Текст книги "Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса"

Итак, вещество и антивещество одинаковы, а может быть, и нет

Иногда нам удается получить несколько античастиц в лабораториях или из космических лучей, но они живут недолго. В конечном итоге мы состоим из обычного вещества на 100 процентов. Что же случилось с симметрией, вокруг которой столько шума?

Один вариант – и где-то его уже прорабатывает какой-то писатель-фантаст: на самом деле относительно вещества-антивещества вселенная симметрична. Может быть, половина галактик во вселенной состоит из вещества, а другая половина из антивещества, и просто так вышло, что мы живем в галактике из обычного вещества.

Достойная попытка, Капитан Наука, но нет.

Тут возникает несколько осложнений, не последнее из которых – то, что с астрономической точки зрения подобное четкое и последовательное разделение вещества и антивещества попросту невероятно. Это как будто кофе в вашей чашке с левой стороны вдруг вскипел, а с правой замерз. Каковы шансы такого развития событий? Вероятность того, что по чистой случайности возникнет галактика, состоящая целиком из обычного вещества, при том, что где-то соберется точно такое же количество антивещества, такая же, как вероятность, что монетка упадет решкой вверх, скажем, 10⁶⁹ раз подряд.

Кроме того, галактики постоянно сталкиваются, а мы никогда не наблюдали внегалактическое столкновение, при котором высвободилась бы такая неукротимая и безбрежная энергия, какой следовало бы ожидать, если бы целая галактика из вещества налетела на галактику из антивещества. Короче говоря, судя по всему, вся видимая вселенная состоит из обычного вещества.

А теперь мне придется открыть вам страшную правду. Мы (то есть физики) не знаем, как объяснить подобный дисбаланс и почему вселенная состоит из обычного вещества. Когда речь заходит о веществе и антивеществе, законы физики становятся как материнская любовь: все мамы говорят, что любят всех своих детей одинаково, но их поступки рисуют совершенно иную картину. В нас есть что-то особенное, что-то такое, что бережет нас от исчезновения вместе с антивеществом. Однако неприглядный факт состоит в том, что вселенная пребывает в состоянии разложения – и, вообще говоря, если частица может распасться на что-то более легкое, то распадется обязательно. Скажем, свободные нейтроны распадаются и превращаются в протоны (которые немного легче) минут через десять. А вот протонам уже не во что распадаться.

Если симметрия вещества и антивещества абсолютна, протон буквально вечен – он же не может распасться. Эксперименты подтверждают, что так, возможно, и есть. Нынешний предел жизни протона – как минимум 10⁴³ лет. Да, я отдаю себе отчет, что это гораздо дольше возраста Вселенной, однако мы можем одновременно следить за множеством протонов – у нас их, по правде говоря, целое море, – и чем дольше мы ждем, тем длиннее оказывается минимальная продолжительность жизни протонов.

И вот тут-то и начинается потусторонняя жуть. Если протоны не распадаются, то вселенная и в самом деле никогда не сможет изменить общий баланс между веществом и антивеществом, однако если бы дело было именно в этом, у нас прежде всего не получилось бы избытка обычного вещества.

«Прежде всего» – это в течение очень короткого времени после Большого взрыва, и если вещество и антивещество поначалу слегка отличались друг от друга, значит, можно предположить, что и сейчас положение дел сохранилось. Если мы будем ждать долго-долго, то протон все-таки на что-то распадется, вопрос в том, когда и на что – и ответ на этот вопрос многое расскажет нам о разнице между веществом и антивеществом. Чтобы выяснить, чем они отличаются друг от друга, нам придется углубиться в параллельную антивселенную, а делать это самим нам что-то не хочется.

Если вам случалось читать книги Льюиса Кэрролла, то вы, наверное, замечали, что автор просто одержим симметрией. Как-никак в повседневной жизни Чарльз Доджсон – именно так его звали на самом деле – был математиком. Чтобы изучить разницу между нашим миром и другими, очень похожими, но с небольшими отличиями – например, где все вещество превращается в антивещество – нам нужен «аватар», и я не вижу лучшего кандидата, чем Алиса из «Алисы в Стране чудес» и «Алисы в Зазеркалье».

Как ни странно, Страна чудес – совсем такая же, как наш мир, только состоит из антивещества. Что обнаружит Алиса, когда спрыгнет в кроличью нору и попадет в антимир? Заметит ли она разницу?

Как я уже объяснял, история будет очень короткой, хотя и крайне увлекательной. Стоит Алисе очутиться на земле – а точнее, соприкоснуться с воздухом – как она исчезнет, поскольку все ее протоны и нейтроны аннигилируют, столкнувшись с антипротонами и антинейтронами Страны чудес.

А теперь давайте предположим, что в кроличьей норе с Алисой произошло чудесное превращение, и все ее атомы стали антиатомами. Можно ли представить себе эксперимент – какой угодно! – благодаря которому она поймет, что находится в Стране чудес, состоящей из антивещества? Теперь Алиса не взорвется, и вообще не произойдет ничего интересного – если и Алиса, и мир вокруг нее состоят из антивещества, ей ничего не грозит.

Алиса может даже построить лабораторию – и почти любой эксперимент будет выглядеть одинаково по обе стороны портала. На обычной Земле северные полюса двух магнитов будут отталкиваться друг от друга, а северный и южный – притягиваться. В Стране чудес, где все из антивещества, север превратится в юг, и наоборот, но поскольку перевернулись оба магнита, отталкиваться будут те же самые концы.

Не буду утруждать Алису. Почти любой эксперимент, какой может провести Алиса, в Стране чудес будет выглядеть точно так же, как и в нашем мире. Однако если Алиса будет очень упорной и настойчивой, то заметит малюсенькую разницу – благодаря участию частицы, о которой очень часто забывают, так называемого нейтрино.

При всей своей скромности и незаметности нейтрино (что значит «нейтральненькое» – правда, прелесть?) – одна из самых распространенных частиц во вселенной. Больше здесь только фотонов. Мы часто забываем о них, поскольку 1) они такие легкие, что лишь в 1998 году эксперимент на детекторе Супер-Камиоканде в Японии показал, что у нейтрино вообще есть масса, и 2) они электрически нейтральны, а следовательно, с ними не взаимодействует свет.

Зарегистрировать нейтрино необычайно трудно. Даже увидеть их мы смогли лишь в 1956 году, с приходом ядерной эры. В процессе повседневной работы ядерных реакторов создается очень много нейтрино и антинейтрино. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе поставили эксперимент, в ходе которого антинейтрино сталкивались с протонами и то и дело создавали позитроны. Поскольку позитроны только об одном и думают – как бы самоуничтожиться, столкнувшись с электронами, и создать свет – Райнес и Коуэн измерили характеристики получившегося света и доказали, что нейтрино действительно существуют. Пара пустяков!

Нейтрино так неохотно взаимодействуют с другими частицами, что если бы мне пришлось запустить нейтрино в свинцовую пластину толщиной в световой год, шансы, что оно проскочит ее насквозь, ничего не задев, составляли бы пятьдесят на пятьдесят. К счастью, нам достаточно было увидеть всего несколько нейтрино, чтобы узнать о них ужасно много. Если выстроить детекторы под горами – что заставляет вспомнить средиземскую Морию – можно регистрировать с полдюжины нейтрино в день.

Между тем роль нейтрино в нашей жизни очень заметна. Я уже упоминал три фундаментальные взаимодействия – это сильное ядерное взаимодействие, электромагнетизм и гравитация. Об одном я еще не говорил – это слабое взаимодействие. Когда происходят слабые взаимодействия, почти всегда так или иначе участвует нейтрино. И хотя взаимодействие и слабое, именно благодаря этой силе солнце превращает водород в гелий, а в качестве побочного продукта вырабатывает свет и тепло, обеспечивающие жизнь на Земле. Нет слабого взаимодействия – нет и жизни, нет и нас с вами.

По большей части слабое взаимодействие в Стране чудес из антивещества происходит совершенно так же, как и на нашей Земле, однако есть одно очень тонкое различие, которое проявляется в так называемом спине – направлении вращения частицы. Казалось бы, в понятии спина нет ничего непривычного, но на самом деле спин – это очень странно, гораздо страннее, чем кажется на поверхностный взгляд.

Представьте себе частицу, например, электрон, в виде маленькой заряженной сферы. Спин электрона не такой, как у земли. Земля оборачивается вокруг своей оси за один день. На самом деле это и есть определение дня. Однако тут-то и таится подвох: из-за притяжения луны продолжительность дня медленно-медленно нарастает, примерно на две миллисекунды в столетие[18]18
  Супермен, само собой, справляется с задачей замедлить или разогнать Землю куда лучше.


[Закрыть]. А изменить спин у субатомных частиц в принципе невозможно ни при каких условиях. Все до единой частицы, обнаруженные нами до сих пор, обладают врожденным неизменным спином, в том числе и нейтрино, о которых мы только что беседовали. Нейтрино, электроны, а если уж на то пошло, то и протоны нельзя ни затормозить, ни разогнать.

У некоторых частиц – точнее, у заряженных – измерить направление спина относительно легко. Направление спина измеряют точно так же, как находят полюса у Земли: при помощи магнитов. Внутри у Земли расплавленное железо, и когда Земля вращается, это железо генерирует гигантское магнитное поле. А мы можем измерить это магнитное поле при помощи другого магнита – хотя вы, вероятно, знаете его под названием «компас».

Электроны во многом устроены точно так же. При вращении они генерируют маленькие магнитные поля. Если посмотреть на электрон сверху, понятно, что он может вращаться двумя способами. Если один электрон вращается по часовой стрелке, говорят, что у него спин направлен вверх, а если против, говорят, что спин направлен вниз.

Чтобы разобраться, где верх, а где низ, можно пропустить электроны через устройство, состоящее из пары обычных магнитов, и посмотреть, в какую сторону электрон отклонится. На рисунке внизу показано, что у тех, которые отклоняются вверх, спин направлен вверх, а те, которые отклоняются вниз – вниз.

Ориентировать магниты мы можем как угодно. Понятия «вверх» и «вниз» в нашем эксперименте никак не связаны с тем, как ориентирована Солнечная система, и вообще ни с чем, просто нам будет гораздо легче не сойти с ума, если мы с вами договоримся установить системы координат так, чтобы потолок и у меня, и у вас был сверху.

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]19
  Иногда делают винты с левой резьбой, но это исключение.


[Закрыть].

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.

Представьте себе, что Алиса оказалась в Зазеркалье, в параллельном мире, где каждый предмет – отражение земного. Сможет ли она их различить? Иначе говоря, сумеет ли она разобраться, какая рука у нее на самом деле левая?

Такое превращение посложнее, чем превращение вещества в антивещество, поскольку полностью погрузиться в предлагаемые обстоятельства практически невозможно. Скорее всего, вашей первой реакцией будет что-то вроде «Конечно, заметит. Не задавайте глупых вопросов».

Однако вспомните, что в раннем детстве вам частенько случалось путать право и лево. Как вы напоминали себе, где у вас какая рука? Англоязычных детишек учат так: оттопырь большой и указательный пальцы, и на левой руке получится буква L – «left». Так вот этот фокус у Алисы не получится. Зеркало отражает и буквы тоже, так что L будет повернута в другую сторону. И тогда Алиса примет свою правую руку за левую. Она не сможет разобраться, на какой Земле находится – на обычной или зазеркальной – просто поглядев себе на руки.

И в этом нет ничего удивительного. Если бы отражение в зеркале не выглядело правдоподобно, я бы не попадал постоянно впросак и не налетал на зеркальные стены в ресторанах, решив, будто это продолжение зала. Каждый раз!

Мне бы хотелось, чтобы вы не забывали об одном обстоятельстве. Дело не в том, что антивещественная Страна чудес и зазеркальная вселенная тождественны вашей. Конечно, не тождественны. Вопрос в том, как видно из примера с часами, который приводит Фейнман, тождественны ли законы в этих вселенных законам в нашей, или же в них есть какое-то тонкое различие.

Алиса вольна прыгать на месте, играть с магнитами, изучать структуру атома. И все это приведет к тем же самым результатам, как и до того, как она прошла сквозь зеркало. Если бы в реальном мире все происходило точно так же, как в зеркале (на самом деле нет), у нас была бы симметрия следующей разновидности –

Р-симметрия, она же Пространственная четность, – это когда все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало.

Р – значит «parity», то есть четность. Мы уже знаем, что в нашей вселенной эта симметрия соблюдается не всегда. Если частица, электрон или нейтрино, например, создается в результате слабого взаимодействия, она всегда левозакрученная (то есть если она летит на вас, кажется, что частица вращается по часовой стрелке). Античастицы обладают противоположным спином. В этом-то все и дело!

Вот в чем состоит разница между С-симметрией и Р-симметрией. Они не одинаковы, однако очень тесно связаны. Между нейтрино и антинейтрино ровно два отличия: они друг другу античастицы (С) и у них противоположный спин (Р). По отдельности ни та, ни другая симметрия в физике не абсолютны, а вот их сочетание очень похоже на фундаментальную симметрию природы.

Возьмите антиверсию левозакрученного нейтрино, посмотрите на нее в зеркало – и вы увидите правозакрученное антинейтрино. Начальное и конечное состояния различаются, однако и левозакрученное нейтрино, и правозакрученное антинейтрино существуют в реальности.

Алисе не нужно рассматривать такие трудноуловимые частицы, как нейтрино, чтобы понять, что в Зазеркалье все немного не так. В 1956 году Ву Цзяньсюн и ее коллеги поставили эксперимент с радиоактивным изотопом кобальта. Они направляли спин атомов кобальта в определенную сторону. Представьте себе, что если смотреть на атомы сверху, все они вращаются против часовой стрелки – то есть спин у них вверх. При распаде кобальта получались электроны. Парадоксально, но факт: большинство из них вылетали вверх. Вывод напрашивается сам собой: при распаде кобальта электроны вылетают в ту же сторону, что и спин.

Распад кобальта‑60

Как, вы не удивились? Странно.

Чтобы понять, насколько удивителен этот результат, надо представить себе всю конструкцию в зеркале. Зеркала меняют спин частиц на противоположный. В зеркале атомы кобальта вращаются по часовой стрелке, что значит, что спин у них вниз. Электроны, с другой стороны, по-прежнему вылетают вверх – что в зеркале, что без. Наконец-то найден эксперимент, который точно покажет, где вы – в Зазеркалье или дома!