Текст книги "Зеркальный мир"
Автор книги: Вернер Гильде
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 12 страниц)
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.
Представлен ли портрет профессора Ли в отраженном виде? Или он только писал левой рукой и зеркальным шрифтом? Обратите внимание на пуговицы его костюма
Сравнив между собой рисунки, изображающие распад обоих мезонов, мы увидим, что в «антимире» направление спина у продуктов распада должно было бы быть таким же, как в случае зеркального отражения процесса распада в нашем мире. Симметрия вновь восстанавливается, если только рассмотреть достаточно большой участок Вселенной и принять во внимание существование античастиц.
Таким образом, симметрия мира, нарушаемая на расстояниях порядка 10-14 см, вновь восстанавливается в масштабах 1025 см. Расстояние порядка 1025 см примерно соответствует самому большому удалению, на котором наиболее мощные телескопы еще способны различать миры как раз того же размера, что и наш Млечный Путь.
Не станем умалчивать о том, что, как полагают физики, они тем временем обнаружили еще один случай распада элементарной частицы, который позволяет различать действительное и зеркальное изображения. Но в настоящее время этот вопрос представляет собой еще широкое поле для исследования.
Взгляните на интересный фотопортрет профессора Ли. Он демонстрирует не только сияющую улыбку, но и некоторые странности: мел у него в левой руке, а уравнения, относящиеся к распаду π+ -мезона, написаны на доске зеркальным шрифтом. Возникает вопрос: не левша ли профессор Ли и не вынуждены ли его студенты читать все написанное им с помощью зеркала? Или перед нами просто зеркальный снимок? Если вы не разберетесь в этом с первого взгляда, одна маленькая подсказка: присмотритесь к профессорскому пиджаку. Читательницы теперь сразу поймут, истинная перед ними фотография или зеркальная. Но мужчинам придется пояснить. Пиджак профессора застегнут «правильно»: так же, как застегиваются все мужские пиджаки. Пуговицы расположены на правом его борту, а петли – на левом. Следовательно, мы видим фотоснимок, отображающий правильное положение предметов. Только для того, чтобы ввести зрителей в заблуждение, профессор Ли писал уравнения на доске левой рукой и зеркальным шрифтом.
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
В известной сказке злая царица, обращаясь к своему волшебному зеркальцу, спрашивает:
«Свет мой, зеркальце! скажи
Да всю правду доложи:
Я ль на свете всех милее,
Всех румяней и белее?»
Отражение в зеркале ответило и на этот, и на огромное множество самых разных вопросов, о которых мы попытались рассказать в этой книге. Когда она создавалась, одна проблема набегала на другую, и было непросто решить, что следует отбросить. Автор стремился как можно полнее реализовать способность человека к наглядному восприятию. Поэтому в книге уравнены в правах зеркало на туалетном столике и строение белковой молекулы, «на равных» обсуждаются хоккей и кристаллические структуры. Порядок величин, с которыми мы встречались, охватывает диапазон, представленный числом с 40 нулями, – от 15-15 см до 1025 см.
У автора был выбор между научной глубиной и доступностью для самой широкой читательской аудитории. И он с легким сердцем предпочел последнее. Приняв такое решение, автор обнаружил, что он далеко не одинок – многие крупные специалисты придерживались тех же позиций. И если автору казалось, что кто-то до него изложил ту или иную проблему лучше, чем смог бы это сделать он сам, то он считал нечестным по отношению к читателю подсовывать ему худший вариант.
Физик Вернер Гейзенберг (1901-1976), разработав новую теорию строения атомных ядер, писал в 1932 г.:
«Полагают, будто видимая материя состоит из малых единиц, и если ее делить все дальше, то наконец придешь к мельчайшим единицам, которые Демокрит назвал «атомами» и которые теперь стали бы, пожалуй, называть «элементарными частицами», например «протоном» или «электроном». Но возможно, что вся эта философия неверна. Возможно, что вовсе и не было никаких мельчайших структурных единиц, не поддающихся дальнейшему делению. Возможно, что материю можно было бы делить все дальше и дальше...».
СИММЕТРИЧНО ИЛИ НЕТ – ВОТ В ЧЕМ ВОПРОС
После чтения предыдущего раздела может, пожалуй, сложиться впечатление, будто физики и сами не знают, чего они, собственно, хотят. С одной стороны, они постоянно говорят о симметрии, с другой – непрерывно ставят эксперименты, доказывающие ее отсутствие.
Но если отдельные читатели и придут к подобному мнению, то винить в этом следует не физиков, а автора настоящей книги, который, стремясь к сохранению наглядности, слишком сузил отбор материала. Мы занимались в основном вопросами пространственного отражения. В этой области асимметрия возможна в исключительных случаях, как утверждает теория и доказывают эксперименты. В последних разделах наряду с рассказом о пространственном отражении мы сообщили также про обращение зарядов у античастиц.
Но в книге до сих пор умалчивалось о возможности обращения времени. Эта тема не обсуждалась из-за того, что ее нельзя представить в наглядном виде. Мы, далее, не стали заниматься обсуждением различных теорий, касающихся поведения мельчайших частиц, как бы ни были такие теории интересны сами по себе. К примеру, многие теоретики думают, что при делении элементарных частиц осколки от их деления «равноправны» с самими исходными частицами. Пусть те, кому это покажется невероятным, подумают о том, что величина «бесконечность», поделенная пополам или на 1000, или на миллион, все равно, каждый раз будет давать в результате бесконечную величину. Но если – так говорят физики – одновременно произвести операцию пространственного отражения, поменять знаки зарядов частиц и изменить ход времени на обратный, то новая система будет столь же мало отличаться от прежней, как изображение от своего зеркального отражения. И тут уж исключений нет (пока).
На этом наш рассказ о зеркальном отражении и симметрии заканчивается.
Мир симметричен. В нем найдется в принципе зеркальное соответсвие каждому изображению. Лишь в крошечном уголке зеркала есть малюсенькое пятнышко, в котором отражение не происходит.
Так ли это на самом деле и в чем здесь причина, предстоит выяснить и доказать в будущем.
ЛИТЕРАТУРА
Ahrens W. Mathematische Unterhaltungen und Spiele. Leipzig, 1918.
Wallis W. A., Roberts H. V. Methoden der Statistik. Reinbek b. Hamburg: Rowohltl Verlag GmbH, 1975.
Вейль Г. Симметрия. – M.: Наука, 1968.
Wie funktioniert das? Mannheim: Bibliographisches Institut, 1967.
Вульф Г. В. Симметрия и ее проявление в природе. – М.: Изд. отд. Наркомпроса, 1919 (Добавлено редактором перевода).
Гарднер М. Этот правый, левый мир. – М.: Мир, 1967 (Добавлено редактором перевода).
Gilde W., Altrichter S. Seltsames um den gesunden Menschenverstand. 2. Aufl. Leipzig: VEB Fachbuchverlag, 1978.
Grzimek B. Zwanzig Thiere und ein Mensch, Berlin: Henschelverlag Kunst und Gesellschaft, 1975.
Джаффе Г., Орчин М. Симметрия в химии. – М.: Мир, 1967 (Добавлено редактором перевода).
Kleber W. Einfuhrung in die Kristallographie, Berlin: VEB Verlag Technik, 1965.
Kleine Enzyklopadie / Mathematik, Leipzig: VEB Bibliographisches Institut, 1967.
Kleine Enzyklopadie / Technik, Leipzig: VEB Bibliographisches Institut, 1970.
Компанеец А. С. О симметрии. – М.: Знание, 1965 (Добавлено редактором перевода).
Компанеец А. С. Симметрия в микромире. – М.: Знание, 1965 (Добавлено редактором перевода).
Kuhn F. Sehen und Gestalten, Leipzig: VEB E. A. Seemann, Buch– und Kunstverlag, 1951.
Clarke A. C. Unsere Zukunft im Weltall, Frankfurt a.M.: Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, 1970.
Кэрролл Льюис. Алиса в Стране Чудес. – М.: Детгиз, 1958 (Добавлено редактором перевода).
Meyner F.Kunstleranatomie.Leipzig: VEB E. A. Seemann, Buch– und Kunstverlag, 1959.
Орир Дж. Популярная физика. – М.: Мир, 1966.
Patzelt О. Wachsen und Bauen.Berlin: VEB Verlag fur Bauwesen, 1972.
Радунская И. Безумные идеи. – М.: Молодая гвардия, 1967 (Добавлено редактором перевода).
Sondheim E. Knoten – Spleissen – Takeln. Bielefeld und Berlin: Verlag Klasing u. Co., 1953.
Томилин А. Занимательно о космогонии. – М.: Молодая гвардия, 1975 (Добавлено редактором перевода).
Урманцев Ю. А. Симметрия природы и природа симметрии. – М.: Мысль, 1974 (Добавлено редактором перевода).
Узоры симметрии. Сб. под редакцией М. Сенешаль и Дж. Флека. – М.: Мир, 1980 (Добавлено редактором перевода).
Foley A. L. College Physics. Philadelphia: The Blakiston Company, 1941. Шафрановский И. И. Симметрия в природе. – Л.: Недра, 1968 (Добавлено редактором перевода).
Шубников А. В. Симметрия (Законы симметрии и их применение в науке, технике и прикладном искусстве). – М.: Изд-во АН СССР, 1940 (Добавлено редактором перевода).
Шубников А. В., Копцик В. А. Симметрия в науке и искусстве. – М.: Наука, 1972 (Добавлено редактором перевода).
Schulte-Frohlinde J. Baukunst zwischen gestern und heute. Dusseldorf: Werner Verlag, 1960.
Schumann H. Metallographie. Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffmdustrie, 1976.
