Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира - Крис Макманус
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Между тем представление о сохранении четности отнюдь не было нелепостью. Физика признает в природе четыре очень разных типа взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное, – и для трех из них, электромагнитного, сильного и гравитационного, существовали явные признаки сохранения четности. Поэтому, когда два молодых американских физика китайского происхождения Ли Чжэндао и Янг Чжэньнин в октябре 1956 года опубликовали теоретическую работу, в которой предположили, что для слабых взаимодействий четность может не сохраняться, и предложили проверить это экспериментально, они столкнулись с волной скептицизма, несмотря на то что само предположение основывалось на обнаруженных Янгом и Ли аномалиях в более ранних данных. Убедить Национальное бюро стандартов в Вашингтоне провести эксперимент было непросто, поскольку в Бюро были убеждены, что это пустая трата времени, и эксперимент лишь неизбежно подтвердит сохранение четности. И теоретики в Бюро были не одиноки – одним из классических примеров верности теории, о которых ученые впоследствии сожалели, стало письмо, присланное из Цюриха знаменитым физиком-теоретиком, нобелевским лауреатом Вольфгангом Паули: «Я не верю, что Господь – левша, и готов поставить кругленькую сумму на то, что эксперимент покажет симметричные результаты». Неизвестно, сделал ли он ставку на самом деле, но если и сделал, то проиграл[200].
В эксперименте использовался радиоактивный кобальт-60. В ходе бета-распада он испускает электрон и неуловимую элементарную частицу – нейтрино. Атомы кобальта вращаются примерно так, как вращается Земля, а потому можно говорить о «северном» и «южном» полюсах, хотя определяются они произвольно. Если атомы кобальта в сильном электромагнитном поле охладить почти до абсолютного нуля, они выстроятся так, что вращаться будут в одном направлении (например, по часовой стрелке, если смотреть сверху). Они продолжат испускать электроны, но ключевой вопрос – в каком направлении. Сохранение четности предполагает, что в обоих направлениях, северном и южном. Если бы это было не так, то в зеркальном отображении картина эксперимента выглядела бы иначе, точно так же, как отличается отражение штопора в зеркале, и система не сохраняла бы положительную четность. Но это требовалось доказать. Если с «юга» электронов испускалось бы больше, чем с «севера», значит, четность не сохранялась. Электроны, как выяснилось, закручены влево. Паули называл эксперимент «весьма сенсационным», и результаты опыта за несколько дней облетели весь мир физики. Нобелевский комитет согласился с Паули и признал открытие, удостоив в 1957 году Янга и Ли Нобелевской премии по физике[201].
Людям, далеким от науки, значение открытия Янга и Ли хорошо объясняет пакистанский физик Абдус Салам, сам ставший нобелевским лауреатом в 1979 году. В письме к другу, филологу-классику, он рассказывает, почему результаты опыта так всех взволновали:
«Я спросил его, упоминали ли античные авторы о гигантах лишь с одним левым глазом. Конечно, упоминали, и он предоставил мне полный их список, но у всех, как у Циклопа в гомеровской «Одиссее», единственный глаз был в середине лба. А я полагаю, мы обнаружили, что вселенная – гигант, слепой на левый глаз».
Следствия несохранения четности разнообразны – вплоть до преобладания галактик, закрученных влево, а не вправо. Это позволяет решить и Проблему Озма, о которой речь шла в третьей главе: как объяснить пришельцу из дальнего космоса, какая из двух перчаток – левая. Решение просто, если в наличии есть оборудование, позволяющее увидеть движение множества электронов – большинство из которых в основном закручены влево, а еще лучше – нейтрино, которые закручены влево все до единого – как заметил физик Отто Фриш, нейтрино летит, словно пуля из винтовки с левой нарезкой ствола. Как только возникнет понимание, что левое соответствует направлению вращения нейтрино, так тут же и решится вопрос о том, какую перчатку считать левой. Итак, почти через двести лет после эссе Канта 1768 года Проблема Озма поучила решение в 1957-м[202].
Реальная сложность, однако, состоит в том, можно ли асимметрией слабых взаимодействий объяснить и биологическое преобладание L-аминокислот и D-углеводов. Вскоре после эксперимента Ву Джон Холдейн отметил, что предположение Пастера об асимметричности живого может отражать асимметричность самой Вселенной. Не в этом ли все дело? Может ли существовать связь между спином элементарных частиц и формами углеводов и аминокислот? Действительно, многие физики-теоретики и химики предполагали подобное и проводили немало опытов, хотя в целом и не слишком успешных: эффекты были либо очень малы и оказывались за пределом чувствительности, либо их не удавалось в полной мере воспроизвести в аналогичных экспериментах. Проблему легко понять, если принять во внимание ее численную составляющую[203].
С 1957 года теория подчеркивала, что хотя L- и D-аминокислоты похожи как в зеркале, они не являются точным зеркальным отражением друг друга, поскольку электроны в них в основном имеют левый спин. Таким образом, физические свойства D- и L-аминокислот несколько различны, в частности D-аминокислоты менее стабильны и легче разрушаются. Это означало, что в конечном счете возникнет преобладание L-аминокислот. Если этот процесс мог как-то усилиться, то и все живые организмы должны были бы полностью состоять из L-аминокислот. Это заманчивая теория, и несколько теоретиков усиленно искали доводы в ее пользу. Их вычисления показали, что преобладание L-аминокислот возникло бы обязательно, но соотношение оказалось крайне мало – около 1 на 1017. Чтобы понять, сколь малая это величина (1 часть на 100 000 000 000 000 000), вспомните, что длина окружности земного шара – около 40 тысяч километров. Если увеличить ее на 1/1017, она удлинится на полумиллионную долю миллиметра – около 4 ангстрем – на диаметр всего лишь пары атомов. То есть на крошечную величину. Если подойти к проблеме с этой стороны, трудно поверить, что столь незначительное преобладание атомов может иметь какие-то реальные биологические следствия[204].
Важно, что столь малый эффект требует усиления. Одна из возможностей – так называемая положительная обратная связь – то, что многие могут наблюдать, если электрогитара или микрофон оказываются перед динамиком. Микрофон улавливает тихий звук, который затем несколько усиливается динамиком, так что микрофон улавливает чуть более громкий звук из динамика, который снова усиливается динамиком, и так далее, пока почти сразу все не заглушит воющий звук на максимальной громкости. Подобным образом в химических системах могут усиливаться первоначально очень слабые различия. Не исключено, что какие-то первоначальные химические реакции D-форм веществ подавляют
