Идея симметрии играет фундаментальную роль при изучении законов природы. Атом представляет собой пример физической системы, отличающейся высокой степенью симметрии. В простейших атомах электроны, вращающиеся вокруг ядер, распределены по сферическим оболочкам, которые симметричны относительно поворотов вокруг любой оси, проходящей через атомное ядро.
В более сложных атомах распределение электронов не обладает сферической симметрией, однако и в этом случае можно найти некоторую плоскость или ось симметрии. Физикам известна еще более высокая симметрия, свойственная атому. До недавнего времени атом рассматривали как систему, связанную только электромагнитными силами, которые не «чувствуют» различий между «левым» и «правым». Чтобы быть более точными, возьмем некоторую физическую систему и сравним ее со второй системой, представляющей зеркальное изображение первой.
Оказывается, что все эффекты, которые могут происходить во второй системе, являются зеркальными отображениями эффектов, происходящих в первой системе. Это важное свойство электромагнитных сил называют сохранением четности. В последнее время было затрачено много усилий на то, чтобы экспериментально проверить сохранение четности в атомах. Эти эксперименты не были вызваны подозрениями, что электромагнитные силы нарушают (другими словами, не сохраняют) четность. Напротив, казалось, что электромагнитные взаимодействия в атоме доминируют настолько, что возможные отклонения от точного сохранения четности должны быть чрезвычайно малы.
Однако атом не является чисто электромагнитной системой. Помимо электромагнитных сил на движение элементарных составляющих атома влияют три другие фундаментальные силы. Эти силы порождаются гравитационными, слабыми и сильными взаимодействиями. В масштабах атомов гравитацией можно пренебречь. Что касается сильных взаимодействий, то электроны, движением которых определяются свойства атомов, в них не участвуют. Остаются, однако, еще слабые взаимодействия между каждым электроном и атомным ядром, которые могут привести, согласно теоретическим расчетам, к небольшим возмущениям электронных орбит.
Это происходит в тех случаях, когда электрон «забредает» в достаточно близкую окрестность ядра, где он может «почувствовать» влияние сил, обусловленных слабым взаимодействием. Возмущения, вызываемые слабыми взаимодействиями, должны приводить к небольшим нарушениям четности в атомных системах. Поэтому эффекты слабых взаимодействий в атомах можно обнаружить экспериментально. Идея таких экспериментов в принципе весьма проста, однако они сложны для практического воплощения.
Рассмотрим некоторую систему атомов и создадим в ней определенное преимущество «левого» над «правым». Изучим те свойства системы, которые зависят от такого преимущества. Теперь заменим рассматриваемую систему другой — зеркальным отображением первой. Естественно, во втором случае будет иметь место преимущество «правого» над «левым». Будем изучать те же свойства системы. Если обнаружится, что наблюдаемые эффекты при зеркальном отражении не переходят друг в друга, то можно сделать вывод, что четность нарушается.
В конце 70-х годов был поставлен ряд экспериментов по обнаружению нарушения четности в атомных системах. Эксперименты не увенчались успехом. В цепи теоретических предсказаний, столь успешно подтвердившихся в других случаях, появилось слабое звено. Теперь это важное звено «выковано заново». Несколько экспериментальных групп, в том числе и наша группа из Высшей нормальной школы (Ecole Normale Superieure) в Париже, подтвердили существование эффекта нарушения четности в некоторых атомных системах.
Эти результаты служат хорошим дополнением к впечатляющим успехам новой теории слабых взаимодействий в предсказании явлений, происходящих при чрезвычайно высоких энергиях. Среди них особое место занимает открытие частиц W+, W- и Z/0, сделанное в прошлом году физиками Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. В атомной физике эксперименты выполняются при значительно меньших энергиях, чем на ускорителях, поэтому свойства слабых взаимодействий можно проверить на значительно больших расстояниях.
Кроме того, подобные эксперименты дают информацию об интенсивности слабых взаимодействий между фундаментальными составляющими материи — кварками и электронами. Такую информацию пока трудно получить из опытов с частицами высоких энергий. Говоря о слабых взаимодействиях, в качестве примера обычно приводят процесс бета-распада, важное звено в механизме термоядерного превращения водорода в гелий в недрах Солнца. При бета-распаде нейтрон в ядре превращается в протон, причем испускаются электрон (бета-лучи) и антинейтрино.