ЗЕРКАЛО. Симметрия, раскол и иллюзия целого
- -
- 100%
- +
Посмотрите на раковину улитки.
Большинство улиток закручивают свои раковины вправо. По часовой стрелке, если смотреть на вершину. Это называется декстральная (правая) спираль.
Но иногда, крайне редко, рождается улитка с левозакрученной раковиной. Синистральная.
В 1920-х годах британский генетик Артур Бойкот изучал прудовую улитку Lymnaea peregra. Он обнаружил, что направление закручивания определяется не генами самой улитки, а генами её матери. Это называется материнским эффектом. Белки, которые закладывают план тела, попадают в яйцеклетку еще до оплодотворения. Они задают направление первого деления клетки. И это направление определяет, в какую сторону будет закручиваться вся будущая раковина.
Если вы возьмете левозакрученную улитку и попытаетесь спарить её с правозакрученной, их гениталии не совпадут. Они физически не смогут соединиться.
Зеркальная форма становится репродуктивным барьером. Она создает новый вид.
Хиральность — это двигатель эволюции. Она разделяет популяции. Она создает изоляцию. Она заставляет природу пробовать новые пути.
Два. Пара. Двойственность.
6. Десница и шуица. Мифология руки
Язык помнит то, что сознание забыло.
Посмотрите на латинские корни.
Правая рука — dexter. Отсюда слово «декстерити» (ловкость, сноровка). Правая рука — это рука мастера, рука воина, рука, которой приносят клятву.
Левая рука — sinister. Изначально это слово означало просто «левый». Но постепенно оно приобрело зловещий оттенок. «Зловещий». «Пагубный». «Дурной».
В английском языке right означает и «правый», и «правильный». Left происходит от англосаксонского lyft, что означает «слабый» или «сломанный».
В русском языке «шуица» (левая рука) ассоциируется с чем-то неумелым, ложным («шутовство»). «Десница» — с божественной силой, защитой («десница Божья»).
Почему культура так боится левой стороны?
Потому что большинство людей — правши. Около 90%. Левая рука для них — чужая. Неуклюжая. Та, которую нужно контролировать.
Но есть и более глубокий слой. В древних ритуалах левая сторона ассоциировалась с луной, с ночью, с женским началом, с миром мертвых. Правая — с солнцем, днем, мужским началом, миром живых.
Зеркало культуры искажает реальность. Оно превращает физическое свойство в моральную категорию. Оно делает из асимметрии иерархию.
Но природа не знает морали. Природа знает только форму. И левая раковина так же прекрасна, как правая.
7. Эксперимент Ву и нарушение четности. Вселенная знает, где лево
До 1956 года физики были уверены в одном: законы природы зеркально симметричны.
Это называется сохранением четности (P-инвариантность). Если вы снимете фильм о любом физическом эксперименте, а затем прокрутите его в зеркальном отражении, законы физики в этом зеркальном фильме будут работать точно так же.
Никто не сомневался в этом. Это казалось само собой разумеющимся. Как закон угла. Как сохранение энергии.
Но в 1956 году два молодых физика, Цзундао Ли и Чжэньнин Янг, предположили, что в слабых ядерных взаимодействиях четность может нарушаться.
Никто им не поверил. Это звучало как ересь.
Тогда они обратились к Цзянсюн Ву (Chien-Shiung Wu), блестящему экспериментатору из Колумбийского университета. Её называли «первой леди физики».
Ву взяла кобальт-60. Радиоактивный изотоп, который распадается, испуская электроны (бета-распад).
Она охладила образец кобальта до почти абсолютного нуля и поместила его в сильное магнитное поле. Ядра кобальта выстроились вдоль силовых линий поля, как солдаты в строю. Их спины были ориентированы в одну сторону.
Если бы мир был зеркально симметричен, электроны вылетали бы из ядер равномерно — и вверх, и вниз, вдоль оси спина.
Ву включила детекторы.
Электроны вылетали преимущественно в одну сторону. Против направления спина.
Зеркало треснуло.
Если бы вы посмотрели на этот эксперимент в зеркале, спины ядер изменили бы направление, но направление вылета электронов осталось бы прежним. В зеркальном мире электроны вылетали бы в другую сторону относительно спина. Зеркальный мир подчинялся бы другим законам.
Слабое взаимодействие знает, где лево, а где право.
Вселенная не симметрична. У неё есть предпочтительная рука.
8. Зазеркалье и антиматерия. Смерть в отражении
Что будет, если вы шагнете в зеркало?
Не в переносном смысле. В буквальном. Представьте, что вы прошли сквозь стекло и оказались в зеркальном мире.
Ваше сердце теперь справа. Ваш аппендикс слева. Ваши белки состоят из D-аминокислот. Вы стали хиральным отражением самого себя.
Казалось бы, вы должны чувствовать себя нормально. Законы механики, гравитации, электромагнетизма работают в зеркале точно так же. Вы сможете ходить, дышать, думать.
Но вы умрете.
Почему? Из-за нейтрино.
Нейтрино — это призрачные частицы, которые пронизывают ваше тело триллионами каждую секунду. Они участвуют только в слабом взаимодействии.
И вот тут вступает в силу открытие Ву. Нейтрино всегда имеют левую спиральность. Их спин всегда направлен против их движения.
В нашем мире нет правых нейтрино. Только левые.
Если вы перейдете в зеркальный мир, ваше тело, состоящее из обычной материи, попытается взаимодействовать с зеркальными частицами. Но зеркальные нейтрино будут правыми. А правых нейтрино не существует. Ваше тело потеряет способность к слабым взаимодействиям. Бета-распад в ваших клетках остановится. Солнце, которое светит за счет слабого взаимодействия, погаснет для вас.
Чтобы выжить в зазеркалье, вы должны стать не просто зеркальным. Вы должны стать антиматерией.
Только антиматерия имеет правые антинейтрино.
Зазеркалье — это мир антиматерии. И если вы встретите там своё зеркальное отражение, вы не сможете его обнять. При прикосновении вы оба аннигилируете. Вспышка гамма-излучения. И ничего больше.
Не враги. Партнёры. Но их объятие смертельно.
9. Философия асимметрии. Симметрия есть смерть
Герман Вейль, один из величайших математиков XX века, написал в своей книге «Симметрия»:
«Симметрия — это идея, с помощью которой человек на протяжении веков пытался постичь и создать порядок, красоту и совершенство».
Но затем он добавил то, что часто забывают:
«Живой организм несимметричен. Симметрия есть смерть. Асимметрия есть жизнь».
Подумайте об этом.
Идеально симметричный кристалл мертв. В нем нет движения. Нет времени. Нет изменений. Все атомы стоят на своих местах, подчиняясь жесткой решетке.
Идеально симметричная Вселенная, где материи и антиматерии поровну, пуста. В ней нет ни звезд, ни планет, ни наблюдателей. Только равномерное море фотонов.
Чтобы возникла жизнь, симметрия должна быть нарушена. Должен произойти раскол. Должен появиться перекос.
Хиральность — это не ошибка. Это условие существования.
Когда вы смотрите на свои руки, вы смотрите на две половинки сломанного целого. Они не могут совпасть. И именно поэтому они могут работать. Именно поэтому вы можете держать чашку, писать текст, обнимать близкого человека.
Если бы ваши руки были одинаковыми, они были бы бесполезны.
Разделение не рана. Дар. Асимметрия — это пространство для действия. Это зазор, в котором танцует жизнь.
ИТОГ ГЛАВЫ 3
Первое: Хиральность — это фундаментальное свойство пространства и материи, при котором объект не может совпасть со своим зеркальным отражением. Кант назвал это «несовместимыми аналогами», доказав, что пространство само по себе имеет структуру и «руку».
Второе: Луи Пастер в 1848 году вручную разделил кристаллы винной кислоты на левые и правые, положив начало стереохимии. Он показал, что химическая идентичность не означает геометрическую идентичность.
Третье: В биологии хиральность имеет фатальное значение. Трагедия талидомида в 1950-х годах доказала, что зеркальная молекула может быть лекарством или ядом. Биологические замки открываются только одной рукой.
Четвертое: Вся известная жизнь гомохиральна. Белки используют только L-аминокислоты, ДНК — только D-сахара. Это великая асимметрия, причина которой до сих пор остается одной из главных загадок науки.
Пятое: В 1956 году эксперимент Цзянсюн Ву с кобальтом-60 доказал нарушение четности в слабых взаимодействиях. Вселенная не зеркально симметрична. У неё есть предпочтительная рука, а зазеркалье является миром антиматерии, где наше существование невозможно.
А теперь — от молекулярного раскола к космическому. От рук человека к рукам Вселенной. Мы увидели, как зеркало ломается на уровне вещества. Но что, если оно ломается на уровне самого времени и заряда? Что, если материя и антиматерия не просто зеркальны, а враждуют?
В следующей главе мы посмотрим на то, как Вселенная сделала свой выбор. И почему мы вообще здесь.
ГЛАВА 4. НАРУШЕНИЕ CP-ИНВАРИАНТНОСТИ. КОГДА ЗЕРКАЛО ВСЕЛЕННОЙ ЛЖЁТ
Закройте глаза.
Представьте абсолютную пустоту. Не темноту. Не тишину. А полное отсутствие чего-либо. Ни пространства, ни времени, ни материи. Ноль.
А теперь представьте, что этот ноль взрывается.
13,8 миллиарда лет назад произошло событие, которое мы называем Большим взрывом. Вся энергия Вселенной была сжата в точку с бесконечной плотностью. И эта точка развернулась.
Энергия начала превращаться в материю. Но физика диктует жестокое правило: энергия не может создать просто материю. Она всегда создает пару. Частицу и античастицу. Электрон и позитрон. Кварк и антикварк.
Два. Пара. Двойственность.
Они рождаются одновременно. Они имеют одинаковую массу. Но противоположные заряды. И когда они встречаются, они уничтожают друг друга. Аннигилируют. Превращаются обратно в чистый свет. В фотоны.
Если бы Вселенная была идеально симметрична, весь этот процесс завершился бы за доли секунды. Вся материя и вся антиматерия столкнулись бы, аннигилировали, и Вселенная наполнилась бы лишь равномерным, остывающим морем излучения.
Никаких звезд. Никаких планет. Никаких галактик. Никаких глаз, которые смотрят на звезды.
Но вы здесь. Вы читаете этот текст. Ваше тело состоит из триллионов триллионов атомов.
Почему материя победила? Почему зеркало Вселенной солгало?
Давайте разберем эту ложь. По слоям. До самого дна.
1. Уравнение Дирака и призрак античастицы. Рождение двойника
1928 год. Кембридж.
Тридцатилетний Поль Дирак сидит в своем кабинете. Он пытается объединить две великие теории начала XX века: квантовую механику Шрёдингера и специальную теорию относительности Эйнштейна. Он хочет получить уравнение, которое описывало бы электрон, летящий с околосветовой скоростью.
Дирак выводит уравнение. Оно красиво. Оно элегантно. Но у него есть фатальный изъян.
Уравнение дает два решения. Одно с положительной энергией. Другое — с отрицательной.
В физике отрицательная энергия — это абсурд. Это как сказать, что у объекта масса меньше нуля. Дирак мучается. Он пытается интерпретировать это. В 1931 году он публикует статью, в которой делает безумное предположение.
«Отрицательная энергия» — это не математическая ошибка. Это предсказание новой частицы. Частицы с массой электрона, но с положительным зарядом.
Он называет это «антиэлектроном». Сегодня мы называем его позитроном.
Дирак не просто добавил новую частицу в каталог. Он перевернул представление о реальности. Он показал, что у всего есть тень. У всего есть двойник.
Математика не лжет. Если уравнение требует существования античастицы, она должна существовать. И в 1932 году Карл Андерсон нашел её в космических лучах.
Но Дирак открыл ящик Пандоры. Если у каждой частицы есть античастица, почему мы не видим их вокруг? Почему стол, на котором лежит эта книга, не аннигилирует с воздухом?
Ответ прост и страшен. Антиматерия почти исчезла. Она была уничтожена. Но не до конца. Остался крошечный осколок. Материя.
2. Троица симметрий. C, P и T. Иллюзия идеального баланса
Чтобы понять, как исчезла антиматерия, нужно понять правила игры.
Физики верили, что Вселенная подчиняется трем фундаментальным симметриям.
Первая — C (Charge conjugation). Зарядовое сопряжение. Если вы замените все частицы на античастицы (поменяете знаки всех зарядов), законы физики не изменятся.
Вторая — P (Parity). Пространственная инверсия. То, о чем мы говорили в прошлой главе. Если вы посмотрите на мир в зеркало, поменяв лево и право, законы физики останутся прежними.
Третья — T (Time reversal). Обращение времени. Если вы прокрутите фильм о физическом процессе задом наперед, законы физики будут работать точно так же.
Эти три симметрии считались священными. Физики верили, что природа идеальна. Что она не делает различий между левым и правым, между прошлым и будущим, между материей и антиматерией.
В 1950-х годах эта вера начала рушиться. Сначала эксперимент Цзянсюн Ву сломал P-симметрию. Мы узнали, что слабое взаимодействие предпочитает левую руку.
Затем физики обнаружили, что слабое взаимодействие нарушает и C-симметрию. Оно по-разному действует на частицы и античастицы.
Но физики нашли утешение. Они объединили C и P. Они создали CP-симметрию.
Логика была железной: если мир нарушает зеркальную симметрию (P), и если он нарушает зарядовую симметрию (C), то, возможно, он сохраняет их комбинацию (CP). Если вы одновременно посмотрите в зеркало И замените материю на антиматерию, законы физики должны остаться неизменными.
CP-симметрия стала последним оплотом идеального баланса.
Они ошибались. Зеркало Вселенной лгало. И ложь эта была спасительной.
3. Странные мезоны и трещина в стекле. Эксперимент Кронина и Фитча
1964 год. Брукхейвенская национальная лаборатория, штат Нью-Йорк.
Два физика, Джеймс Кронин и Вал Фитч, изучают распад нейтральных каонов. Каоны — это нестабильные частицы, содержащие странный кварк. Они рождаются в столкновениях протонов с мишенью и живут ничтожно малые доли секунды.
Существует два типа нейтральных каонов: K-короткий и K-длинный.
K-короткий живет около 90 пикосекунд и распадается на два пи-мезона. K-длинный живет в 600 раз дольше и распадается на три пи-мезона.
Согласно CP-симметрии, K-длинный никогда не должен распадаться на два пи-мезона. Это было бы прямым нарушением правила.
Кронин и Фитч строят детектор. Они создают пучок каонов, ждут, пока все K-короткие распадутся, и оставляют только K-длинные. Затем они смотрят, на что распадаются эти оставшиеся частицы.
Они ожидают увидеть только три пи-мезона.
Но детектор фиксирует нечто иное.
Примерно в 0,2% случаев K-длинный каон распадается на два пи-мезона.
Это была бомба.
CP-симметрия нарушена. Природа не идеальна. В самом фундаментальном уровне реальности, в слабых взаимодействиях, существует крошечный, но неустранимый перекос. Материя и антиматерия ведут себя не совсем одинаково.
Кронин и Фитч получили Нобелевскую премию в 1980 году. Но их открытие оставило физиков в состоянии глубокого шока.
Если CP нарушена, значит, у Вселенной есть предпочтение. Она любит материю чуть больше, чем антиматерию.
Два. Пара. Двойственность. Но пара не равна. Один партнер всегда чуть тяжелее.
4. Условия Сахарова. Три правила рождения мира
1967 год. Москва.
Молодой физик Андрей Сахаров публикует короткую статью в «Письмах в ЖЭТ». Статья называется «Нарушение С-инвариантности, СР-инвариантности и Т-инвариантности и барионная асимметрия Вселенной».
В этой статье Сахаров формулирует три условия, которые должны были быть выполнены в ранней Вселенной, чтобы из первичного бульона энергии осталась материя, а не только свет.
Первое условие: нарушение барионного числа. Должен существовать процесс, который создает больше барионов (протонов, нейтронов), чем антибарионов.
Второе условие: нарушение C- и CP-симметрии. Если бы симметрия сохранялась, любой процесс, создающий лишний барион, создавал бы и лишний антибарион. Баланс бы восстанавливался. Нарушение CP позволяет процессу идти с разной скоростью для материи и антиматерии.
Третье условие: уход от термодинамического равновесия. Если Вселенная находится в равновесии, прямые и обратные реакции компенсируют друг друга. Лишняя материя тут же уничтожалась бы. Нужен был резкий, неравновесный процесс, чтобы «заморозить» избыток материи.
Сахаров показал, что открытие Кронина и Фитча — это не просто курьез физики частиц. Это ключ к нашему существованию.
Без нарушения CP-симметрии второе условие Сахарова не выполняется. Без второго условия нет бариогенезиса. Без бариогенезиса нет нас.
Я утверждаю: нарушение симметрии — это не сбой в программе. Это условие запуска программы.
Разделение не рана. Дар. Асимметрия — это фундамент бытия.
5. B-мезоны и Большой адронный коллайдер. Подтверждение приговора
Физики не успокоились после открытия 1964 года. Они искали нарушение CP в других системах.
В 1999 году лаборатория Ферми (Fermilab) в США и лаборатория DESY в Германии обнаружили нарушение CP в распадах B-мезонов. Тяжелых частиц, содержащих b-кварк.
Но настоящий триумф наступил в XXI веке.
2012 год. ЦЕРН. Большой адронный коллайдер (LHC).
Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty) создан специально для изучения прелестных (beauty) кварков и нарушения CP-симметрии.
Ученые сталкивают протоны на околосветовых скоростях. Рождаются миллиарды B-мезонов. Детекторы размером с многоэтажный дом фиксируют каждый их распад.
LHCb подтверждает: нарушение CP в B-мезонах значительно сильнее, чем в каонах. Более того, они обнаруживают новые каналы распада, где асимметрия между материей и антиматерией достигает нескольких процентов.
Зеркало трескается все сильнее.
Но есть проблема.
Когда физики суммируют все известные источники нарушения CP-симметрии в Стандартной модели, они получают число. Это число показывает, сколько лишней материи должно было остаться после Большого взрыва.
Это число слишком мало.
Стандартная модель предсказывает асимметрию, которая в миллиард раз меньше той, что мы наблюдаем во Вселенной.
Значит, где-то есть еще источник нарушения CP. Что-то, что мы еще не открыли.
Зеркало лжет сильнее, чем мы думаем.
6. Гностицизм и Демиург. Миф о сломанном творце
Физика ищет источник асимметрии в уравнениях. Мифология ищет его в мотивах Творца.
II век нашей эры. Римская империя.
Гностики создают сложную космогонию. Они утверждают, что материальный мир создан не высшим, совершенным Богом, а низшим, несовершенным божеством — Демиургом.
Демиург слеп. Он горд. Он пытается создать идеальный мир, но у него не получается. Его творение несовершенно. В нем есть flaws. Ошибки. Асимметрия. Страдание. Смерть.
В библиотеке Наг-Хаммади, найденной в Египте в 1945 году, в тексте «Апокриф Иоанна» Демиург заявляет: «Я Бог, и нет другого бога, кроме меня». Но он ошибается. Он не знает о высшем, истинном Боге, который находится за пределами его материального творения.
Для гностиков материальный мир — это тюрьма. А его асимметрия, его несовершенство — это доказательство того, что он создан слепым ремесленником.
Я не призываю верить в гностицизм. Но я вижу поразительную параллель.
Современная физика говорит: Вселенная существует только потому, что фундаментальные законы несовершенны. Если бы они были идеальны, симметричны, совершенны — нас бы не было.
Демиург гностиков — это метафора нарушенной CP-симметрии.
Слепой творец, который не смог создать идеальный баланс. И именно эта ошибка, этот сбой, этот «грех» творения позволил возникнуть жизни.
Совершенство есть смерть. Несовершенство есть жизнь.
7. Нейтрино и эксперимент T2K. Новая граница
Где же спрятан недостающий источник нарушения CP?
Физики смотрят на нейтрино.
Нейтрино — самые легкие и самые загадочные частицы. Они почти не взаимодействуют с материей. Триллионы нейтрино от Солнца проходят через ваше тело каждую секунду, не оставляя следа.
В 1998 году эксперимент Super-Kamiokande в Японии доказал, что нейтрино осциллируют. Они меняют свой сорт (аромат) по мере движения. Электронное нейтрино превращается в мюонное, мюонное — в тау-нейтрино.
Это открытие принесло Нобелевскую премию в 2015 году. Оно также доказало, что у нейтрино есть масса.
Но если нейтрино осциллируют, могут ли они нарушать CP-симметрию? Могут ли нейтрино превращаться в антинейтрино с другой вероятностью, чем антинейтрино в нейтрино?
Если да, то это называется лептогенезис. Процесс, который в ранней Вселенной создал избыток лептонов, который затем превратился в избыток барионов.
2020 год. Эксперимент T2K (Tokai to Kamioka) в Японии.
Ученые отправляют пучок мюонных нейтрино из лаборатории J-PARC в Токае через всю Японию к детектору Super-K в Камиоке. Затем они отправляют пучок мюонных антинейтрино по тому же пути.
Результаты шокируют.
Нейтрино осциллируют чаще, чем антинейтрино.
Статистическая значимость пока не достигает жестких 5 сигма (стандарт открытия в физике), но тенденция ясна. Нарушение CP в нейтринном секторе существует.
Возможно, именно нейтрино — те самые слепые творцы, которые создали материальную Вселенную.
Два. Пара. Двойственность. Нейтрино и антинейтрино. Но танцуют они по-разному.
8. Стрела времени и теорема CPT. Цена за существование
Нарушение CP-симметрии имеет еще одно, глубинное следствие. Оно связано со временем.
В 1950-х годах Вольфганг Паули и Герхард Людерс доказали фундаментальную теорему. Теорему CPT.
Она гласит: любая локальная квантовая теория поля, подчиняющаяся специальной теории относительности, должна быть инвариантна относительно одновременного применения C, P и T.
Если вы замените частицы на античастицы (C), посмотрите в зеркало (P) И прокрутите время назад (T), законы физики останутся абсолютно неизменными.
Это аксиома. Это фундамент.
Но мы знаем, что CP нарушена.
Чтобы теорема CPT оставалась верной, если CP нарушена, должна быть нарушена и T-симметрия. Обращение времени.
Это означает, что на фундаментальном уровне микроскопические процессы необратимы.
Стрела времени — это не просто иллюзия, возникающая из-за роста энтропии в макроскопических системах (как считал Людвиг Больцман). Стрела времени вшита в сами законы физики элементарных частиц.