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

Представьте себе бесконечные ряды совершенно одинаковых вертящихся волчков.

Волчки и нарушение симметрии

Разумеется, рано или поздно один из волчков накренится в сторону соседа. Какой это будет волчок и в какую сторону он наклонится, определяется только случаем, однако стоит волчку наклониться, и симметрия нарушится навсегда. Более того, когда волчки падают, то порядок и направление их падений гораздо сложнее, чем можно было бы предположить исходя из простоты системы. Если у нас хватит терпения подхватывать волчки и снова их раскручивать, можно проигрывать этот сценарий снова и снова, и каждый раз волчки будут падать по-своему. Если мы просто представим себе, что рисунок падения волчков подобен эволюции физики на ранних стадиях существования вселенной, то почти что сможем исследовать разные области множественной вселенной.

Когда все начинается, волчки организованы симметрично, однако в конце среди них царит полный беспорядок. Вот и во вселенной то же самое.

Наш разговор о вселенной начался в мире абстракций — мы говорили о кругах, многогранниках и тому подобном. И не только потому, что можно было заодно нарисовать много красивых картинок: похоже, законы природы написаны симметрично. Но даже если все в природе начинается с симметрии, кончается все совсем иначе. Получается, что симметрия почему-то не может быть концом всего, так не бывает.

Все наши представления об устройстве вселенной основаны на взаимодействии между симметрией и случайностью, и, положа руку на сердце, мы еще не вполне разобрались, где кончается одно и начинается другое. Случайность, а по сути дела, хаос, зачастую становится характерной чертой отрицательного героя, а герой, стремящийся к порядку, то есть к симметрии, считается положительным. Это вопиющая несправедливость.

Хотя я не хочу показаться чересчур ранимым и обидчивым, в философских системах, которые охватывают и инь, и ян, есть зерно истины.

Законы вселенной симметричны, однако стоит нам ввести демона случайности, как результаты действия этих законов — та вселенная, которую мы наблюдаем вокруг, — скорее всего, вовсе не покажутся нам симметричными. Случайность — основа квантово-механической вселенной. Первоначальная конфигурация может быть одной и той же, но если проводить эксперимент снова и снова, результаты получатся разные — и иногда эти различия очень глубоки. Мы убеждались в этом раз за разом — от ухабистой структуры крупномасштабной вселенной до нарушения симметрии в поле Хиггса.

Случайность может завуалировать скрытую симметрию, но не стирает ее. В конце мы не знаем, насколько нарушения симметрии, определяющие законы природы в том виде, в каком мы их наблюдаем, определяются случайностью, зато знаем, что стоит этим законам (по-прежнему довольно-таки симметричным) вступить в действие, как случайность все больше и больше затуманивает наше представление о вселенной, в которой, не будь случайности, царил бы порядок. Именно случайность породила в свое время структуру — а вот расти, рушиться, формировать звезды и составлять сложные химические соединения (и, добавлю, жизнь) этой структуре в дальнейшем позволили симметричные законы гравитации. Именно случайность управляет радиоактивностью, термоядерным синтезом в Солнце и, скорее всего, нейронами в нашем мозге.

В конечном итоге нарушение симметрии — тот самый факт, что вселенная в зеркале заднего вида выглядит не так, как наша, — и породило вселенную, в которой стоит жить просто потому, что она такая интересная.

Протон— верхний+верхний+нижний

Нейтрон— верхний+нижний+нижний

Нейтральный пион— верхний+анти-верхний или нижний+анти-нижний

Нейтральный каон— нижний+анти-странный или странный+анти-нижний

Нижеприведенный список далеко не полон, однако им удобно пользоваться как справочным пособием при чтении этой книги, а также просто в обыденной жизни, если вам когда-нибудь захочется сделать симметрии темой светской беседы.

Первая теорема Нётер.Каждой непрерывной симметрии соответствует сохраняющаяся величина.

С-симметрия,она же Зарядовое сопряжение,состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же , как и к соответствующим обычным частицам. Эта симметрия справедлива для всех взаимодействий, кроме слабого.

Р-симметрия, она же Пространственная четность, — все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало. Опять же не относится к слабому взаимодействию.

Т-симметрия,она же Обращение времени, — при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему. И эта симметрия тоже нарушается при слабом взаимодействии.

СР-симметрия, или Комбинированная четность, — сочетание С— и Р-симметрий. Она тоже нарушается при слабом взаимодействии — и это большая удача, поскольку без нарушения СР-симметрии во вселенной не было бы избытка вещества.

СРТ-симметрия— сочетание С-, Р— и Т-симметрий в любом порядке. Насколько мы можем судить, в нашей вселенной эта симметрия соблюдается строго.

Симметрия замещения тождественных частиц— все измеримые количества в системе останутся неизменными, если заменить одну частицу другой того же типа и в том же состоянии. Сложность в том, что если поменять местами два фермиона, волновая функция умножится на — 1, однако впрямую это зарегистрировать невозможно.

Симметрия трансляции времени (инвариантность времени).Все законы физики ведут себя одинаково в разные моменты времени. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения энергии.

Трансляционная симметрия (инвариантность пространства).Законы физики совершенно одинаковы в любом месте во вселенной. На крупных масштабах это отражается в однородности вселенной и в космологическом принципе. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения импульса.