5 сентября в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» выступил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией «физики тяжелых кварков» ИТЭФ Павел Николаевич Пахлов с лекцией на тему «Симметрия и антиматерия». Мы публикуем видеозапись и краткое резюме его выступления.
Обычно мы под симметрией понимаем геометрическую симметрию – совпадение частей фигуры относительно оси или точки. Но понятие симметрии в физике можно понимать расширенно: как неизменность физических явлений при каком-либо изменении. Эти изменения могут быть не только пространственными, но и временными. Электрический прибор будет работать, если мы включим его за тысячи километров от того места, где включали раньше. Закон Архимеда также действует на нас в ванне, как и 2200 лет назад действовал на своего первооткрывателя.
Мы привыкли определять понятия «правое» и «левое» относительно себя. Для человека, стоящего к нам лицом, то, что для нас «правое», будет «левым» и наоборот. Получатся, что «правое» и «левое» существуют для конкретного человека, а не для окружающего мира. Физические законы выполняются одинаково для движения слева направо и справа налево, волчок, раскрученный по часовой стрелке, ведет себя так же, как и тот, что запустили против часовой стрелки.
До XX века все были уверены, что при изменении пространственных координат, в том числе при зеркальном отображении, меняющем «правое» и «левое», физические процессы не меняются. Этот принцип получил название «закон сохранения пространственной четности». И механические, и электромагнитные явления ему подчинялись. Сюрприз, как это часто бывает, преподнес микромир.
В 1950-е годы физики-теоретики Ли Цзундао и Ян Чжэнин заподозрили, что при так называемых «слабых взаимодействиях», работающих при радиоактивном распаде, пространственная четность не сохраняется. Для проверки этого предположения в 1956 году был проведен эксперимент, вошедшей в историю как «эксперимент Ву». Его осуществила Ву Цзяньсюн, работавшая в США. В этом эксперименте изучался бета-распад ядер кобальта 60Co.
Чтобы выявить нарушение четности ядра кобальта ориентировали в магнитном поле. Так как тепловое движение атомов могло нарушить эту ориентацию, пришлось охладить кобальт до температуры в одну сотую кельвина – близко к абсолютному нулю, что само по себе очень сложно. При бета-распаде ядра кобальта превращались в никель с выделением электрона и нейтрино
60Co → 60Ni + e- + νe
В результате обнаружилось, что в одну сторону электронов вылетает больше, чем в другую. Если бы пространственная четность сохранялось, потоки электронов, вылетающих по направлению спина ядер кобальта и в противоположную сторону, были бы равными. Однако оказалось, что электроны «предпочитают» лететь в сторону, противоположную направлению спина. Из этого следовало, что есть некоторое фундаментальная разница между двумя направлениями, и понятия «правое» и «левое» из относительных превратились в фундаментально различные.
Ассиметрия пространства по отношению к зеркальному отображению сильно озадачила физиков. Для восстановления порядка Лев Ландау предложил понятие комбинированной четности (CP-симметрия), которая сочетает в себе симметрию в пространственном положении частицы (P) и симметрию относительно знака (С), заменяющую частицы на античастицы. В результате мир элементарных частиц, потеряв С-симметрию и Р-симметрию, всё-таки оставался симметричным относительно СР-операций.
Но, как оказалось, нашли элементарные частицы, для которых нарушается и CP-симметрия. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили это нарушение при распаде нейтральных К0-мезонов. К0-мезон распадается на два пи-мезона с испусканием позитронов чаще, чем с испусканием электронов. Разница в частоте составляет лишь 0,3%, но это явно указывает на нарушение СР-симметрии.
А. Д. Сахаров в 1968 году предположил, что именно это нарушение СР-симметрии сделало возможным существование нашего мира. Ведь, согласно стандартной модели возникновения Вселенной, после Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии, что в дальнейшем должно было бы привести к взаимной аннигиляции и переходу всей материи в энергию. Однако мир: галактики, звезды, планеты, люди, атомы – существует, значит, вещества почему-то стало больше, чем антивещества. Сахаров выдвинул гипотезу, что из-за несимметричности частиц становилось больше, а античастиц меньше, что и повлекло за собой существование вселенной.
В лекции Павел Пахлов обратил внимание слушателей на интересное явление в психологии восприятия. Симметрия для нас – признак красоты. Но если мы сгенерируем при помощи компьютера абсолютно симметричное лицо человека, оно покажется нам неествественным и некрасивым. Симметрия лица кажется нам красивой, лишь когда она слегка нарушена. Ученый предложил аналогию этого с миром физических явлений. В природе чаще всего царит симметрия, однако, возможно, существование мира в том виде, в каком мы его знаем, возможно лишь потому, что эта в некоторых случаях эта симметрия нарушается.
О симметрии в мире элементарных частиц, ее нарушении, решенных и еще нерешенных вопросах, которые это нарушение вызывает, об антиматерии и том, как ее добывают, вы можете подробнее узнать из видеоверсии лекции П. Н. Пахлова.
