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.

---

У спина есть одна странная и противоречащая интуиции особенность. Если магниты ориентированы вертикально, по результатам эксперимента получится, что у электрона может быть либо спин вниз, либо спин вверх, ничего промежуточного. То ли дело вращение Земли, ось которой наклонена примерно на 23½ градуса к плоскости Солнечной системы. Аналогичным образом, если повернуть устройство для измерения горизонтального спина электрона, окажется, что спин у него может быть либо влево, либо вправо. Таково волшебство квантовой механики.

Но это не самый курьезный факт, касающийся спина. Представьте себе, что у вас происходит распад элементарной частицы и — хлоп! — вылетает нейтрино. Каждое отдельное нейтрино, если смотреть на него прямо, будет вылетать со спином по часовой стрелке. Поскольку зарегистрировать и пронаблюдать нейтрино трудно, то какой у него спин, мы устанавливаем косвенно, по спинам позитронов и прочего, однако спин по часовой стрелке, судя по всему, — это непреложный закон мироздания.

В антивеществе все ровно наоборот. Антинейтрино, получающиеся в результате распада частиц, будут вращаться против часовой стрелки. Видимо, вещество и антивещество понимают разницу между правым и левым — в сущности, это единственное важное различие между ними. Как вы и то лицо, которое вы видите в зеркале по утрам — ну, примерно.

Казалось бы, различие тривиальное — и к тому же для того, чтобы его исследовать, нужно оборудование стоимостью десятки миллионов долларов — но если вы параноидально боитесь, что упали в кроличью нору, а никто и не заметил, у вас есть запасный выход.

Спин нейтрино и антинейтрино

Да, я предвижу, что все, кто читает эти строки, сейчас презрительно покривились. Получается, мы продрались сквозь все эти дебри, столько говорили о различиях между веществом и антивеществом, а обнаружили всего-навсего, что какая-то частица, с которой мы не в состоянии общаться напрямую, вращается не в ту сторону, что ее античастица?

Потерпите мое общество еще немного, поскольку пустячное различие в спине — это всего лишь верхушка айсберга.

Физика в зеркале

Итак, вещество и антивещество почти идентичны, не считая малюсенькой разницы: у нейтрино спин направлен в одну сторону, а у антинейтрино в другую. Такова фундаментальная асимметрия вселенной, однако на этом история не заканчивается. Вернемся к лицу в зеркале.

Наверное, вам уже пришло в голову, что если смотреть на антивещество в зеркале, оно будет выглядеть как раз как надо. Случилось так, что я правша, однако моя зеркальная версия, очевидно, левша. Так же и спин. Нейтрино-левша в зеркале выглядит правшой.

Зеркальные симметрии — одни из самых распространенных в природе и, пожалуй, самые симпатичные. Почти все позвоночные обладают двусторонней симметрией, по крайней мере, внешне, и очевидно, что мы генетически запрограммированы на то, чтобы нас на это тянуло. Вспомним беднягу Нарцисса, который увидел свое отражение в воде и был так потрясен собственной красотой, что навеки застыл на месте, а потом превратился в цветок. Если бы люди были отчетливо асимметричны относительно вертикальной оси, фигура, которую Нарцисс увидел в воде, была бы ему незнакома и до того неприятна, что он только отпрянул бы в отвращении, и трагедии удалось бы избежать.

Это выходит и за пределы физического мира. Всевозможные рифмоплеты и буквоеды прямо до потолка прыгают от восторга при виде зеркальной симметрии в словах и предложениях, которые читаются одинаково что справа налево, что слева направо и называются «палиндромы». Во фразах вроде «Я сличил то и то — вот и отличился» и «Ах, у печи, мы дым, мадам, мы дым и чепуха» есть что-то очень притягательное для острого ума. Палиндромы встречаются и в изобразительном искусстве — обратите внимание на работы М. К. Эшера — и даже в музыке. В своей классической книге «Гедель, Эшер, Бах» Дуглас Хофштадтер упоминает «Крабий канон» Иоганна Себастьяна Баха, который можно сыграть задом наперед, и он будет звучать так же, как и в нормальном исполнении.

Однако большинство предметов отличаются от своих зеркальных отображений, по крайней мере, в человеческом мире. Читаем мы обычно слева направо. Леонардо да Винчи, который мог многое рассказать о симметрии как таковой, воспользовался асимметрией письменной речи и, как известно, делал заметки левой рукой и писал в обратном направлении, как и Льюис Кэрролл, чье стихотворение «Бармаглот» в первый раз появляется в зеркальном отображении.

Подобным же образом водители в большинстве стран должны придерживаться правой стороны дороги. Однако нам ничто не мешает представить себе обратную зеркальную страну, полную всевозможных ужасов: движение там левостороннее, пиво подают подогретым, а дневники Леонардо выглядят совершенно нормально.

Зеркальные асимметрии проявляются даже в нашей биологии — внутри, а не снаружи: сердце у нас сдвинуто к левой стороне груди. Люди, как и автомобили, снаружи более или менее симметричны, однако внутри у них имеются асимметрии — результат исторических случайностей.

Наша ДНК закручена в спираль очень хитроумным образом. Если посмотреть на нее с торца, она всегда закручена по часовой стрелке, то есть представляет собой правозакрученную спираль. Так же устроен и винт: как его ни верти, резьба остается прежней. Направо — закручиваем, налево — откручиваем[19].

Так устроена ДНК любого живого существа на планете. Если биологу показать зеркальное отражение ДНК, он сразу распознает подвох. Кстати, одинаковое направление закрученности — очередной веский довод в пользу единого происхождения жизни на Земле.

Пропустите свет сквозь водный раствор сахара. Напомню, что сахар получают из сахарного тростника, то есть это продукт не просто химии, но и биологии. Природные молекулы сахара скручены особым образом, и свет, пройдя через раствор, поляризуется, то есть будет светить скорее в одном направлении, чем в другом. Теперь стащите 3D-очки из кинотеатра. Одним глазом вы увидите только левозакрученный поляризованный свет, а другим — только правозакрученный. Так вот, если смотреть на свет, прошедший через сахарный раствор, правому глазу он покажется ярче, чем левому.

Откуда молекулы сахара знают, в чем разница между правым и левым? Сами молекулы, как и ДНК, закручены в определенном направлении, которое в зеркале меняется на противоположное. Лево-поляризующий сахар химически тождествен право-поляризующему, но если мы разведем в чашке культуру бактерий и искусственно создадим лево-поляризующий сахар (зеркальное отражение «настоящего»), бактерии будут голодать, потому что не смогут его есть. Ферменты, расщепляющие сахара, тоже асимметричны и приспособлены для работы только с правозакрученным сахаром. И в самом деле, зачем было бы создавать другие, раз в природе сахар только правозакрученный? Как сказала Алиса в «Зазеркалье»: «… Не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти…» (Пер. Н. Демуровой)

Чтобы разобраться, откуда вообще взялось фундаментальное различие между левым и правым и так ли уж оно фундаментально, нам придется как следует вглядеться в зеркало. Легко представить себе планету, где действуют точно такие же законы физики, только у людей сердце справа и пишут они наоборот — и т. д. Нам ни в коем случае нельзя забывать о подобного рода асимметриях. Они не запрограммированы — просто так получилось. Но раз уж так получилось, изменить что-то очень-очень трудно. Попробуйте проехаться по левой стороне дороги — и сами убедитесь. Однако во вселенной, которую мы видим в зеркало заднего вида, все едут по левой полосе!

Зеркальная вселенная, как и антивещество, отличаются от обычных не так разительно, как нам казалось. Ричард Фейнман поясняет это на наглядном примере:

Представьте себе, что мы собрали какой-то прибор, ну, скажем, часы, в которых много всяких колесиков, шестеренок и циферок; часы тикают, часы идут, пружина заведена. Мы смотрим на часы в зеркало. Как они выглядят в зеркале, сейчас неважно. Но давайте соберем еще одни часы, точно такие же, как зеркальное отражение первых: вместо всех винтиков с правой резьбой возьмем такие же винтики, но с левой… Если начальные условия у обоих часов были одинаковыми, если пружины были заведены с одинаковой силой, будут ли и те, и другие с тех пор идти в точности как зеркальные отражения друг друга?

Интуиция — и, наверное, любой эксперимент, который вы сможете провести в своей домашней лаборатории — подскажет, что если посмотреть на «перевернутые» часы в зеркале, они должны быть точно такими же и идти точно так же, как и оригинал.