Во Вселенной есть асимметрия, но это хорошо. Несовершенства необходимы для существования звезд и даже самой жизни.
Ключевые выводы
- Физики-теоретики очарованы симметрией, и многие считают, что уравнения должны отражать эту красоту.
- Математические уравнения, построенные на основе симметрии, правильно предсказали существование антиматерии.
- Но есть опасность приравнивать истину и красоту к симметрии. Ни живые организмы, ни сама Вселенная не являются идеально симметричными.
Мы, левши, составляют меньшинство среди людей, примерно в соотношении 1:10. Но не заблуждайтесь: Вселенная любит леворукость, от субатомных частиц до самой жизни. На самом деле, без этой фундаментальной асимметрии в Природе Вселенная была бы совсем другим местом - пресным, в основном наполненным излучением, без звезд, планет или жизни. Тем не менее, в физических науках преобладает эстетика, которая настаивает на математическом совершенстве, выраженном в симметрии, как на чертеже Природы. И, как это часто бывает, мы теряемся в ложно сфабрикованной двойственности выбора лагеря: вы за «все есть симметрия» или вы иконоборец-несовершенство? (Заинтересованный читатель может прочитать мою книгу об этом, где я рассказываю о многом из того, что будет дальше.)
Антиматерия: почему физики любят симметрию
Мы все любим знаменитую фразу Китса: «Красота - это правда, правда - красота». Но если вы настаиваете на том, чтобы приравнять красоту Китса к математической симметрии как к пути к нахождению «истины» о законах природы - что довольно часто встречается в теоретической физике, - опасность заключается в том, что вы связываете симметрию с «истиной» таким образом, что математика, которую мы используем для представления Вселенной через физику, должна отражать математическую симметрию: Вселенная прекрасно симметрична, и уравнения, которые мы используем для ее описания, должны раскрывать эту прекрасную симметрию. Только тогда мы сможем приблизиться к истине.
Цитируя великого физика Поля Дирака, «более важно иметь красоту в своих уравнениях, чем их соответствие эксперименту». Если бы любой другой менее известный физик сказал это, его, вероятно, высмеяли бы коллеги, сочли бы крипторелигиозным платоником или шарлатаном. Но это был Дирак, и его прекрасное уравнение, построенное на концепциях симметрии, действительно предсказало существование антиматерии, тот факт, что у каждой частицы материи (например, у электронов и кварков) есть античастица-компаньон. Это действительно удивительное достижение - математика симметрии, примененная к уравнению, привела людей к открытию целого параллельного царства материи. Неудивительно, что Дирак был так предан богу симметрии. Это привело его мысли к удивительному открытию.
Обратите внимание, что антивещество не означает ничего столь эксцентричного, как кажется. Античастицы не поднимаются в гравитационном поле. У них несколько изменены физические свойства, в первую очередь электрический заряд. Итак, античастица отрицательно заряженного электрона, называемая позитроном, имеет положительный электрический заряд.
Мы обязаны своим существованием асимметрии
Но вот проблема, о которой Дирак не знал. Законы, управляющие поведением фундаментальных частиц Природы, предсказывают, что материи и антиматерии должно быть одинаково много, то есть они должны появляться в соотношении 1:1. На каждый электрон по одному позитрону. Однако, если бы эта совершенная симметрия преобладала, через доли секунды после Большого взрыва материя и антиматерия должны были бы аннигилировать в излучение (в основном фотоны). Но это не то, что произошло. Примерно одна из миллиарда (примерно) частиц материи сохранилась в избытке. И это хорошо, потому что все, что мы видим во Вселенной - галактики и их звезды, планеты и их спутники, жизнь на Земле, всякого рода сгустки материи, живой и неживой, - произошло из этого крошечного избытка, из этой фундаментальной асимметрии между материей. и антивещество.
Вопреки ожидаемой симметрии и красоте космоса, наша работа за последние десятилетия показала, что законы Природы не в равной степени применимы к материи и антиматерии. Какой механизм мог создать этот крошечный избыток, это несовершенство, которое в конечном счете ответственно за наше существование, является одним из самых больших открытых вопросов в физике элементарных частиц и космологии.
На языке внутренней («внутренней» как при изменении свойства частицы) и внешней («внешней» как при вращении объекта) симметрий существует операция внутренней симметрии, которая изменяет частица материи в одну из антиматерии. Операция называется «зарядовое сопряжение» и обозначается заглавной буквой С. Наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества означает, что Природа не проявляет симметрии зарядового сопряжения: в некоторых случаях частицы и их античастицы не могут быть превращены друг в друга. В частности, С-симметрия нарушается в слабых взаимодействиях, ответственных за радиоактивный распад. Виновниками являются нейтрино, самые странные из всех известных частиц, ласково называемые частицами-призраками из-за их способности проходить через материю практически без помех. (Сейчас от Солнца и проходит через вас около одного триллиона нейтрино в секунду.)
Чтобы понять, почему С-симметрия нарушается нейтрино, нам нужна еще одна внутренняя симметрия, называемая четностью, обозначаемая буквой P. «Операция четности» превращает объект в его зеркальное отражение. Например, вы не инвариантны по четности. Ваше зеркальное отражение имеет сердце с правой стороны. Для частиц четность связана с тем, как они вращаются, как волчки. Но частицы - это квантовые объекты. Это означает, что они не могут просто вращаться с любым количеством вращения. Их вращение «квантовано», то есть они могут вращаться только несколькими способами, вроде старомодных виниловых пластинок, которые можно было проигрывать только на трех скоростях: 33, 45 и 78 об/мин. Наименьшее количество вращения, которое может иметь частица, - это «скорость» в один оборот. (Очень грубо, это как волчок, вращающийся прямо вверх. Если смотреть сверху, он может вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки.) Таковы электроны, кварки и нейтрино. Мы говорим, что они имеют вращение 1/2, и оно может быть либо +1/2, либо -1/2, два варианта соответствуют двум направлениям вращения. Хороший способ увидеть это - согнуть правую руку так, чтобы большой палец был направлен вверх. Против часовой стрелки положительный спин; по часовой стрелке - отрицательное вращение.
Применяя операцию C к левому нейтрино, мы должны получить левое антинейтрино. (Да, даже если нейтрино электрически нейтрально, у него есть античастица, тоже электрически нейтральная.) Проблема в том, что в Природе не существует левых антинейтрино. Есть только левые нейтрино. Слабые взаимодействия, единственные взаимодействия, которые испытывают нейтрино (помимо гравитации), нарушают симметрию зарядового сопряжения. Это проблема для любителей симметрии.
Нарушение CP: побеждает асимметрия
Но давайте сделаем еще один шаг. Если мы применим и C, и P (четность) к левовращающему нейтрино, мы должны получить правовращающее антинейтрино: C превращает нейтрино в антинейтрино, а P превращает левовращающее в правовращающее.. И да, антинейтрино правши! Кажется, нам повезло. Слабые взаимодействия нарушают C и P по отдельности, но, по-видимому, удовлетворяют комбинированной операции CP-симметрии. На практике это означает, что реакции с участием левых частиц должны протекать с той же скоростью, что и реакции с участием правых античастиц. Всем стало легче. Была надежда, что Природа CP-симметрична во всех известных взаимодействиях. Красота вернулась.
Волнение длилось недолго. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили небольшое нарушение комбинированной CP-симметрии в распадах частицы, называемой нейтральным каоном, представленной как K0 По существу, K0 и их античастицы не распадаются с такой скоростью, как предсказывает CP-симметричная теория. Физическое сообщество было потрясено. Красота исчезла. Снова. И никогда не восстанавливался. Нарушение СР - это факт Природы.
Столько асимметрии
CP-нарушение имеет еще более глубокий и таинственный смысл: частицы также выбирают предпочтительное направление времени. Асимметрия времени, характерная черта расширяющейся Вселенной, происходит и на микроскопическом уровне! Это огромно. На самом деле настолько огромный, что вскоре заслуживает отдельного эссе.
А вот еще один взрывоопасный факт о несовершенстве, который мы рассмотрим. Жизнь тоже «вручается»: аминокислоты и сахара внутри всех живых существ от амеб до винограда, от крокодилов до людей - лево- и правосторонние соответственно. В лаборатории мы делаем смеси левых и правых молекул в соотношении 50:50, но это не то, что мы видим в природе. Жизнь предпочитает почти исключительно левосторонние аминокислоты и правосторонние сахара. Опять же, это огромный открытый научный вопрос, над которым я работал довольно долго. Пойдем туда в следующий раз.