Симметрия и антисимметрия

Симметрия и антисимметрия

Если в политике он размышлял о том, как обеспечить человечеству более симметричную жизнь, то в физике — наоборот — он пытался понять, почему столь несимметрична Вселенная, управляемая симметричными законами. В обоих случаях он связывал явления самых малых и самых больших масштабов. В социальной жизни — глобальный мир и свободу отдельной личности, а в физике — свойства Вселенной и поведение микрочастиц.

Основатели Соединенных Штатов считали самоочевидной истиной, что все люди созданы равноправными и вместе с тем каждый незаменим.

В 20 веке физики пришли к совсем другой истине, что элементарные частицы бывают абсолютно тождественными и, поэтому, взаимозаменимыми, но бывают и абсолютно противоположными. Настолько противоположными, что при встрече взаимно уничтожаются, только вспышкой сообщая о своей совместной гибели. Такие противоположные частицы назвали античастицами.

Первую античастицу теоретически предсказали и экспериментально открыли еще в начале 30-х годов. Это была анти-копия электрона — антиэлектрон, за которым закрепилось название “позитрон”. Потом экспериментаторы нашли анти-копии и других элементарных частиц.

Асимметрия Вселенной, над которой Сахаров задумался в середине 60-х годов, состояла в том, что античастиц во Вселенной очень уж мало, — по сравнению с частицами. И слава Богу за такую асимметрию, — иначе каждый второй метеорит состоял бы из антивещества. А такой анти-метеорит, даже если бы в нем был всего один грамм, соприкоснувшись с веществом Земли, произвел бы взрыв мощности атомной бомбы. Но эту волю Божью физики не понимали, — самоочевидным казалось, что всякая частица и ее античастица созданы равными в своих правах. А значит, казалось бы, вещество и анти-вещество должны были бы представлены во Вселенной равноправно.

Астрофизики стали искать признаки антивещества в космосе. Писатели-фантасты устраивали драматические встречи земного космического корабля с неземным и — вполне возможно! — состоящим из антивещества. А шутники предложили свой способ узнать, не из антимира ли прилетел корабль, — если среди ученых на борту корабля преобладают антисемиты.

Сахаров, однако, со всей серьезностью отнесся к наблюдаемой асимметрии, и приписал ее Вселенной в целом, а не просто космическому окружению Земли. Тогда надлежало понять, как симметрия микро-частиц может совмещаться с асимметрией Вселенной.

К тому времени, впрочем, симметрия микромира стала уже не столь простой как правое и левое крылья бабочки, зеркально симметричные.

В 1956 году произошло знаменательное событие — экспериментаторы обнаружили, что в мире элементарных частиц нет паритета (Parity) правого и левого, или P-симметрии. Это знамение теоретики поняли, как указание на то, что бабочка микромира выглядит, скорее, так:

т.е. бабочка не изменится, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета — частицы поменять местами с античастицами и, соответственно, каждый заряд (Charge) заменить на противоположный ему. Это CP-симметрия. Но и она оказалась не последним словом науки. В 1964 году экспериментаторы обнаружили первое не CP-симметричное явление.

Что на это могли сказать теоретики? Например, что и в обыденной жизни нередко путают правое и левое и превращают белое в черное. Физики-теоретики умеют гораздо более хитрую штуку — изменять направление времени на противоположное. При обратной перемотке пленки на видеомагнитофоне, можно зубную пасту, выдавленную из тюбика, обратить вспять, — на экране. В реальной жизни никто такого не видел, и физики называют такой процесс асимметричным во времени, или T-асимметричным.

Что касается элементарных частиц, физики долгое время считали, что в микромире все явления T-симметричны как в бильярде: сняв на видео соударение шаров, и пустив пленку в обратном направлении, ничего странного на экране не заметишь.

После крушения P-симметрии, физики стали всматриваться в другие симметрии. Им не нужна была кнопка обратной перемотки, чтобы задать вопрос о Т-симметрии в микромире, им хватало ручки и бумаги. В результате они установили самый общий закон симметрии микромира — CPT-закон. Чтобы превратить одно крыло CPT-бабочки

в другое, надо поменять местами: правое и левое, частицу и ее античастицу (черное и белое), прошлое и будущее (перевернуть время T).

И Сахаров придумал, как такой тройной симметрией микро-мира объяснить асимметрию Вселенной.

Астрономы давно уже обнаружили, что Вселенная несимметрична во времени. Она расширяется, — составляющие ее галактики удаляются друг от друга. Сегодня Вселенная чуть-чуть не такая как вчера.

А поза-поза-поза…вчера? Включим обратную перемотку космологического “видика”. Расширение Вселенной теперь выглядит сжатием, галактики приближаются друг к другу, сливаются. При этом сближаются и сами элементарные частицы. Вселенная непосредственно чувствует законы микромира.

Именно в ту эпоху, называемую Большим Взрывом, асимметрия Вселенной — по идее Сахарова — складывалась в процессах, бурлящих тогда в каждой микро-точке космического пространства. T-асимметрия позволила породить наблюдаемую сейчас С-асимметрию — разное содержание частиц и античастиц.

Помимо того крылышка вселенской бабочки, которое видно астрономам, физик-теоретик Сахаров увидел мысленно и другое крылышко, раскрывшееся до Большого Взрыва. Сама эта бабочка CPT-симметрична, но увидеть ее целиком не дает краткость человеческой жизни по сравнению с возрастом Вселенной.

Что удивительно — как много может человек успеть за свою короткую жизнь: научиться писать правой и левой рукой одновременно, разглядеть симметрию асимметричного мира природы, и сделать симметричнее мир человека.

Примерно так я завершил рассказ об Андрее Сахарове для американских семиклассников. На этих страницах, пожалуй, я сказал больше, чем уместилось в моем выступлении пять лет назад в Бруклайнской школе. Но ведь и тогдашние семиклассники стали намного старше, пока я писал книгу “Андрей Сахаров: наука и свобода”.

Тогда я не был уверен, что они уловили что-то в моем рассказе. Поэтому очень обрадовался, получив из школы пачку благодарственных писем. Одно из них доставило мне особенное удовольствие. Автор по-американски сдержанно, но энергично поблагодарил меня за рассказ и выразил надежду, что моя книга станет бестселлером. И подписался. Искренне.

Не сразу я заметил, что Вилли подписался иначе, чем Сахаров, хотя и зеркально симметрично. Право-лево-рукий Сахаров писал двумя руками от центра к краям <= =>, а праворукий Вилли, имитируя двурукость, написал => <=.

Хорошо все-таки, что и симметрии и люди бывают такие разные.

_{Чайка (США), 2001, №2}