Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса
Шрифт:
Стрела времени
Законы физики во вселенной неизменны, однако сама она меняется со временем. А что происходит с осью времени — неизменно ли ее направление?
Столкновение электронов
Персонажи книг — например, Мерлин из «Короля былого и грядущего» Теренса Уайта или Белая Королева из «Зазеркалья» — иногда живут задом наперед. В фильме «Помни» события изложены
Однако давайте исключим на время из уравнения самих себя (и своих любимых волшебников) и поглядим, как все происходит на фундаментальном уровне. Если рассмотреть практически любые законы физики, получается, что о течении времени они вспоминают в последнюю очередь. Снимите на видео столкновение двух электронов — и если пустить запись в обратную сторону, она будет выглядеть так же нормально и физически достоверно, как и первоначальный вариант. Похоже, на микроскопическом уровне время абсолютно симметрично [29] .
29
Специально для зануд: да, кроме слабого взаимодействия. Пока что оно для нас роли не играет, а впоследствии мы о нем еще поговорим, не волнуйтесь.
Нам даже не обязательно ограничиваться микроскопическим масштабом. Осмелюсь предположить, в какой-то момент своей биографии вам случалось играть в мяч. Мяч летит по дуге, которая называется «парабола» [30] . Снимите видео про игру в мяч, просмотрите его в обратном направлении, и хотя выглядеть игра будет не совсем так же, как в изначальном варианте — мяч, например, полетит сначала не справа налево, а слева направо — с точки зрения физики она покажется абсолютно достоверной.
30
Особенно хорошо это получается, когда играешь в мяч на Луне: там нет сопротивления воздуха.
Это еще одна симметрия — и, как и у прочих, у нее есть свое название.
Т-симметрия: при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему.
Тут мы ненадолго остановимся. Взгляните на вселенную в зеркало — и все будет выглядеть более или менее правильно. Буквы написаны наоборот, люди ездят не по той стороне дороги, сердце не в той стороне груди, но в остальном вы чувствуете себя вполне пристойно и, скорее всего, быстро приспособитесь. Подобным же образом все будет выглядеть нормально, если заменить все частицы на античастицы. Правда, наведываться в такие места вам не стоит — иначе вы мгновенно аннигилируете. А вот вселенная, где время течет вспять, на наш взгляд будет совершенно безумной!
Определенно, представляется очевидным, что такой симметрии в нашей вселенной быть не может. Интуитивно кажется, что это невозможно, правда?
С другой стороны, интуиция столько раз нас обманывала. Когда мы говорим о симметрии вселенной, то имеем в виду не преобразование вселенной в целом, а преобразование ее законов. Вот, мол, посмотрим на игру в мяч или на одну-единственную пару электронов, отскочивших друг от дружки, и их и обратим, а
Итак, действуют ли законы физики во вселенной Мерлина? Или, выражаясь более учено, остаются ли неизменными законы физики при Т– преобразовании? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как Т– симметрия относится к заряду и к старым добрым зеркальным симметриям С и Р, с которыми мы уже знакомы. С точки зрения математики разница между электроном, движущимся вперед во времени, и позитроном, движущимся во времени назад, очень мала.
Ричард Фейнман в своей Нобелевской лекции вспоминает разговор со своим научным руководителем Джоном Уилером:
Когда я учился в магистратуре в Принстоне, мне как-то раз позвонил профессор Уилер и сказал:
— Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковый заряд и одинаковая масса.
— Почему?
— Потому что все они — один и тот же электрон!
— Профессор, но ведь позитронов меньше, чем электронов, — возразил я.
— Ну так, может быть, они прячутся в протонах или что-то в этом роде, — сказал Уилер.
К его идее, что все электроны — это один и тот же электрон, я отнесся не так серьезно, как к замечанию, что, возможно, позитроны — это электроны, которые движутся из будущего в прошлое в задней части своей мировой линии. Эту идею я украл!
Помните вышеприведенный пример с током в проводе? Если снять позитрон на видео и посмотреть задом наперед, он произведет точно такое же магнитное поле, как и электрон, который бежит вперед. Мы можем даже представить себе создание параллельной вселенной по следующему алгоритму:
1. Превратим все частицы в античастицы и наоборот.
2. Посмотрим на все в зеркало.
3. Обратим ход времени.
Это называется СРТ– преобразованием, и о нем мы не можем сказать почти ничего, кроме того, что буквально все проделанные человечеством эксперименты показали, что вселенная СРТ– симметрична. И это очень важно, поскольку помимо всего прочего мы наконец-то обнаружили во вселенной абсолютную симметрию.
Иными словами, очень похоже, что физика частиц на микроскопическом уровне более или менее одинакова при «просмотре видеозаписи» в обоих направлениях. С точки зрения фундаментальной физики, в оси времени нет ничего особенного — не больше чем в том, какая из частиц электрон, а какая позитрон.
И все же мы прямо чувствуем, что время не такое, как остальные измерения. Но почему?! Короткий ответ: мы не знаем ничего, кроме того, что вот так уж оно устроено. Но есть и длинный ответ. Длинный и интересный.
Второй закон
Вы помните прошлое, а не будущее. Невозможно распечь торт, провернуть обратно фарш, превратить яичницу в яйцо или заставить бильярдные шары съехаться в аккуратный треугольник.
У всего на свете есть общая тенденция — приходить во все больший беспорядок. Вам эта закономерность известна как Второй закон термодинамики. Сформулировать Второй закон можно довольно цветисто — «все разваливается», — но на самом деле все еще проще.
Своим становлением термодинамика по крайней мере отчасти обязана промышленной революции. В 1820 годах французский инженер Николя Леонар Сади Карно всего-навсего хотел усовершенствовать паровой двигатель — и обнаружил, что как ни старайся, а какая-то часть энергии все равно расходуется впустую в виде тепла. К 1850 годам Рудольф Клаузиус предложил более научную формулировку закона, получившего название Второго закона термодинамики: