8a. Квантовая механика I - Ричард Фейнман

и сказали, что вместо того, чтобы думать о -мезонах, с равным успехом можно рассуждать на языке двух «частиц» (т. е. «состояний») К1и К2. (Они, конечно, соответствуют состоя­ниям, которые мы обычно называли |I> и |II>. Мы не поль­зуемся нашими старыми обозначениями, потому что хотим следовать обозначениям самих авторов, тем, которые вы встре­тите на физических семинарах.)

Но Гелл-Манн и Пайс проделывали все это не для того, чтобы давать частицам новые названия; во всем этом имеется еще некоторая весьма странная физика. Пусть C1и С2 суть амплитуды того, что некоторое состояние |y> окажется либо k1-, либо K2-мезоном:

Из уравнений (9.49)

Тогда (9.48) превращается в

Их решения имеют вид

где С1(0) и С2(0) — амплитуды при t=0.

Эти уравнения говорят, что если нейтральный K-мезон при t=0 находится в состоянии |К1> [так что С1(0)=1 и

С2(0)=0], то амплитуды в момент t таковы:

Вспоминая, что А — комплексное число, удобно положить

(так как мнимая часть 2А оказывается отрицательной, мы пишем ее как минус ib). После такой подстановки С1(t) принимает вид

Вероятность обнаружить в момент t частицу К1равна квадрату модуля этой амплитуды, т. е. e-2bt. А из (9.52) следует, что ве­роятность обнаружить в любой момент состояние K2равна нулю. Это значит, что если вы создаете К -мезон в состоянии |К1>, то вероятность найти его в том же состоянии со временем экспо­ненциально падает, но вы никогда не увидите его в состоянии |К2>. Куда же он девается? Он распадается на два p-мезона со средним временем жизни t=1/2b, экспериментально равным 10-10 сек. Мы предусмотрели это, говоря, что А комплексное.

С другой стороны, (9.52) утверждают, что если создать .K-мезон целиком в состоянии К2, он останется в нем навсегда. На самом-то деле это не так. На опыте замечено, что он распа­дается на три p-мезона, но в 600 раз медленнее, чем при описан­ном нами двухпионном распаде. Значит, имеются какие-то другие малые члены, которыми мы в нашем приближении пренебрегли. Но до тех пор, пока мы рассматриваем только двухпионные распады, К2остается «навсегда».

Рассказ о Гелл-Манне и Пайсе близится к концу. Дальше они посмотрели, что будет, когда K-мезон образуется вместе с L0-частицей в сильном взаимодействии. Раз его странность должна быть +1, он обязан возникать в состоянии К0, Значит, при t=0 он не является ни К1, ни К2, а их смесью. Начальные условия таковы:

Но это означает [из (9.50)], что

а из (9.52) следует, что

Теперь вспомним, что K1 и К2суть линейные комбинации К0и К°. В (9.54) амплитуды были выбраны так, что при t=0 части,

из которых состоит, взаимно уничтожаются за счет интер­ференции, оставляя только состояние К0. Но состояние |К1> со временем меняется, а состояние |К2> — нет. После t=0 интерференция С1и С2 приведет к конечным амплитудам и для К0, и для.

Что же все это значит? Возвратимся назад и подумаем об опыте, показанном на фиг. 9.5. Там p--мезон образовал L0-частицу и K0-мезон, который летит без оглядки сквозь водород камеры. Когда он движется, существует ничтожный, но постоянный шанс, что он столкнется с ядром водорода. Раньше мы думали, что сохранение странности предохранит K-мезон от образования L0-частицы в таком взаимодействии. Теперь, однако, мы понимаем, что это не так. Потому что, хотя наш К-мезон вначале является К0-мезоном, неспособным к рож­дению L°-частицы, он не остается им навечно. Через мгнове­ние появляется некоторая амплитуда того, что он перейдет в состояние. Значит, следует ожидать, что иногда мы увидим L0-частицу, образованную вдоль следа K-мезона. Вероятность такого происшествия дается амплитудой С-, которую можно [решая (9.50)] связать с С1и С2. Связь эта такова:

И когда K-частица движется, вероятность того, что она будет «действовать как», равна |С-|2, т. е.

Сложный и поразительный результат!

Это и есть замечательное предсказание Гелл-Манна и Пайса: когда возникает K0-мезон, то шанс, что он превратится в -мезон, продемонстрировав это возможностью создания L0-частицы, меняется со временем по закону (9.56). Это предсказание последовало только из чистейших логических рассуждений и из основных принципов квантовой механики без знания внутрен­них механизмов K-частицы. И поскольку никто не знает ничего об этом внутреннем механизме, то дальше этого Гелл-Манн и Пайс не смогли продвинуться. Им не удалось дать теоретических значений a и b. И никто до сегодняшнего дня не смог это сделать. Им было по силам оценить значение b из экспериментально на­блюдаемой скорости распада на два p-мезона (2b=1,1·1010 сек-1), но про a они ничего не смогли сказать.

Мы изобразили функцию (9.56) для двух значений a на фиг. 9.6.

Видно, что форма ее сильно зависит от отношения a и b. Наблюдать -мезон сперва нет никакой вероятности, но затем она появляется. Если значение a велико, вероятность сильно осциллирует; если оно мало, осцилляции невелики или вовсе отсутствуют, вероятность просто плавно возрастает до 1/4.

Как правило, K-мезоны движутся с постоянной скоростью, близкой к скорости света. Тогда кривые фиг. 9.6 также пред­ставляют вероятность наблюдения -мезона вдоль следа с ти­пичными расстояниями порядка нескольких сантиметров. Те­перь вы видите, отчего это предсказание так удивительно свое­образно. Вы создаете отдельную частицу, и она не просто рас­падается, а проделывает нечто совсем иное. Временами она распадается, а порой превращается в частицу другого сорта. Характеристическая вероятность этого эффекта по мере ее дви­жения меняется очень странно. Ничего другого, похожего на это, в природе нет. И это удивительнейшее предсказание было сделано только на основе рассуждений об интерференции амплитуд.

Если и существует какое-то место, где есть шанс проверить главные принципы квантовой механики самым прямым обра­зом — бывает ли суперпозиция амплитуд или не бывает,— то оно именно здесь. Несмотря на то что этот эффект был предска­зан уже несколько лет тому назад, до сих пор достаточно ясного опытного определения еще не было. Имеются некоторые грубые результаты, указывающие, что значение a не равно нулю и что эффект действительно наблюдается: они свидетельствуют, что a по порядку величины равно b. И это все, что мы знаем из эксперимента. Было бы замечательно, если бы удалось точно проверить и посмотреть, действительно ли работает принцип суперпозиции в этом таинственном мире странных частиц — с неизвестными поводами для распадов и неизвестным поводом существования странности.

Анализ, который мы только что привели,— характерный пример того, как сегодня используется квантовая механика, чтобы разгадать странные частицы. Во всех сложных теориях, о которых вы, быть может, слышали, нет ничего сверх этого элементарного фокуса, использующего принципы суперпозиции и другие принципы квантовой механики того же уровня. Неко­торые утверждают, что у них есть теории, с помощью которых можно подсчитать b и a или по крайней мере a при данном b. Но эти теории совершенно бесполезны. Например, теория, предсказывающая значение а при данном b, говорит, что a должно быть бесконечным. Система уравнений, из которой они исходят, включает два p-мезона и затем возвращается от двух p-мезонов обратно к K0-мезону и т. д. Если все выкладки про­делать, то действительно возникает пара уравнений, похожих на те, что у нас получались, но, поскольку у двух p-мезонов имеется бесконечно много состояний, зависящих от их импуль­сов, интегрирование по всем возможностям приводит к a, рав­ному бесконечности. А природное a не бесконечно. Значит, динамические теории неверны. На самом деле чрезвычайно поразительно, что единственные явления, которые могут быть в мире странных частиц предсказаны, вытекают из принципов квантовой механики на том уровне, на котором вы их сейчас изучаете.