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

Есть ровно два способа сделать так, чтобы вероятность после подмены не изменилась. Надо умножить волновую функцию либо на единицу, либо на минус единицу. Одни частицы выбирают положительный маршрут, другие отрицательный, и то, какая какой маршрут выберет, оказывается, приводит к колоссальным последствиям.

Не будет преувеличением сказать, что своим существованием вы обязаны минусу. А чтобы понять, как так вышло, нам придется еще дальше углубиться в царство спина.

Представьте себе, что вы на роскошном банкете, а рядом с вами посадили физика. Придется напрячь воображение: на подобные мероприятия нас обычно не зовут. Чтобы помочь своему новому другу-физику расслабиться, вы битый час слушаете его бормотание, а потом решаете бросить ему кость и называете его теорию «элегантной». Больше от вас ничего не требуется. Он ваш верный друг до гробовой доски.

Элегантности в одежде и манерах нам добиться трудно, зато она заложена в самом центре симметрии и в сердце физики. И несмотря на то, что физика частиц во многом состоит из длиннейших списков, обитатели зоопарка частиц — существа на диво простые. Численных величин совсем немного, зато они говорят вам все, что нужно знать. Среди них есть очевидные — масса и заряд. Есть и не такие очевидные — цвет и аромат, которыми мы займемся в следующей главе. А есть и совсем неуловимая — спин.

Спин — дело настолько тонкое, что это будет единственная глава, из которой вы не узнаете ни о какой новой симметрии. Уж извините. Однако есть и хорошая новость — зато мы увидим, что следствия из симметрии замещения тождественных частиц для разных частиц совсем разные, а из-за этого разные виды частиц и ведут себя по-разному. А в конце вообще рванет, так что не отвлекайтесь.

Со спином мы уже знакомы, однако кое-какие квантовые безумства я старательно замолчал. Еще из первой главы мы узнали, что направление квантового спина, по крайней мере у нейтрино, — один из верных признаков того, что мы все не превратились в антивещество по какому-то капризу природы. Настало время перейти от слов к делу и раз и навсегда показать, что самим своим существованием вы обязаны тому, как вращаются субатомные частицы и вращаются ли они вообще, то есть, какой у них спин [84] На самом деле голова идет кругом от того, скольким разным особенностям природы вы обязаны своим существованием. Однако спин — это и вправду серьезно. Представьте себе, без спина у вас было бы не больше структуры, чем у облака гелия. .

Казалось бы, спин — это просто вращение, а с вращением мы часто имеем дело в повседневной жизни, поэтому возникает искушение решить, будто нам уже все понятно. Так вот, поверьте мне на слово, если вы представляете себе электрон в виде микроскопического шарика или мячика, вы глубоко заблуждаетесь.

Сейчас я открою свой волшебный сундук с аналогиями и сделаю вид, будто частицы ведут себя как вращающаяся Земля — ну почти совсем, — в основном потому, что вы (скорее всего) родом с Земли и у вас, наверное, когда-то был глобус. А потом я покажу, почему все совсем не так . Заранее предупреждаю.

Начну с дурацкого вопроса. Вверх — это куда? Если не стоишь на поверхности Земли, ответ совсем не очевиден.

Когда в кино в космосе встречаются два звездолета, они почти всегда ориентированы так, чтобы «верх» разнообразных мостиков соответствовал «верху» кадра. Да откуда они знают?! В космосе «верх» — понятие практически бессмысленное. То, что почти все глобусы и карты Земли ориентированы так, что север у них сверху, а юг снизу, — просто историческая случайность. Те, у кого армия была сильнее, в конце концов завоевали остальных и нарисовали свои страны сверху [85] И это далеко не единственный фокус, который может отколоть карта с вашими мозгами. Проекция Меркатора существенно увеличивает те области, которые находятся ближе к полюсам. В результате кажется, будто Европа примерно того же размера, что и Африка, а на самом деле площадь Африки раза в три больше. . Но у планет, как и у частиц, «верх» определяется иначе.

Если смотреть на Землю со стороны Северного полюса (на картах и глобусах он сверху), она вращается против часовой стрелки. Это просто условность, правда, очень крепко укоренившаяся (правда, я слышал, что в Австралии делают карты вверх ногами — та же условность, только наоборот).

«Верх» в Солнечной системе

Подобным же образом у всех планет Солнечной системы общая история, а следовательно, когда они превратились в аккуратненькие сфероиды, то в конечном итоге стали вращаться вокруг Солнца в одном направлении. Очень удобное, хотя и произвольное, определение верха в Солнечной системе гласит, что все планеты, если смотреть на них «сверху», вращаются против часовой стрелки. За исключением впавшего в полную немилость Плутона [86] Лично я против Плутона ничего не имею. И точно знаю, что в научном мире есть многочисленная, весьма громогласная и неожиданно ранимая коалиция, которая до сих пор в обиде за это разжалование. , остальные восемь примерных (то есть настоящих) планет дружно вращаются вокруг Солнца по почти круглым орбитам в плоскости, которую называют плоскостью эклиптики.

Верх планет и верх Солнечной системы не обязательно соответствуют друг другу. Например, полюса Земли наклонены на 23½ градуса относительно полюсов эклиптики. А отклонение Венеры от оси составляет всего три градуса, да и вращается она в противоположную сторону, а значит, верх (если определять его по вращению, то есть спину, планеты) у Венеры более или менее там, где у Солнечной системы низ. Солнце на Венере восходит на западе.

Независимо от первоначальной точки зрения очевидно, что если повернуть Землю на один полный оборот (наверное, вы знаете, что это и есть сутки), она будет выглядеть точно так же, как в момент начала. Давайте выберем на Земле точку не вполне случайным образом — пусть это будет городок Эврика в области Нунавут в Канаде (широта 80° N, долгота 86° W). Жители Эврики всегда знают, где у них север: от них до полюса примерно 1100 км в определенном направлении. А главное, это направление никогда не меняется.

Однако если вы умудритесь уменьшить корабль до субатомных размеров в духе «Фантастического путешествия» и остановите ваше уменьшенное судно над соответствующим местом электрона, результаты у того же эксперимента получатся совсем другие. Сверьтесь с компасом — и вы скорее всего обнаружите, что верх (север) находится от вас в одном направлении, но есть небольшая вероятность, что он лежит в противоположной стороне. Такая вот квантовая механика, что поделаешь. Измерить можно далеко не все величины, и все то, что казалось вам попросту невозможным, станет теперь разве что не очень вероятным. И возможные спины скажут нам гораздо больше о том, как функционирует частица того или иного типа, чем кажется на первый взгляд.