Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

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.

Аттракцион № 1. Посетите наш зоопарк частиц

Важнейшие составные частицы

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

Аттракцион № 2. Каталог симметрий

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.

Дискретные симметрии в физике

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.

Непрерывные симметрии в физике

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.

Вращательная симметрия (инвариантность вращения). Законы физики не меняются, если повернуть систему в целом. На крупных масштабах это отражается в изотропии вселенной, а кроме того, входит в систему предположений, на которых основан космологический принцип. Это приводит к сохранению момента импульса.

Лоренц-инвариантность. Законы физики одинаково справедливы для любого наблюдателя, который движется равномерно и прямолинейно. Кроме того, это основа специальной теории относительности.

Слабый принцип эквивалентности. Частицы в состоянии свободного падения локально неотличимы от инерциальных систем отсчета. Это основа общей теории относительности.

Калибровочные симметрии (со страшными математическими названиями)

Фазовая симметрия, она же U (1). Фаза поля может меняться, и при этом никаких измеримых последствий наблюдаться не будет.

Симметрия электронов-нейтрино, она же SU (2) L. Слабое взаимодействие происходит совершенно так же, если заменить все нейтрино электронами и наоборот, если все они леворукие.

Симметрия цвета, она же SU (3). Сильное взаимодействие ведет себя совершенно одинаково с зелеными, синими и красными кварками. Если подменить один цвет другим (главное — проявить последовательность), и взаимодействие окажется прежним.

SU (5). Одна из первых и самых испытанных теорий Великого объединения. Она предсказывает существование дополнительных частиц, что приводит к распаду протонов. Измеренное время жизни протона противоречит ей, поэтому от нее пришлось отказаться.