Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

• Название: Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
• Автор: Дэйв Голдберг
• Жанр: Физика
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-17-090528-7

Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики — фундаментальными симметриями. Ведь в нашей прекрасной Вселенной практически все — от антивещества и бозона Хиггса до массивных скоплений галактик — формируется на основе скрытых симметрий! Именно благодаря им современные ученые делают свои самые сенсационные открытия.

Можно ли создать устройство для мгновенной передачи информации? Что будет, если Землю засосет в черную дыру? Что не рассказывают на школьных уроках о времени и пространстве? Читайте, и вы узнаете ответы на эти вопросы. Это понятно, увлекательно, это может быть смешно — именно так вы теперь будете думать о физике.

---

А получается не так.

В подобных экспериментах позитронов на выходе получается немного больше, чем электронов. Причем не надо придавать особого значения тому, что больше получается именно позитронов. Главное — что разом поменять вещество на антивещество в масштабах всей вселенной не получится, даже если после этого поглядеть на все в зеркало и обнаружить, что все выглядит по-прежнему. Сочетание симметрии заряда и четности в нашей вселенной не наблюдается. А это очень важный вывод, и за него Кронин и Фитч получили в 1980 году Нобелевскую премию.

Со времен экспериментов Кронина и Фитча было получено очень много похожих и даже еще более удивительных результатов — и все говорили примерно об одном и том же: между веществом и антивеществом существует какая-то асимметрия, которая, судя по всему, проявляется при слабом взаимодействии. Однако надо понимать, что ни один их этих экспериментов не привел к тому, что вещества производилось больше, чем антивещества — мы просто выяснили, что вещество и антивещество распадаются по-разному.

Однако все это в конечном итоге не объясняет нам, почему вещество и антивещество отличаются друг от друга. Какие реакции обеспечили положение дел, при котором одного создается больше, чем другого? Ведь это и был бы окончательный ответ на вопрос, откуда мы взялись.

Как именно развивались события в первые мгновения существования вселенной, пока что никто не разобрался. Нам известно лишь одно: мы существуем благодаря какому-то нарушению симметрии вселенной, которое произошло почти сразу после ее зарождения. А тогда было очень жарко — может быть, в этом и дело?

То и дело мы слышим, как говорят, что якобы в ускорителях «воссоздаются условия Большого взрыва». И да, и нет. В прошлом температура во вселенной, а значит, и энергия, была выше. Чем ближе к Большому взрыву, который нам хочется изучить, тем жарче. Пока что в ускорителях частиц мы не наблюдали ничего, что хотя бы отчасти напоминало бы перепроизводство вещества по сравнению с антивеществом. На данный момент предполагается, что небольшое смещение симметрии вещества-антивещества произошло очень-очень рано — примерно через 10-35 с после Большого взрыва, когда температура была более чем в квинтильон раз выше, чем в центре Солнца. Достаточно сказать, что добиться таких энергий в лаборатории мы не можем. И даже при таких колоссальных энергиях асимметрия между веществом и антивеществом очень мала. На миллиард античастиц создавалась миллиард одна частица. Всего одна лишняя. Всего одна. Нам это известно, потому что во вселенной на данный момент фотонов примерно в миллиард раз больше, чем протонов. Когда миллиард антипротонов аннигилировали с миллиардом протонов, от них остались те миллиарды фотонов, которые мы наблюдаем сейчас, хотя расширение вселенной их очень заметно ослабило.

В конечном итоге все античастицы аннигилировали с почти всеми частицами, оставив ту самую одну миллиардную часть, из которой и возникло все «вещество», которое мы теперь наблюдаем. Вот как об этом сказал Эйнштейн:

Меня всегда интересовало, как так вышло, что электрон отрицательно заряжен. Отрицательный и положительный заряд — это идеальная физическая симметрия, нет никаких причин предпочитать одно другому. Почему же электрон заряжен именно отрицательно? Я долго над этим размышлял — и ничего не мог придумать, кроме «Отрицательный заряд победил!»

Иными словами, вы — всего лишь некоторая ошибка округления, сделанная примерно через 10-35 секунд после Большого взрыва. Невелик повод для гордости, верно?

Правда, для антилюдей это не менее обидно.

Глава вторая. Энтропия В которой мы выясним, откуда берется время и есть ли оно вообще

Думаю, не я один рисую себе в воображении светлое будущее, в котором мы будем рассекать по вселенной в звездолетах галактического класса. Да что тут говорить — одним из главных стимулов к написанию этой книги стала слабая надежда, что кто-то из вас решит сделать решительный шаг и разберется наконец, как сделать гиперпространственный двигатель. Однако мой долг, прежде чем вы начнете прогибать так называемые законы физики, коротко предупредить вас о том, что из этого может получиться. Я говорю не о взрывах звезд и не о вогонах из «Автостопом по галактике» (хотя и о них тоже). Я говорю об опасности сбиться с пути.

На земле нас окружают всевозможные полезные и удобные знаки и значки, позволяющие выбирать верную дорогу: сила тяжести, Полярная звезда, магнитное поле Земли. Однако в глубоком космосе нет ни верха, ни низа, ни правого, ни левого, ни севера, ни юга.

Можно, конечно, утешаться мыслью, что даже если мы запутаемся в трех измерениях пространства, потеряться во времени нам не удастся. Уж время-то — на наш взгляд — надежное, постоянное, настоящее. Право и лево более или менее взаимозаменяемы, а прошлое и настоящее — это совсем разные вещи. Так ведь?

Предметы в зеркале обычно выглядят совершенно заурядно, однако идея «зеркала времени» представляется какой-то ерундой. Стоит запустить вселенную — да хотя бы свой рабочий день — обратно во времени, и все будет разворачиваться совсем не так, как при проигрывании вперед. Если вы видели фильм Кристофера Нолана «Помни» и сумели с первого раза разобраться в хронологии событий, могу вас только поздравить.

А теперь представьте себе, каково было бы прожить жизнь наоборот.

Есть, например, такой пустячок — причинно-следственные связи. Делаешь что-нибудь — и из-за этого происходит еще что-нибудь. А стоит повернуть вспять часы вселенной — и ни с того ни с сего следствие начнет происходить раньше причины, и все полетит в тартарары.

Вот глупые физики! Зачем столько говорить о направлении оси времени, когда и так очевидно, какое у нее направление?!

Спокойно, спокойно. Ось времени куда непостояннее, чем кажется на поверхностный взгляд.

О том, что пространство и время — это одно и то же. Или нет

Жизнь — это путешествие. В том числе и буквально — вы перемещаетесь в пространстве, видите новые места, — однако и во времени вы тоже путешествуете. Просто во времени вы перемещаетесь со скоростью одна секунда в секунду, и вам кажется, что нет ничего естественнее такого движения.

Однако на самом деле у пространства и времени куда больше общего, чем мы привыкли думать — хотя время и в самом деле отличается от пространственных измерений.

Скорость света — это не только валютный курс между веществом и энергией (E = mc 2), но и темп конверсии между пространством и временем. Возможно, вы слышали о световых годах; световой год — это всего-навсего расстояние, которое свет проходит за год, около 1016 метров. Если вам трудно такое представить (еще бы!), это примерно четверть расстояния до ближайшей звезды — Проксимы Центавра.

А если вы предпочитаете осмыслить это в терминах ограниченности наших технических возможностей, то вспомните космический корабль «Вояджер‑I»: он запущен НАСА еще в 1977 году и с тех пор летит за пределы Солнечной системы. Это самый далекий рукотворный объект, запущенный с Земли, и сейчас он находится примерно в 20 миллиардах километров от Земли. Это расстояние свет покрывает чуть меньше чем за 17 часов.

Вот вам близкое соотношение между пространством и временем. Многие физики именно так к ним и относятся — понятия секунды и световой секунды для них взаимозаменяемы, а скорость света они легкомысленно приравнивают к единице. С практической точки это вопрос того, как мы определяем меры времени и расстояния[23].

В 1983 году на Семнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам — очень пышное название — секунду определили в терминах «сверхтонкого перехода» цезия‑133. Атом цезия периодически испускает свет, и на конференции решили, что секунда — это 9 192 631 770 периодов испускания фотона.

Если знаешь, что такое секунда, рассчитать расстояние — пара пустяков. Метр определяется очень просто: это расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.

Из того, что скорость света конечна, следует, что мы вечно смотрим в прошлое. Солнце, которое мы видим сейчас — не то, каково оно в данный момент. Это Солнце 8 минут назад. Может быть, 7 минут назад оно погасло, а мы об этом ничего не знаем и не можем узнать. Когда Нил Армстронг произнес свои бессмертные слова о крошечном шаге одного человека, они были достоянием истории — и в буквальном, и в переносном смысле, поскольку радиоволны, передававшие его сообщение, шли до нас около 1,3 секунды.

Вы заглядываете в прошлое даже в повседневных ситуациях, например, когда читаете книгу. Если вы держите книгу на расстоянии около 30 сантиметров от глаз, значит, вы заглядываете в прошлое примерно на 1 миллиардную секунды.