Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность [litres]

Существует заметная асимметрия между нашими воспоминаниями и предвосхищениями, нашим отражением прошлого и надеждами на будущее. Возможно, это и к лучшему, потому что если бы мы могли «помнить» будущее, то нам было бы сложно вступать в отношения или затевать проекты, зная заранее, что ничего не выйдет.

Если бы у Ричарда Фейнмана был магический кристалл в 1952 году, он с самого начала понял бы, что его второй брак обречен. Он не занялся бы сверхпроводимостью, если бы знал, что другие – Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер – уже сделали теоретическое описание этого феномена (хотя он высказал важные догадки по данной теме и внес значимый вклад в смежную область, изучение сверхтекучести).

Схожим образом Джон Уилер, имей он возможность заглянуть в будущее, не взял бы секретные документы с собой в поезд. Он бы уделил мало внимания геонам, зная, что они окажутся нестабильными и непригодными в качестве частиц, останутся лишь теоретическим концептом, а затем и вовсе исчезнут в безвестности.

Триумфы, точно так же как и ошибки, часто удивляют нас.

В 1957 году Фейнман и Уилер не имели возможности узнать, что наступающее десятилетие будет одинаково плодотворным и счастливым для каждого из них (если исключить смерть матери Джона в 1960-м). Ричард в конечном итоге удачно женится, у него появятся дети, он разработает прославленный курс «Фейнмановские лекции по физике», откроет критически важные свойства элементарных частиц и сил природы, сделает некоторое количество находок, которые в дальнейшем двинут вперед нанотехнологии, и это еще не упоминая о Нобелевской премии за ранний вклад в квантовую электродинамику. Уилер будет счастлив увидеть, как его дети вступают в брак, станет дедушкой, его окутает честь получения Премии Энрико Ферми, медали Франклина и Премии Эйнштейна, и еще он сделается признанным авторитетом в области гравитационного сжатия звезд, в описании таких объектов, как черные дыры.

В отличие от людей, элементарные частицы не могут представить ни собственное прошлое, ни собственное будущее. Но если бы они могли, то заметили бы разницу?

До начала шестидесятых физики в большинстве своем считали, что (за исключением процессов, связанных с измерениями, проводимыми человеком) все взаимодействия между элементарными частицами полностью обратимы во времени. Снимите процесс такого взаимодействия на пленку, прокрутите ее в обратном порядке и увидите новый процесс, столь же распространенный и правдоподобный.

Затем открытие, сделанное в 1964 году Джеймсом Крониным и Валом Фитчем, которые трудились в Принстоне, доказало, что даже тела субатомного уровня могут неким образом демонстрировать различение между прошлым и будущим. Ученые показали, что временная симметрия вовсе не является универсальной чертой в мире частиц, и, более того, в некоторых процессах имеет место однонаправленная стрела времени.

Чтобы полностью осознать открытие Кронина и Фитча, мы должны понять концепцию симметрии в физике элементарных частиц. Некоторые симметрии выглядят непрерывными, как вращательная инвариантность. Закрутим атом водорода, находящийся на самом низком уровне энергии, и его измеряемые физические свойства будут казаться теми же самыми. Симметрия переноса (движения через пространство) также непрерывна: сдвинем немного тот же атом через пустое пространство, и он ничуть не изменится.

Другие типы симметрии являются дискретными, включают сдвиг между конечными наборами конфигураций. Симметрия зарядового сопряжения (смены знака) является хорошим примером: если поменять заряд частицы с положительного на отрицательный и ничего больше не изменится, то эта симметрия имеет место. Симметрия пространственной инвариантности возникает тогда, когда вы отражаете объект в зеркале, с математической точки зрения она включает изменение знака одной или нескольких пространственных координат – с плюса на минус или наоборот. При этом виде симметрии смена направления взаимодействия на его зеркальный образ никак не повлияет на результат.

Представим, что вы работаете в пункте приема вторсырья, и некто дает вам бумажную перчатку, чтобы превратить ее в бумажную массу. Вас не заботит, с левой руки она или с правой, это одно и то же – вот симметрия пространственной инвариантности. И наоборот, если при игре в бейсбол вы исполняете роль катчера и ловите мяч правой рукой, то перчатку для левой вы постараетесь обменять, и здесь подобной симметрии нет.

Разница между леворукостью и праворукостью называется «хиральность». Многие знакомые вещи – перчатки, обувь, ракушки, двери и т. д. – имеют соответствующую направленность. В симметрии пространственной инвариантности изменение хиральности не влияет на результат.

Временная симметрия тоже относится к дискретным, и в ее рамках существуют два выбора: вперед и назад во времени. Полностью упругое столкновение двух пляжных мячей – отличный пример существования такой симметрии. Рост ребенка по мере его превращения во взрослого – один из несметного количества образцов из нашей жизни, где такой симметрии нет. Понятное дело, что видео человеческого развития выглядит по-разному, если воспроизводить его вперед и назад во времени – случай нарушения временной симметрии в повседневном масштабе.

И в конечном итоге существуют близкие к симметричным ситуации, когда преобразование производит небольшие изменения. Протоны и нейтроны обладают почти одинаковой массой, подчиняясь почти-симметрии, называемой «изоспин». Такие почти-симметрии иногда дают нам информацию о связях между частицами. В случае с протонами и нейтронами оказалось, что и те и другие состоят из компонентов, называемых кварками и глюонами.

Диаграммы Фейнмана с перпендикулярными осями, отображающими пространство и время, наряду с прямыми и волнистыми линиями, показывающими характерные траектории частиц, могут быть использованы и для того, чтобы наглядно представить разного вида симметрии. Их можно применить, чтобы показать, что комбинация временной симметрии, симметрии зарядового сопряжения и пространственной инвариантности должна быть инвариантна для всех известных взаимодействий в мире частиц.

Например, возьмем электрон, движущийся направо – при смене заряда он превратится в позитрон, движущийся направо; отразим его в зеркале, и он превратится в позитрон, двигающийся налево; обратим направление времени, и он станет позитроном, который движется налево и одновременно в прошлое. Взяв концепцию позитронов Фейнмана и Уилера, мы представляем ее посредством смены направления осей координат в диаграмме, результатом чего станет электрон, путешествующий вправо и в будущее. Таким образом, мы описали полный цикл, показав магическую комбинацию из трех симметрий.