Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

В 1928 г. Поль Дирак предложил новое уравнение, которое мы сегодня называем уравнением Дирака, для описания поведения электронов в квантовой механике. Из этой работы вытекало существенное предсказание: должна существовать античастица, позитрон, с такими же массой и спином, как и у электрона, но с противоположным зарядом. Этот позитрон, который также называют антиэлектроном, является античастицей электрона. Более поздние работы показали, что это явление – куда более общий результат квантовой механики и специальной теории относительности: для каждой частицы существует соответствующая ей античастица, которая имеет те же массу и спин, но противоположные значения электрического заряда, а также слабого заряда, цвета сильного взаимодействия и спиральности.

Антиэлектроны (позитроны) были открыты экспериментально в 1932 г. Антипротоны впервые наблюдались в 1955 г. Сейчас было бы крупным потрясением обнаружить частицу, у которой нет античастицы. Фотоныявляются собственными античастицами. (Это возможно потому, что они являются электрически нейтральными и не несут никаких других зарядов.)

Когда частица встречается со своей античастицей, они могут аннигилировать в «чистую энергию» – что означает на практике любую из широкого разнообразия групп частиц и их античастиц. Например, любая частица и ее античастица могут аннигилировать в два фотона или в пару нейтрино-антинейтрино, хотя это обычно не самые вероятные исходы. Задачей Большого электрон-позитронного коллайдера LEP [90] От англ. Large Electron-Positron collider. – Прим. пер. в CERN, который был предшественником Большого адронного коллайдераLHC и занимал тот же самый огромный тоннель, было изучение аннигиляции электронов и позитронов, разогнанных до больших скоростей и движущихся в противоположных направлениях.

Хотя термин античастица имеет ясное и точное научное значение, термин антивещество , хотя и бывает полезен, немного более сомнительный, или лучше сказать немного наивный. Чтобы понять это словоупотребление, мы должны начать с (такого же сомнительного и наивного) определения «вещества», противоположностью которого оно является. В этом определении мы говорим, что некоторые частицы, из которых мы состоим и с которыми встречаемся в обычной жизни – т. е., u и d кварки и электроны, – это «вещество». В соответствии с этим определением мы включаем в понятие вещества их близких родственников – т. е. все виды кваркови все виды лептонов(кварки u, d, c, s, t, b ; лептоны e, µ, τ, νe, νµ, ντ ), в то время как их античастицы мы называем антивеществом. Фотоны при таком делении не попадают по своей природе ни в одну из групп, так как они являются собственными античастицами. В указанном смысле единственное, что отличает «вещество» от «антивещества», это то, что первое более распространено, по крайней мере в нашей части Вселенной. Если бы мы вдруг заменили все частицы в мире их античастицами (и одновременно совершили бы преобразование четности, поменяв местами правое и левое), было бы очень сложно сказать, в чем разница!

Мне кажется, что термин «антивещество» скорее способен запутать, а не прояснить что-либо, и в этой книге я его избегал. Когда я говорю о «веществе», без пояснений, я имею в виду все формы вещества, включая (к примеру) антикварки, фотоны и глюоны.

Мы говорим, что некоторая величина симметрична относительно преобразования или что величина обладает симметрией, когда она не меняется при этом преобразовании. Мы говорим, что величина антисимметрична относительно преобразования, когда она меняет знак при этом преобразовании. Это применимо к численным величинам, а также к векторами к функциям, потому что во всех этих случаях можно говорить об изменении знака.

Примеры: Координатыточек на прямой антисимметричны относительно поворота прямой на 180° относительно начала координат. Электрический зарядантисимметричен относительно преобразования, которое превращает частицы в их античастицы(см. Антивещество).

Фундаментальная характеристика фермионовсостоит в том, что квантово-механическая волновая функция, описывающая систему идентичных фермионов, антисимметрична относительно преобразований, в которых любые два из них меняются местами.

Антропный аргумент в первом приближении имеет следующую форму:

«Мир должен быть таким, какой он есть, чтобы я мог существовать».

Перед тем как обсуждать более сложные тонкости, давайте рассмотрим антропный принцип в этой самой простой форме.

Важно разделять два аспекта этого базового антропного аргумента: его истинность и его объяснительную силу. (См. связанное с этим обсуждение в статье Непротиворечивость и противоречие.) В зависимости от того, насколько узко определено понятие «Я», в антропном принципе может быть немалая доля тривиальной истины. Если «Я» подразумевает углеродную форму жизни с человеческой физиологией, которая жила подобно тому, как живу я (что, помимо прочего, включает чтение научных книг, в которых делаются сильные, конкретные утверждения об окружающем мире), тогда, пожалуй, конечно, законы физики, как мы их знаем, не говоря уже о многих других фактах о планете Земля, истории Европы, цвете глаз моих детей и т. д., не могут сильно отличаться от тех, что есть, так как эти отличия вскоре исключат мое существование. Так что базовый антропный аргумент, если воспринимать его буквально, верен. Но этот истинный аргумент имеет очень небольшую объяснительную силу, в основном потому, что существование «меня» – это такое всеобъемлющее предположение, включающее все, что я испытал или когда-либо испытаю, что оно не оставляет ничего, что нужно было бы еще объяснять!

Более сложные версии антропного аргумента должны основываться на менее жестких определениях «Я». Мы можем, например, потребовать, чтобы мир с его основными законами и историей давал возможность появления какому-то виду разумных или обладающих сознанием наблюдателей. Если бы это было не так, то его нельзя было бы наблюдать – да и черт бы с ним! Однако очень сложно определить, что имеется в виду под разумными наблюдателями, а также очень сложно понять, после того как вы определились с формулировкой, какого рода законы и история обуславливают появление разумных наблюдателей. Мне трудно представить, что такие размытые, скользкие идеи приведут нас к значительной объяснительной силе.