Физика невозможного

Каку Митио

Теория Дирака отвечает и на более глубинные вопросы. Почему природа допускает существование антивещества? Следует ли из этого существование антивселенных?

В некоторых научно-фантастических произведениях герой обнаруживает в космосе землеподобную планету. Мало того, новая планета оказывается во всем подобной Земле, за исключением того, что состоит из антивещества. У каждого из нас на этой планете есть двойник; антилюди со своими антидетьми живут в тамошних антигородах. Поскольку законы антихимии полностью соответствуют законам химии, не считая противоположности всех зарядов, люди этого мира не в состоянии понять, что состоят из антивещества. (Физики называют такую вселенную

вселенной с обратным зарядом, поскольку все заряды в ней имеют обратный знак, а все остальное точно такое же, как у нас.)

В других научно-фантастических сюжетах ученые открывают в открытом космосе планету-близнец Земли, только зеркальную; лево и право там полностью поменялись местами. Сердца у людей расположены справа, а левшей значительно больше, чем правшей. Тамошние жители проживают свой век, не подозревая, что живут в зеркально перевернутой вселенной. (Физики называют такую вселенную зеркальной, или вселенной с обратной четностью.)

Могут ли вдействительности существовать зеркальные вселенные или вселенные из антивещества? Вообще, физики очень серьезно относятся к вопросу о вселенных-двойниках, ведь уравнения Ньютона и Эйнштейна останутся теми же, если просто поменять знак заряда у всех элементарных частиц или поменять местами лево и право. Исходя из этого, и зеркальные вселенные, и вселенные из антивещества в принципе возможны.

Нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал в отношении этих вселенных интересный вопрос. Предположим, когда-нибудь мы сумеем связаться по радио с обитателями далекой планеты; видеть их мы при этом не будем. «Сможем ли мы объяснить им по радио разницу между понятиями „лево“ и „право“?» — спрашивал Фейнман. Если законы физики разрешают существование зеркальной вселенной, то донести до наших радиособеседников эти концепции окажется невозможно.

Он рассуждал следующим образом. Некоторые вещи объяснить легко — это относится, например, к форме нашего тела, количеству у нас пальцев, ног и рук. Мы сможем даже объяснить инопланетянам законы химии и биологии. Но стоит нам попытаться объяснить им понятия «лево» и «право» (или «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки»), у нас ничего не получится. Мы никогда не сможем объяснить, что сердце у нас находится слева, в каком направлении вращается Земля или закручивается спираль молекулы ДНК.

Ученые испытали настоящее потрясение, когда Ч. Янг и Ц. Ли, работавшие в то время в Колумбийском университете, доказали, что эта замечательная теорема неверна. Исследовав природу элементарных частиц, они сумели показать, что зеркальная вселенная существовать не может. Узнав об этом революционном результате, один физик сказал: «Господь, должно быть, сделал ошибку». За этот результат, потрясший основы физики и получивший название «несоблюдение четности», Янг и Ли получили в 1957 г. Нобелевскую премию по физике.

Для Фейнмана этот результат означал, что если наладить радиосвязь с инопланетянами, то можно договориться о некоем эксперименте, который позволил бы определить друг для друга разницу между правой и левой вселенными. (К примеру, радиоактивный кобальт-60 излучает электроны с правым и левым спином не в равных количествах; одно из направлений вращения является предпочтительным, и четность, таким образом, нарушается.)

Фейнман представил себе, как будет проходить историческая встреча между землянами и представителями иной цивилизации. Мы попросим инопланетян протянуть при первой встрече правую руку и обменяемся рукопожатиями. Если чужие действительно протянут нам правую руку, мы поймем, что сумели объяснить им, что такое «право-лево» и «по часовой стрелке или против».

Но затем Фейнман задал непростой вопрос.

А что, если чужаки протянут нам левую руку вместо правой? Это будет означать, что мы совершили роковую ошибку и не смогли понятно объяснить, что такое «лево» и «право». Хуже того, это будет означать, что чужие на самом деле состоят из антивещества, а потому они провели все эксперименты задом наперед и получили «лево» и «право» наоборот. И тогда это будет означать, что при попытке пожать друг другу руки мы все взорвемся!

Таковы были наши представления до 1960-х гг. Некоторое время считалось, что невозможно отличить нашу Вселенную от другой вселенной, которая состояла бы из антивещества с противоположной четностью. Если поменять одновременно и четность, и заряд, то получившаяся вселенная будет подчиняться все тем же законам природы, что и наша. Да, четность сама по себе была опровергнута, но вместе заряд и четность давали вполне симметричную вселенную. Так что вселенная, симметричная нашей одновременно по заряду и четности ССР-симметричная), вроде бы оставалась возможной.

Это означало, что мы, разговаривая с инопланетянами по телефону, никогда не сумели бы объяснить им разницу между обычной вселенной и вселенной «перевернутой» относительно заряда и четности (такой, где лево и право поменялись местами, а все вещество превратилось в антивещество).

И вот в 1964 г. физики испытали второй шок: СР-симметричная вселенная (симметричная нашей по заряду и четности) тоже оказалась невозможной! Исследование свойств элементарных частиц позволит даже в такой вселенной различить право и лево, направления по часовой стрелке и против. За этот результат в 1980 г. Джеймсу Кронину и Валу Фитчу была присуждена Нобелевская премия.

(Многие физики расстроились, когда выяснилось, что СР-симметричная вселенная противоречит законам физики, но задним числом можно утверждать, что само по себе это хорошо; мы уже обсуждали это. Если бы СР-перевернутая вселенная имела право на существование, то в первоначальный Большой взрыв были бы вовлечены в точности одинаковые количества вещества и антивещества, которые затем аннигилировали бы на 100 %, и никаких атомов не возникло бы вообще! Тот факт, что мы существуем как остаток от аннигиляции неравных количеств вещества и антивещества, сам по себе является доказательством нарушения СР-симметрии.)

Вообще, могут ли существовать какие-нибудь антивселенные, симметричные нашей по одному или нескольким параметрам? На этот вопрос следует дать положительный ответ. Хотя симметричные по четности и по заряду вселенные невозможны, в принципе антивселенные имеют право на существование; правда, это будет очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то вселенная, которая у нас получится, будет подчиняться всем законам физики. Таким образом получается, что разрешены СРТ-симметричные вселенные.

Обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.

Здравый смысл говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона замечательно выполняются — хоть вперед по времени, хоть назад. Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется ньютоновым законам движения. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, — но законы Ньютона допускают и такой порядок вещей.