Зеркальный мир - Вернер Гильде

Математик Герман Вейль (1885-1955) рассмотрел (1929 г.), как будет вести себя элементарная частица, движущаяся в пространстве со скоростью, равной или близкой скорости света, и вместе с тем обладающая спином. Приняв в качестве модели вращающийся шар и следя за одной точкой на его поверхности, Вейль нашел, что эта точка прочертит в пространстве либо право-, либо левостороннюю винтовую линию, то есть спираль.

Пока наблюдатель стоит (или передвигается, но медленнее, чем «летит» шар), он видит приближение этой спирали, ее прохождение мимо него и наконец удаление при той же ориентации вплоть до исчезновения. Что произойдет, однако, если наблюдатель движется быстрее, чем частица? Подобные вопросы, затрагивающие относительные скорости двух движущихся тел, играют в теории Эйнштейна существенную роль.

Допустим (вместе с Вейлем), что для покоящегося наблюдателя частица имеет правый спин; тогда движущийся наблюдатель, летящий со сверхсветовой скоростью, увидит у той же частицы левый спин. Моделью сказанного может служить железнодорожный поезд, незаметно трогающийся с места. Глядя в окно, вы видите, что отъехал, и притом в обратном направлении, поезд, стоявший на соседнем пути. Но возможно ли в действительности наблюдение над спином, подобное тому, которое мы только что допустили? Нет! Ибо, согласно теории относительности, скоростей, превышающих скорость света, не бывает. Так что, если мы определили у выбранной Вейлем частицы правую спираль, то она и должна быть правой спиралью. И наоборот, если наблюдалась левая спираль, то она и есть левая спираль. Профессор Вейль просчитал все варианты этой задачи. Он полагал, что, уже исходя из одних только соображений симметрии, должны существовать частицы без массы с левыми или правыми спиралями. Но в ту пору еще не знали частиц, которые могли бы обладать теми свойствами, какие приписал им профессор Вейль. Поэтому его соображения не вызвали большого интереса. В последующие годы физики-атомщики совершили необычное открытие. Они обнаружили в атомных ядрах частицу, не несущую электрического заряда. Назвали ее нейтроном. При распаде нейтрона возникали положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. С сохранением заряда все было в порядке. Но точные измерения показали, что закон сохранения энергии и массы не выполняется.

После того как было установлено, что возможность ошибки измерения тут исключена, встал вопрос о нарушении в этом процессе закона сохранения энергии и массы. Но такого положения ни в коем случае нельзя было допустить, ибо это значило бы объявить несостоятельной всю физику. В качестве «временного выхода» физики приняли, что в процессе распада нейтрона участвует элементарная частица с особыми свойствами. Во-первых, у нее не должно было быть массы покоя. Во-вторых, она должна была иметь нулевой электрический заряд.

Энрико Ферми (1901-1954) дал этой частице подходящее название - нейтрино - то есть маленькая нейтральная частица. Тем временем физики доказали существование нейтрино, а с 1956 г. они получают такие частицы в своих ядерных реакторах. Поразительна сама идея о том, что есть частица (теперь их стало несколько), не имеющая ни инертной массы, ни заряда, которой свойственно только «вращение», - спин.

Вопрос - что же, собственно, в таком случае «вращается» - начисто лишен смысла. Ведь наши шары или стрелки на бумаге (см. рисунок) суть только наглядные модели.

Английский математик Чарлз Л. Додсон (1832-1898), широко известный как Льюис Кэрролл, автор знаменитой «Алисы в Стране Чудес», придумал в своей сказке кота, который умел улыбаться. Мало того, этот Чеширский кот исчезал, но его улыбка оставалась. Так вот, улыбка без кота очень напоминает «вращение» при отсутствии массы и заряда.

В предыдущем разделе мы уже говорили о распаде π+ -мезона. Одним из продуктов его распада и является нейтрино. Согласно теории профессора Ли, при распаде π+ -мезона рождаются только нейтрино с правым спином и никогда не возникают нейтрино, имеющие левый спин (антинейтрино). В «антимире» все, разумеется, происходит наоборот.

Пространство, заполненное нейтрино с их направлением движения и с их спином, однозначно обнаруживает правостороннюю структуру (Считается, что на долю нейтрино приходится основная масса материи во Вселенной. - Прим. перев). Многие физики предполагают, что это явление как-то связано с тем, что наш мир изогнут или искривлен или по крайней мере обладает каким-то иным строением, нежели то, которое мы «видим» своими глазами. Именно такие мысли, должно быть, приходили в голову профессору Вейлю, когда он изучал с помощью теории относительности движение частиц со спином.

Нейтрино столь слабо взаимодействуют с другими частицами, что они беспрепятственно проходят сквозь твердые тела и толщу земли. Поэтому места регистрации нейтрино располагаются в рудниках, глубоко под землей. Все другие элементарные частицы застревают в защитном слое горных пород толщиной в несколько сотен или тысяч метров. И только нейтрино в состоянии проникнуть на такую глубину практически беспрепятственно.

За прошедшие годы было открыто еще два новых вида нейтрино. Вследствие этого симметрия пространства становится еще более запутанной.

ОТРАЖЕННЫЙ СПИН

Нужно сразу же подчеркнуть, что «действительность» отличается от ее описания в данном разделе в такой же мере, в какой модель атома Бора не похожа на действительное строение атома. Пока мы не теряем этого из виду, такой метод является вполне допустимым и научным.

Итак, представим себе, что мы присутствуем при научном эксперименте. Но каким образом можно понять, действительно ли мы наблюдаем эксперимент или же видим только его зеркальное отражение? Оказывается, никаким. Однако в результате эксперимента ученый выводит некое математическое уравнение. И в этом случае совершенно безразлично, использовал ли он для своего вывода оригинальный опыт или же его отражение. Мы ведь указываем в математике положение тела в пространстве, задавая координаты точек х, у и z. Тогда отраженные пространственные координаты были бы -х, -у и -z.

Пусть в этих «положительных» и «отрицательных» пространствах вращаются поочередно цилиндр и конус. Впрочем, в разделе «Двух одинаковых яиц не бывает» мы уже крутили конус на горизонтально лежащем зеркале. Там его отражение было перевернуто («стояло на голове») и вращалось в том же направлении, что и оригинал, а в вертикально поставленном зеркале - в противоположную сторону. При переходе из «положительного» пространства в «отрицательное» конус как бы испытает оба отражения, т. е. он одновременно перевернется «вниз головой» и изменит направление вращения на обратное. Цилиндр же, претерпев такое отражение, будет выглядеть подобно оригиналу, ибо у цилиндра в противоположность конусу верх неотличим от низа; только вращение будет происходить в обратную сторону.

Быть может, мы поступим правильно, еще раз напомнив, сколь малы элементарные частицы, о которых мы здесь образно говорим как о шарах, конусах и цилиндрах. Атом имеет диаметр порядка 10-8см; атомное ядро составляет его 1/10 000-ную долю, т. е. диаметр ядра имеет 10-12см. Частицы же, из которых построено ядро, еще в 100 раз мельче: их диаметр 10-14см.

Физики Янг и Ли (о них уже рассказывалось выше) в результате теоретических расчетов пришли к выводу, что при распаде одной из элементарных частиц, называемой к -мезоном, у продуктов распада должна проявиться определенная ориентация спина, то есть разная частота появления правых и левых спинов.

У π+ -мезона спин равен нулю. Когда такой мезон распадается, оба продукта его распада должны иметь один-правый спин, другой - левый спин [+ 1/2 + (- 1/2) = 0]. До Янга и Ли считалось, что любая из основных элементарных частиц вольна вращаться в любом - безразлично, правом или левом - направлении. Теперь ориентация спина была заранее предопределена теорией для каждой частицы.

Ввиду того что вращающиеся носители электрического заряда индуцируют вокруг себя магнитное поле, становится возможным также повлиять на направление их вращения путем приложения магнитных полей. Именно это и было сделано в эксперименте г-жи Bу, о котором мы писали выше.

Зеркально-симметричное движение, возможное в соответствии с (ложной или устаревшей) теорией, в природе не происходит! Благодаря этому нам удается с помощью такого опыта различать левую и правую стороны. Единственная необходимая предпосылка заключается в том, что получатель нашего послания живет в пределах обычной материи, а не антиматерии. Ведь у нас есть две возможности отражения: обращение направления вращения и перемена знаков заряда частиц. Существует античастица π+ -мезона - π- -мезон. Этот π- -мезон при своем распаде предпочитает другие направления спинов для возникающих продуктов деления.