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

Это книга о симметрии, о том, как она проявляется в природе, как направляет нашу интуицию и как вылезает там, где ее не ждешь. Наиболее сжато это выразил нобелевский лауреат Фил Андерсон:

Будет лишь небольшим преувеличением сказать, что физика — это изучение симметрии.

Иногда симметрия так очевидна, что кажется совершенно банальной — однако приводит к невероятно контринтуитивным результатам. Когда катаешься на американских горках, организм не в состоянии различить, что вжимает его в сиденье — гравитация или ускорение вагонетки: ощущается это одинаково. Когда Эйнштейн предположил, что «ощущается одинаково» означает «и есть одно и то же», то вывел законы, по которым действует гравитация, а впоследствии это привело к гипотезе о существовании черных дыр.

Или, скажем, то обстоятельство, что можно поменять местами две частицы одинакового типа, неизбежно приводит к пониманию того, какая участь ожидает наше Солнце, и к загадочному принципу запрета Паули, а в конечном итоге — к функционированию нейтронных звезд и всей химии на свете.

А вот течение времени, с другой стороны, кажется столь же очевидно асимметричным . Прошлое отличается от будущего, это уж точно. Однако, как ни странно, законы физики ничего не знают об оси времени — им забыли о ней сказать. На микроскопическом уровне практически любой мыслимый эксперимент замечательно идет и туда, и обратно.

Тут легко поддаться стремлению обобщать и предположить, будто все на свете симметрично. Я с вами, читатель, незнаком и поэтому готов делать самые оскорбительные предположения. В старших классах или в институте вы хотя бы раз участвовали в мозголомной беседе на тему «А вдруг, ребята, наша вселенная — всего лишь атом в какой-то огромной-преогромной вселенной?»

Успели ли вы повзрослеть с тех пор? Признайтесь, вы прекрасно знаете, про что фильм «Люди в черном», и с нежностью вспоминаете, как в детстве читали «Слон Хортон слышит кого-то» — однако даже сейчас невольно задумываетесь, не существует ли где-нибудь миниатюрная вселенная, выходящая далеко за рамки нашего восприятия.

Нет, дружище, ответ отрицательный — но тут следует задаться несколько более глубоким вопросом: а почему?

Если можно что-то увеличить или уменьшить, не меняя его, значит, перед нами определенного рода симметрия. Те из вас, кто читал «Гулливера», вспомнят, наверное, что стоило нам повстречаться с лилипутами [3] Лилипуты по всем измерениям меньше Гулливера в двенадцать раз. Умножать и делить на десять гораздо проще, поэтому я для простоты картины решил все округлять и упрощать. Можете не благодарить. , как Джонатан Свифт пускается в длиннейшие подробнейшие рассуждения обо всем, что следует из разницы в росте между Гулливером и лилипутами, а затем и между Гулливером и великанами-бробдингнегами. Тут Свифт явно перестарался — он пишет соотношении размеров всего на свете, от длины шага до количества местных животных, которое требовалось Гулливеру, чтобы насытиться.

Однако уже во времена Свифта никто не сомневался, что существование таких стран и народов (про говорящих лошадей вообще молчу) противоречит законам физики. Веком раньше Галилео Галилей написал «Две новые науки», где исследовал возможность существования великанов с научной точки зрения [4] Достойное применение его времени и талантов, нечего сказать. . Всласть порассуждав, он сделал вывод, что предположение ложно — лишив таким образом грядущие поколения возможности повеселиться. Беда в том, что кость, увеличиваясь в длину в два раза, становится тяжелее в восемь раз, а ее поверхность увеличивается всего в четыре раза. Так что она сломается, не выдержав собственного веса. Вот как пишет об этом сам Галилей:

Дуб высотой двести локтей не смог бы удержать собственные ветви, будь они распределены так же, как и на дереве обычной высоты; и природа не может породить лошадь в двадцать раз больше обычной лошади или великана в десять раз выше обычного человека, разве что чудом или сильно изменив пропорции его тела, в особенности костей, которые должны быть значительно увеличены по сравнению с обычными.

Далее Галилей любезно приводит наброски великанских частей на радость читателю и завершает повествование прелестным страшноватым рисунком.

Потому-то маленькая собачка может иногда нести на спине двух-трех собачек своего размера, однако, полагаю, конь не сможет нести даже одного такого же коня.

Вот почему Человек-паук так скверно придуман [5] Давно доказано, что если говорить с ученым достаточно долго, он испортит все что угодно, докопавшись до сути. Вот почему нам так часто уготованы одинокие вечера. . Он не мог бы обладать пропорционально увеличенной силой паука. Иначе он был бы такого массивного сложения, что его не пришлось бы даже давить. Гравитация все сделала бы сама. Как пишет биолог Дж. Б. С. Холдейн в своем эссе «О том, как важно быть нужного размера» (J. B. S. Haldane, « On Being the Right Size »):

Вот почему насекомое не боится гравитации — оно может упасть и остаться целым и невредимым, оно может прицепиться к потолку, затратив на удивление мало усилий… Однако есть на свете сила, которой насекомое страшится так же, как млекопитающее — гравитации. Это поверхностное натяжение… Насекомое, которое решило попить, находится в такой же опасности, как и человек, свесившийся с края бездонной пропасти в поисках пропитания. Стоит насекомому попасться в сети поверхностного натяжения воды — то есть попросту намокнуть — и оно, скорее всего, не сможет выбраться и утонет.

На самом деле проблема куда глубже, чем прочность великаньих костей на разрыв и пропорциональная сила насекомых. Все предметы, сопоставимые с размерами человека, вроде бы можно пропорционально уменьшать и увеличивать без особого ущерба — шестиметровый робот-убийца, судя по всему, при совершенно том же устройстве, что и его трехметровая модель, будет работать вдвое лучше, — но если перейти на масштабы атомов и молекул, все прогнозы перестают оправдываться. Мир атомов — это еще и мир квантовой механики, а это означает, что конкретность нашего макроскопического существования внезапно сменяется неопределенностью.

Иначе говоря, сам акт масштабирования не имеет отношения к симметрии природы. Карта космической сети галактик и правда слегка смахивает на изображение нейронов, но это не какая-то великая вселенская симметрия. Это совпадение. Я мог бы и дальше описывать разные случаи симметрии один за другим, но, надеюсь, в общем и целом объяснил, что к чему. Одни изменения имеют значение, другие нет. В этой книге я решил применить вот какой подход: каждую главу посвятить отдельному вопросу, на который, как потом выяснится, есть ответ, пусть и косвенный, и дают его фундаментальные симметрии вселенной.