном из распадов нейтральных ^-мезонов *. Следует отметить, что ?T-мезонов очень «повезло» в выявлении нарушения принципов симметрии. Действительно, исходя из анализа распадов ииГ0-мезонов, Т. Ли и Ч. Янг сформулировали свою гипотезу о несохранении Р-четности в слабом взаимодействии.
Свойство симметрии, соответствует операции возвратности течения времени, то есть замене знака времени (t - »-t), называют инвариантностью относительно изменения направления течения времени, или! Г-инвариантностью.
Долгое время физики были уверены в симметрии микропроцессов относительно возвратности течения времени, то есть! Г-инвариантность существует во всех процессах микромира. Это означает: если возможен какой-либо процесс, то возможен и обратный процесс, который получают из начальной изменением направления течения времени. Теперь введем комбинацию всех трех операций: С (зарядового сопряжения), Р (инверсии координат) и Т (возвратности течения времени). Такую операцию обозначим произведением всех трех преобразований СРТ. В квантовой теории поля доказывается, что в любых взаимодействиях симметрия относительно операции СРТ. Это так называемая СРТ-теорема.
Опыт показывает, что сильное взаимодействие с большой точностью отдельно С-, Р-и Т-инвариантная. Электромагнитное взаимодействие Р-инвариантная, но возможно заметное нарушение С-и ^-инвариантности. Наконец, слабое взаимодействие полностью нарушает С-, Р-и, возможно, Т-инвариантность.