Этот правый, левый мир

Глава 24. Мистер Сплит

Когда электрон сталкивается с позитроном, массы двух частиц исчезают во вспышке излучения. В гл. 21 мы видели, как Дирак в свое время объяснил это явление (так же как и обратное ему «рождение» электрон-позитронной пары) в рамках «дырочной» теории. Частица, вырванная из плотного континуума, оставляет на своем прежнем месте «дырку», которая и является ее античастицей. Если частица вновь попадает в «дырку», пара частиц исчезает. Сравнительно недавно (в майском номере журнала «Сайентифик Америкен» за 1963 год; см. также «Над чем думают физики», вып. 3, стр. 122—139) в блестящей статье «Эволюция физической картины природы» Дирак предложил несколько иную версию. Он сравнил электрон и позитрон с двумя концами электромагнитной силовой линии. Направление этой линии служит для различения ее концов. Столкновению позитрона с электроном соответствует соединение полюсового конца одной линии с минусовым концом другой. Концы линии (электрон и позитрон) исчезают, остается лишь сама силовая линия. Сходным образом при разрыве силовой линии происходит образование положительного и отрицательного концов (рождение пары).

Такого рода картины не следует, конечно, понимать буквально; они только вызывают к жизни новые теоретические представления, которые должны быть затем математически разработаны и проверены экспериментально. Они являются попыткой осмысления природы электрического заряда — величайшей загадки современной квантовой теории. В самом деле, никто не может толком объяснить, что отличает положительный заряд от отрицательного, почему заряд всегда кратен элементарному кванту, почему сила единицы положительного электричества в точности равна силе единицы отрицательного заряда и т. д. Все эти проблемы, по-видимому, как-то связаны с рождением и аннигиляцией пары частица — античастица.

Возможен ли механизм, способный объяснить существование положительного и отрицательного зарядов в терминах правой и левой ориентации? Оказывается, да, и не один. Довольно легко предложить много простых механизмов такого рода. Несколько лет назад я прочел в газете, что в Лондоне предложено построить мост через Ла-Манш, который связал бы Англию с Францией.

Так как в Англии движение левостороннее, а во Франции правостороннее, мне сразу же представилась картина, похожая на столкновение частиц с античастицами. В самом деле, автомобильное движение на таком мосту мгновенно закупорилось бы намертво! Еще лучшей моделью аннигиляции является встреча двух дымовых колец с противоположными вихревыми движениями. Кольцевые вихри погасят друг друга, и обо структуры распадутся.

Хорошую геометрическую картину образования и аннигиляции пар дает равносторонний треугольник. Это, конечно, симметричная фигура — она совпадает со своим зеркальным изображением. Разделите ее пополам перпендикуляром, опущенным из вершины (рис. 64), и вы станете свидетелем образования пары асимметричных прямоугольных треугольников, которые на плоскости никак не удается совместить друг с другом, если только один из них не перевернуть предварительно в трехмерном пространстве. Приложите эти два «антиориентированных» треугольника друг к другу. Пара треугольников «геометрически аннигилирует» с образованием исходного правильного треугольника.

Теперь представьте себе, что плоское двумерное пространство сплошь покрыто маленькими треугольниками; некоторые из них правильные, а остальные являются правыми и левыми частями этих правильных треугольников. Эта модель удивительно напоминает ситуацию с положительным и отрицательным зарядами во Вселенной. Закон сохранения заряда, отклонений от которого еще никто не наблюдал, утверждает, что полное количество заряда во Вселенной неизменно. В нашей модели это означает следующее. Пусть у нас было 1000 «нейтральных» равносторонних треугольников, 500 «отрицательных» (правых) и 200 «положительных» (левых) половинок таких треугольников. Правых половинок на 300 больше, чем левых. Мы можем разделить на половинки сколько угодно «нейтральных» треугольников или объединить сколько угодно правых и левых половинок, но, поскольку мы и создаем и уничтожаем одновременно пару треугольников противоположного знака, в любом случае правых половинок будет на 300 больше, чем левых. Полный заряд системы сохраняется.

Затейливый пример той же самой ситуации в обычном 3-пространстве приводится в малоизвестной детской книжке Фрэнка Бома «Dot and Tot of Merryland» (George M. Hill, 1901). Шестая долина страны Мэриленд (Merryland — Веселая страна, англ.) населена заводными игрушками — животными, автомобилями и т, п. Надсмотрщик мистер Сплит (split — расщепление) следит за тем, чтобы все игрушки были заведены. У мистера Сплита столько работы, что, когда ему трудно, он разрывается пополам, и его одноногие половины продолжают, независимо друг от друга заводить игрушки. Ярко-красный мистер Сплит-левый может говорить лишь первые (левые) половины слов. Белый мистер Сплит-правый произносит лишь последние (правые) половины слов. Мистер Сплит говорит нормально, только когда его дольки соединяются. «Никто в мире не делает так много, — говорит королева страны Мэриленд, — как наш мистер Сплит».

Если положительные и отрицательные заряды мы сопоставим с половинами бесчисленных мистеров Сплитов, то опять обнаружим аналогию с сохранением заряда[60].

Фокусники знают много трюков с бечевками, шнурками и носовыми платками (скрученными наподобие веревки), которые являются занимательными примерами взаимного уничтожения при встрече правого и левого. Большей частью в таких фокусах используются правые и левые спирали. Чарльз Говард Хинтон, несколько эксцентричный американский математик, описывает один такой фокус в целях иллюстрации своей теории положительного и отрицательного зарядов. В первой части книги «Картина нашей Вселенной» он сравнивает положительный и отрицательный заряды с двумя сказочными ирландскими кошками, которые однажды решили, что на свете вполне достаточно одной кошки, и, сцепившись намертво, терзали друг друга до тех пор, пока от «обеих не осталось ничего, кроме когтей и кончиков хвостов». «Нетрудно изготовить, — писал Хинтон, — модель этой схватки. Пусть виток веревки символизирует такую кошку...»

Третья модель сохранения заряда Хинтона представляет собой веревку, намотанную на палку так, как показано на рис. 65. Сначала обмотайте веревку несколько раз вокруг палки, затем прижмите ее к палке большим пальцем левой руки и продолжайте наматывать, но в другом направлении. Остановитесь, сделав столько витков в этом направлении, сколько раньше вы сделали в противоположном. Если теперь вы освободите середину веревки, прижатую к палке, и потянете за оба свешивающихся по краям конца, то веревка свободно соскользнет с палки. Каждая из двух веревочных спиралей и есть модель той самой кошки. Схватка соответствует тому моменту, когда, вы потянули за свободные концы веревки. Поскольку направления намотки спиралей были противоположными, они уничтожают ДРУГ Друга.

«Моя механическая концепция предполагает, — говорит Хинтон, — реальность образований типа спиральных витков. Допустим, что наряду с каждым витком каким-либо образом образуется зеркально сопряженный виток. Виток и его зеркальный двойник могут существовать порознь, но при их совмещении происходит взаимная аннигиляция. Имея в виду такую аналогию, рассмотрим область явлений, которые называют электрическими». И Хинтон переходит к интерпретации столкновения двух противоположных зарядов. Каждый заряд описывается как волновое движение спирального характера, но это винтовое закручивание происходит не в обычном трехмерном пространстве, а в неком пространстве более высокого порядка. Положительно заряженная частица каким-то неведомым нам образом оказывается зеркальным отображением отрицательной частицы. В рассматриваемом пространстве она обладает моментом количества движения; поэтому в соответствии с законом сохранения этой величины образование заряженной частицы должно сопровождаться рождением ее зеркального двойника.

«Никакое тело не может начать двигаться в каком-либо направлении без того, чтобы сообщить такое же количество движения другому телу, но в противоположном направлении, — пишет Хинтон, — например движение снаряда при выстреле сопровождается отдачей орудия». Точно также невозможно сообщить частице вращения, не раскрутив другие частицы в противоположном направлении.

Если принять, что макроскопические тела состоят из микроскопических заряженных частиц, то зеркальное отображение тела эквивалентно «зарядовому сопряжению», как говорят физики, то есть замене всех знаков заряженных частиц на противоположные. Позвольте мне полностью процитировать замечательные слова Xинтона:

«Рассмотрим спиральный виток и его зеркальное отображение. Это—простой, зачаточный тип организма. То, что справедливо для них, выполняется и для более сложных структур. В самом деле, если какая-то структура, по видимости ничем не похожая на спираль и даже весьма неоднородная, встречается с „зеркальной“ структурой, то они мгновенно „разматывают“ друг друга, и то, что только что было сложно составленным целым, противоположным своему зеркальному двойнику, превращается в груду бесформенных частиц. Вспышка света — и все кончено.

Чтобы как следует понять, что это должно означать, представим себе, что в мире для каждого человека имеется соответствующий ему „противочеловек“ —-внешне точная его копия с той разницей, что правая рука соответствует левой руке оригинала, совсем как в зеркале.

И когда человек встречает своего двойника, происходит яркая вспышка, и два человеческих существа, „размотав“ друг друга, исчезают в вихре, не оставив после себя ничего, кроме бесформенной груды частиц».

Теллер встречает Антителлера!

Учтем, что Хинтон имел в виду положительный и отрицательный заряды, а вовсе не частицы и античастицы (понятие антиматерии появилось много десятилетий спустя!). Тем не менее его слова оказались пророческими. Когда происходит взаимная аннигиляция нейтрино и антинейтрино, имеет место что-то очень похожее на хинтоновский трюк с веревкой. Поскольку в каждом слабом взаимодействии участвует нейтрино или антинейтрино, то естественно возникает вопрос: а не обязаны ли каким-то образом все наблюдавшиеся до сих пор случаи нарушения четности асимметричной структуре нейтрино? Не играют ли нейтрино роль повивальных бабок рождающихся электронов, указывая им, куда лететь и в какую сторону вращаться? Или же сюда замешана более фундаментальная асимметрия, как-то связанная с электрическим зарядом?

Хинтоновская теория положительного и отрицательного электричества не так уж необычна, как может показаться с первого взгляда. Уже в 1921 году немецкий физик Теодор Калуза разработал аппарат пятимерной теории относительности. Пятью годами позже Оскар Клейн, работавший тогда в Стокгольме, обобщил теорию Калузы таким образом, что смог предложить объяснение положительного и отрицательного зарядов, поразительно напоминавшее картину, предложенную Хинтоном.

Теорию Клейна невозможно полностью изложить без привлечения математических уравнений, но в общих чертах она сводится к следующему. В дополнение к обычным четырем измерениям ортодоксальной теории относительности (три — пространственных и одно — временно́е) вводится пятое, по своему характеру тоже пространственное. Это пятое измерение, искривляясь, замыкается на себя подобно поверхности цилиндра, вернее, невероятно тонкой нити поскольку радиус кривизны гораздо меньше радиуса атома. (По оценкам Клейна, он составляет 10^–30 сантиметров, то есть 1/1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 долю сантиметра!) Движение макроскопических объектов происходит в рамках четырехмерного пространства-времени, но элементарные частицы обладают, как говорят физики, «дополнительной степенью свободы»; мы можем считать, что они обладают способностью перемещаться вдоль пятой координаты в ту или другую сторону. При движении в одну сторону они заряжены положительно; противоположному направлению движения соответствует отрицательный знак заряда.

Нейтральные частицы движутся в четырехмерном пространстве по геодезическим линиям (геодезическая линия — кратчайший возможный путь между двумя данными точками). Движение заряженных частиц можно представить себе происходящим вдоль спиральных геодезических линий пятимерного пространства. Две разноименно заряженные частицы перед столкновением имеют противоположные спиральности своих пятимерных «мировых линий», поэтому при встрече их моменты вращения (в пятимерном пространстве! — Ред.), направленные навстречу друг другу, взаимно уничтожаются — заряды исчезают. Аналогично, когда нейтральная частица приобретает заряд, ее вращательный момент вследствие отдачи сообщает момент противоположного знака другой частице. В итоге при разделении двух разноименно заряженных частиц в пятимерном пространстве возникают две винтовые мировые линии противоположной спиральности.

Позвольте мне мельком упомянуть, что теория Клейна не получила широкого признания, хотя и была предметом оживленного обсуждения в конце двадцатых ходов. Некоторое время ею интересовался и Эйнштейн, но в конце концов отверг ее. Я остановился здесь на ней с единственной целью — отметить, что весьма простая картина, предложенная Хинтоном, может быть соответствующим образом разработана и снабжена достаточно солидным математическим аппаратом. Такого рода релятивистских полевых теорий, трактующих положительные и отрицательные заряды, как энантиоморфные двойники, было предложено довольно много (например, развитая Артуром Эддингтоном в 1936 году «Теория относительности протонов и электронов»). Однако до сих пор ни одна из них не была признана удовлетворительной.

Нейтрино и антинейтрино — настоящие зеркальные копии друг друга. Может быть, и любая частица вследствие неизвестных нам свойств пространства и времени, не проявляющихся на макроскопическом уровне, является зеркальным отображением своей античастицы? Не является ли антивещество вплоть до мельчайших деталей своего строения не чем иным, как обычным веществом, но зеркально обращенным, подобно изображению предмета в зеркале?

Ни один из физиков не пожелает сказать твердое «да» в ответ на эти вопросы. Однако аргументы в пользу такого предложения существуют. После 1957 года в ряде работ по нарушению четности было установлено, что при изменении знака всех зарядов выделенное направление меняется на обратное. Представим себе, что в помещении, где проводился эксперимент мадам By, на стене было укреплено большое зеркало. Выделенное направление, обнаруженное в эксперименте, обращалось зеркалом (в самом опыте By электроны вылетают из «южной» половины ядра кобальта, а в «за-зеркальном» варианте — из «северной»), картина эксперимента не совпадает с ее зеркальным изображением. Но если мы вообразим, что в «Зазеркалье» госпожа Антиву ставит такой же эксперимент с оборудованием из антивещества, то в этом эксперименте антиэлектроны (позитроны) будут вылетать иначе (снова из «южной» половины ядра). Симметричность основных законов природы восстанавливается.

Ян объясняет все это следующим образом. Если под отображением в зеркале понимать изменение правого на левое (и наоборот) плюс изменение знака заряда, то симметричность сохраняется. Это сохранение симметричности при двойной инверсии (пространственной и зарядовой) отмечалось также Евгением Вигнером в Принстоне и Л. Д. Ландау в СССР. Безусловно, как отмечает Ян, такое объяснение ничего не говорит нам о том, почему добавление зарядовой инверсии к пространственной инверсии восстанавливает симметрию.

Если — и это гигантское «если» — все различие между положительным и отрицательным зарядом сведется в некотором роде просто к различию левого и правого, как предполагал Хинтон, то новый тип отображения, предложенный Яном, окажется общеизвестным обычным зеркальным отображением. «Легко видеть, — пишет Ландау, — что взаимодействия, инвариантные относительно комбинированной инверсии, оставляют пространство совершенно симметричным, и лишь электрические заряды будут асимметричными. Эта асимметрия влияет на структуру пространства не в большей мере, чем химическая стереоизомерия».

Если антивещество — это обычное вещество, но «отображенное в зеркале», то на вопрос Алисы: «Годится ли зазеркальное молоко для питья?» — мы должны поспешно ответить: «Нет!». Такое молоко при одном прикосновении к нему вызовет взрыв, превосходящий взрыв водородной бомбы. Несчастный мистер Платтнер X. Г. Уэллса, перевернувшийся в 4-пространстве, при своем появлении в этом мире немедленно погиб бы. Астронавтам в моей повести, упоминавшейся выше, не понадобилось бы никакой проверки четности, чтобы определить, подверглись ли они зеркальному преобразованию: если бы это было так, они немедленно взорвались бы при попытке высадиться на планете.

Здесь мне хочется предостеречь интересующегося читателя от почти неизбежного соблазна «открытия» новых теорий «зеркально отображенной» антиматерии. Такие наивные теории создать очень несложно. Скажем, стоит вам только представить себе прецессию оси вращения сферической частицы, как вы получаете схему, в которой различаются четыре типа вращения: первый — направление прецессии совпадает с направлением вращения, второй — они противоположны и третий и четвертый — зеркальные изображения этих картин. Соответствуют ли эти случаи четырем типам нейтрино? Ответ состоит в безоговорочном «нет». Квантовая механика здесь отвергает аналогию с вращающейся сферой, и в данном случае ломать голову над тем, перед чем отступили опытные теоретики, означает попусту тратить время.

Как обрадовался бы Пастер, если бы узнал о ниспровержении закона четности! Как мы видели в гл. 16, он интуитивно чувствовал, что фундаментальная асимметрия пронизывает всю структуру Вселенной, и потратил много лет на попытки доказать это. Современные биохимики считают, что асимметрия органических молекул может быть объяснена гораздо проще. Такие простые, более правдоподобные объяснения существуют, и они обходятся без ссылок на асимметричность элементарных частиц или закрученность самого пространства. Тем не менее нельзя совсем сбрасывать со счетов возможность того, что причины, обусловливающие асимметричность слабых взаимодействий, могут играть определенную роль и в образовании простейших органических соединений. Может быть, освоение в недалеком будущем других планет поможет решению этого вопроса. Если, например, космонавты обнаружат на Марсе правые аминокислоты (а не левые, как на Земле), то будет трудно поверить в то, что асимметричность элементарных частиц определяет структуру органических молекул.

При обсуждении двух возможных объяснений неравноправности левого и правого в слабых взаимодействиях — гипотезы закрученного пространства и предположения о «закрученности» частиц — могло сложиться впечатление, что эти возможности взаимоисключающие. Это не обязательно так. Пространство может быть анизотропным, а это в свою очередь может обусловливать асимметричное строение частиц и определять природу положительного и отрицательного зарядов. Если это так и если «спиральность» пространства во всей Вселенной одинакова, то, быть может, античастицы движутся, так сказать, «против микроструктуры» пространства, поэтому их существование затруднено. В таком закрученном пространстве-времени антиматерия совершенно нестабильна. Поэтому существование антигалактик исключено. Повсюду во Вселенной материя имеет одну и ту же спиральность.

Большинство физиков, возможно, лишь вследствие привычки к симметрии на макроскопическом уровне считают гипотезу строения Вселенной, в которой все одинаково закручено, неудовлетворительной и неизящной. Одним из наиболее притягательных аспектов изотропности пространства является возможность Существования антигалактик. Отметим: изотропность только допускает, но не гарантирует существование антигалактик. По каким-то не известным нам эволюционным причинам галактики могут оказаться, как аминокислоты на Земле, все одной природы, хотя теоретически возможны два вида.

Здесь вопрос об антигалактиках тесно соприкасается с космологическими теориями происхождения Вселенной. Обе конкурирующие теории — «Большой взрыв» и «Стационарная Вселенная» — допускают любую точку зрения на существование антигалактик: они могут существовать, а могут и отсутствовать.

Для сохранения идеи общей симметрии Вселенной делаются самые невероятные предположения. Морис Гольдгабер, директор Брукхейвенской национальной лаборатории, еще в 1956 году (до открытия несохранения четности) выдвинул гипотезу о том, что некогда, в начале всех времен, существовал некий первобытный «универсон», который затем расщепился, подобно мистеру Сплиту Фрэнка Баума на «космон» и «антикосмон», разлетевшиеся с огромной скоростью[61].

Мы живем в космоне. Где-то очень далеко, быть может, за пределами наших возможностей наблюдения, существует обширный антикосмон, где все иначе. И весь мир — это огромный, невообразимый, никогда не воссоединимый мистер Сплит!