Чтение онлайн

Когда все начинается, волчки организованы симметрично, однако в конце среди них царит полный беспорядок. Вот и во вселенной то же самое.

Наш разговор о вселенной начался в мире абстракций — мы говорили о кругах, многогранниках и тому подобном. И не только потому, что можно было заодно нарисовать много красивых картинок: похоже, законы природы написаны симметрично. Но даже если все в природе начинается с симметрии, кончается все совсем иначе. Получается, что симметрия почему-то не может быть концом всего, так не бывает.

Все наши представления об устройстве вселенной основаны на взаимодействии между симметрией и случайностью, и, положа руку на сердце, мы еще не вполне разобрались, где кончается одно и начинается другое. Случайность, а по сути дела, хаос, зачастую становится характерной чертой отрицательного героя, а герой, стремящийся к порядку, то есть к симметрии, считается положительным. Это вопиющая несправедливость.

Хотя я не хочу показаться чересчур ранимым и обидчивым, в философских системах, которые охватывают и инь, и ян, есть зерно истины.

Законы вселенной симметричны, однако стоит нам ввести демона случайности, как результаты действия этих законов — та вселенная, которую мы наблюдаем вокруг, — скорее всего, вовсе не покажутся нам симметричными. Случайность — основа квантово-механической вселенной. Первоначальная конфигурация может быть одной и той же, но если проводить эксперимент снова и снова, результаты получатся разные — и иногда эти различия очень глубоки. Мы убеждались в этом раз за разом — от ухабистой структуры крупномасштабной вселенной до нарушения симметрии в поле Хиггса.

Случайность может завуалировать скрытую симметрию, но не стирает ее. В конце мы не знаем, насколько нарушения симметрии, определяющие законы природы в том виде, в каком мы их наблюдаем, определяются случайностью, зато знаем, что стоит этим законам (по-прежнему довольно-таки симметричным) вступить в действие, как случайность все больше и больше затуманивает наше представление о вселенной, в которой, не будь случайности, царил бы порядок. Именно случайность породила в свое время структуру — а вот расти, рушиться, формировать звезды и составлять сложные химические соединения (и, добавлю, жизнь) этой структуре в дальнейшем позволили симметричные законы гравитации. Именно случайность управляет радиоактивностью, термоядерным синтезом в Солнце и, скорее всего, нейронами в нашем мозге.

В конечном итоге нарушение симметрии — тот самый факт, что вселенная в зеркале заднего вида выглядит не так, как наша, — и породило вселенную, в которой стоит жить просто потому, что она такая интересная.

Протон — верхний+верхний+нижний

Нейтрон — верхний+нижний+нижний

Нейтральный пион — верхний+анти-верхний или нижний+анти-нижний

Нейтральный каон — нижний+анти-странный или странный+анти-нижний

Нижеприведенный список далеко не полон, однако им удобно пользоваться как справочным пособием при чтении этой книги, а также просто в обыденной жизни, если вам когда-нибудь захочется сделать симметрии темой светской беседы.

Первая теорема Нётер. Каждой непрерывной симметрии соответствует сохраняющаяся величина.

С-симметрия, она же Зарядовое сопряжение, состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же, как и к соответствующим обычным частицам. Эта симметрия справедлива для всех взаимодействий, кроме слабого.

Р-симметрия, она же Пространственная четность, — все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало. Опять же не относится к слабому взаимодействию.

Т-симметрия, она же Обращение времени, — при обращении течения времени законы физики выглядят по-прежнему. И эта симметрия тоже нарушается при слабом взаимодействии.

СР-симметрия, или Комбинированная четность, — сочетание С— и Р-симметрий. Она тоже нарушается при слабом взаимодействии — и это большая удача, поскольку без нарушения СР-симметрии во вселенной не было бы избытка вещества.

СРТ-симметрия — сочетание С-, Р— и Т-симметрий в любом порядке. Насколько мы можем судить, в нашей вселенной эта симметрия соблюдается строго.

Симметрия замещения тождественных частиц — все измеримые количества в системе останутся неизменными, если заменить одну частицу другой того же типа и в том же состоянии. Сложность в том, что если поменять местами два фермиона, волновая функция умножится на — 1, однако впрямую это зарегистрировать невозможно.

Симметрия трансляции времени (инвариантность времени). Все законы физики ведут себя одинаково в разные моменты времени. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения энергии.

Трансляционная симметрия (инвариантность пространства). Законы физики совершенно одинаковы в любом месте во вселенной. На крупных масштабах это отражается в однородности вселенной и в космологическом принципе. По теореме Нётер из этого следует закон сохранения импульса.

Вращательная симметрия (инвариантность вращения). Законы физики не меняются, если повернуть систему в целом. На крупных масштабах это отражается в изотропии вселенной, а кроме того, входит в систему предположений, на которых основан космологический принцип. Это приводит к сохранению момента импульса.

Лоренц-инвариантность. Законы физики одинаково справедливы для любого наблюдателя, который движется равномерно и прямолинейно. Кроме того, это основа специальной теории относительности.

Слабый принцип эквивалентности. Частицы в состоянии свободного падения локально неотличимы от инерциальных систем отсчета. Это основа общей теории относительности.

Фазовая симметрия, она же U (1). Фаза поля может меняться, и при этом никаких измеримых последствий наблюдаться не будет.

Симметрия электронов-нейтрино, она же SU (2) L. Слабое взаимодействие происходит совершенно так же, если заменить все нейтрино электронами и наоборот, если все они леворукие.