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

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!

Зеркала и антивещество

Вся эта суета вокруг зеркал и прочего, скорее всего, отвлекла ваше внимание от важного вопроса, который я пока оставил в стороне. Еще раз: откуда взялось все вещество во вселенной? Ах, конечно. Мелкая подробность.

Чтобы в этом разобраться, нам придется представить себе еще одну параллельную вселенную.

1. Возьмите все частицы во вселенной и превратите их в античастицы (а античастицы — в частицы).

2. Посмотрите на результат в зеркало.

Вот вам вопрос на 64 000 долларов: будут ли в этой вселенной — гибриде Страны чудес и Зазеркалья — те же физические законы, что и в «настоящей»[20]? Такое сочетание называется СР-симметрией, или Комбинированной четностью.

Электрический ток в проводе

Представьте себе, что у вас есть провод, по которому течет электрический ток. У электрона отрицательный заряд, у протона — положительный. Электроны бегут по проводу, а ток движется в противоположном направлении. Скажем, электроны бегут налево, тогда ток течет направо. Теперь возьмем версию Страны чудес (антивещественную): тогда налево бегут уже позитроны. Переверните провод в зеркале — и теперь позитроны бегут направо, и получается в точности такой же ток, как и в первоначальном варианте. Это на самом деле очень важно, поскольку от электрического тока возникает магнитное поле, а значит, при комбинированной четности провод производит точно такое же магнитное поле, что и в первоначальной ситуации.

Итак, электромагнетизм испытания прошел, однако не всякий эксперимент ведет себя так послушно.

В 1967 году советский физик Андрей Сахаров обнаружил минимальные условия, необходимые для того, чтобы обойти проблему асимметрии вещества и антивещества; коротко говоря, чтобы проделать СР-преобразование в масштабах вселенной, что-то приходится изменить. Как говорят профессионалы, происходит нарушение СР-инвариантности.

Ваше существование и в целом преобладание вещества над антивеществом — это очень сильный довод против идеальной СР-симметрии, однако экспериментальные данные, по крайней мере на данный момент, свидетельствуют об обратном.

Мы уже видели, что наблюдение за распадом частиц позволяет узнать об устройстве вселенной очень многое. При очень высоких энергиях в ускорителях могут возникать частицы под названием каоны, а также их античастицы. Если вы слышите о каонах впервые в жизни, стыдиться тут нечего. Живут они в среднем всего несколько миллиардных долей секунды, а потом распадаются на более легкие частицы, а те, как правило, очень-очень быстро распадаются дальше. Так что каоны на дороге не валяются[21].

И это не страшно, поскольку самое интересное начинается, когда каон уже распался. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч из Принстонского университета провели, что называется, вскрытие покойных каонов и получили неожиданные результаты. Оказалось, что каоны и антикаоны — частицы, до той поры считавшиеся идентичными — распадаются по-разному[22]. Так было найдено отличие вещества от антивещества.

Это отличие гораздо тоньше и коварнее, чем кажется на первый взгляд. Каоны и антикаоны медленно осциллируют туда-сюда, переходят из одной формы в другую — прямо как день и ночь.

В среднем день и ночь длятся примерно одинаково, однако эта симметрия, очевидно, иногда нарушается. Например, летом день длиннее ночи. Точно так же и симметрия между веществом и антивеществом предполагала бы, что частица должна половину времени проводить в обличье каона, а другую половину — в виде антикаона, и хотя сказать заранее, в каком состоянии она будет, мы не можем, зато можем определить, в каком состоянии и какого типа была частица перед распадом.

Если начинать с каона, то он иногда распадается на электрон и еще кое-какие остатки, которые нас не интересуют. А вот если начинать с антикаона, то он распадается на позитрон и уже другие остатки.

Ход рассуждений таков: если в начале у тебя есть огромная гора каонов и антикаонов, они осциллируют туда-сюда, и во вселенной с идеальной СР-симметрией можно рассчитывать, что на выходе будет равное количество электронов и позитронов.

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.