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.

---

Удивительно, что это вообще произошло. Но еще удивительнее, что пропорциональный состав отходов от ядерного деления в точности таков, как у отходов от ядерного деления в современных ядерных реакторах. Ядерные реакции — дело очень хитрое. Если бы ядерные силы со временем менялись — а мы, напомню, говорим о событиях, происходивших два миллиарда лет назад — мы бы сумели это увидеть более или менее непосредственно.

Постоянство физических законов — это отнюдь не просто курьезный факт, они не просто удобные инструменты, позволяющие делать осмысленные выводы о ранней вселенной, хотя и это тоже важно, что и говорить. На самом деле мы имеем дело с очередной симметрией.

Симметрия трансляции времени состоит в том, что все законы физики в разное время ведут себя одинаково.

Казалось бы, просто интересное обстоятельство, однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что это, кроме всего прочего, очередная формулировка закона сохранения энергии, согласно которому энергию невозможно ни создать, ни уничтожить. Так что эта невидимая глазу симметрия на самом деле очень важное обстоятельство в жизни вселенной: она позволяет нам заниматься наукой. Любая вселенная, где законы могут меняться, волей-неволей лишила бы нас способности предсказывать будущее.

Стрела времени

Законы физики во вселенной неизменны, однако сама она меняется со временем. А что происходит с осью времени — неизменно ли ее направление?

Столкновение электронов

Персонажи книг — например, Мерлин из «Короля былого и грядущего» Теренса Уайта или Белая Королева из «Зазеркалья» — иногда живут задом наперед. В фильме «Помни» события изложены в обратном порядке, чтобы поставить нас на точку зрения дезориентированного главного героя Леонарда, утратившего долговременную память. То есть авторы намекают нам, что на их героев законы течения времени действуют иначе, чем на нас, остальных смертных.

Однако давайте исключим на время из уравнения самих себя (и своих любимых волшебников) и поглядим, как все происходит на фундаментальном уровне. Если рассмотреть практически любые законы физики, получается, что о течении времени они вспоминают в последнюю очередь. Снимите на видео столкновение двух электронов — и если пустить запись в обратную сторону, она будет выглядеть так же нормально и физически достоверно, как и первоначальный вариант. Похоже, на микроскопическом уровне время абсолютно симметрично[29].

Нам даже не обязательно ограничиваться микроскопическим масштабом. Осмелюсь предположить, в какой-то момент своей биографии вам случалось играть в мяч. Мяч летит по дуге, которая называется «парабола»[30]. Снимите видео про игру в мяч, просмотрите его в обратном направлении, и хотя выглядеть игра будет не совсем так же, как в изначальном варианте — мяч, например, полетит сначала не справа налево, а слева направо — с точки зрения физики она покажется абсолютно достоверной.

Это еще одна симметрия — и, как и у прочих, у нее есть свое название.

Т-симметрия: при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему.

Тут мы ненадолго остановимся. Взгляните на вселенную в зеркало — и все будет выглядеть более или менее правильно. Буквы написаны наоборот, люди ездят не по той стороне дороги, сердце не в той стороне груди, но в остальном вы чувствуете себя вполне пристойно и, скорее всего, быстро приспособитесь. Подобным же образом все будет выглядеть нормально, если заменить все частицы на античастицы. Правда, наведываться в такие места вам не стоит — иначе вы мгновенно аннигилируете. А вот вселенная, где время течет вспять, на наш взгляд будет совершенно безумной!

Определенно, представляется очевидным, что такой симметрии в нашей вселенной быть не может. Интуитивно кажется, что это невозможно, правда?

С другой стороны, интуиция столько раз нас обманывала. Когда мы говорим о симметрии вселенной, то имеем в виду не преобразование вселенной в целом, а преобразование ее законов. Вот, мол, посмотрим на игру в мяч или на одну-единственную пару электронов, отскочивших друг от дружки, и их и обратим, а больше ничего трогать не станем.

Итак, действуют ли законы физики во вселенной Мерлина? Или, выражаясь более учено, остаются ли неизменными законы физики при Т-преобразовании? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как Т-симметрия относится к заряду и к старым добрым зеркальным симметриям С и Р, с которыми мы уже знакомы. С точки зрения математики разница между электроном, движущимся вперед во времени, и позитроном, движущимся во времени назад, очень мала.

Ричард Фейнман в своей Нобелевской лекции вспоминает разговор со своим научным руководителем Джоном Уилером:

Когда я учился в магистратуре в Принстоне, мне как-то раз позвонил профессор Уилер и сказал:

— Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковый заряд и одинаковая масса.

— Почему?

— Потому что все они — один и тот же электрон!

— Профессор, но ведь позитронов меньше, чем электронов, — возразил я.

— Ну так, может быть, они прячутся в протонах или что-то в этом роде, — сказал Уилер.

К его идее, что все электроны — это один и тот же электрон, я отнесся не так серьезно, как к замечанию, что, возможно, позитроны — это электроны, которые движутся из будущего в прошлое в задней части своей мировой линии. Эту идею я украл!

Помните вышеприведенный пример с током в проводе? Если снять позитрон на видео и посмотреть задом наперед, он произведет точно такое же магнитное поле, как и электрон, который бежит вперед. Мы можем даже представить себе создание параллельной вселенной по следующему алгоритму:

1. Превратим все частицы в античастицы и наоборот.

2. Посмотрим на все в зеркало.

3. Обратим ход времени.

Это называется СРТ-преобразованием, и о нем мы не можем сказать почти ничего, кроме того, что буквально все проделанные человечеством эксперименты показали, что вселенная СРТ-симметрична. И это очень важно, поскольку помимо всего прочего мы наконец-то обнаружили во вселенной абсолютную симметрию.

Иными словами, очень похоже, что физика частиц на микроскопическом уровне более или менее одинакова при «просмотре видеозаписи» в обоих направлениях. С точки зрения фундаментальной физики, в оси времени нет ничего особенного — не больше чем в том, какая из частиц электрон, а какая позитрон.

И все же мы прямо чувствуем, что время не такое, как остальные измерения. Но почему?! Короткий ответ: мы не знаем ничего, кроме того, что вот так уж оно устроено. Но есть и длинный ответ. Длинный и интересный.

Второй закон

Вы помните прошлое, а не будущее. Невозможно распечь торт, провернуть обратно фарш, превратить яичницу в яйцо или заставить бильярдные шары съехаться в аккуратный треугольник.

У всего на свете есть общая тенденция — приходить во все больший беспорядок. Вам эта закономерность известна как Второй закон термодинамики. Сформулировать Второй закон можно довольно цветисто — «все разваливается», — но на самом деле все еще проще.

Своим становлением термодинамика по крайней мере отчасти обязана промышленной революции. В 1820 годах французский инженер Николя Леонар Сади Карно всего-навсего хотел усовершенствовать паровой двигатель — и обнаружил, что как ни старайся, а какая-то часть энергии все равно расходуется впустую в виде тепла. К 1850 годам Рудольф Клаузиус предложил более научную формулировку закона, получившего название Второго закона термодинамики:

Не бывает процессов, единственным результатом которых была бы передача тепла от тела с более низкой температурой телу с более высокой температурой.

Любая система, предоставленная сама себе — в том числе и вселенная — в конечном итоге достигнет температурного равновесия. Все станет одинаково неупорядоченным. Равномерность — это более или менее предельное отсутствие структуры. Формулировка Второго закона по Клаузиусу сама по себе не слишком познавательна. Если не сдержаться, можно даже ляпнуть грубость — мол, это же очевидно!

К счастью, через 20 лет после того, как Клаузиус сформулировал Второй закон, Людвиг Больцман пришел нам на выручку и определил понятие энтропии. Тут никаких формул не нужно, достаточно классического примера.

Возьмите монетку и бросьте ее 100 раз. Я подожду. Если монетка у вас честная, без подвоха, то есть падает орлом или решкой вверх с одинаковой вероятностью, вы, вероятно, не очень удивитесь, обнаружив, что примерно 50 раз (плюс-минус) у вас выпал орел (О), а другие 50 раз (минус-плюс) — решка (Р).