Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса Голдберг Дэйв

Смотреть научно-фантастические фильмы в надежде узнать что-то новое о науке — затея в целом бессмысленная. В числе прочего вы получите очень искаженное представление, например, о том, как грохочут в космосе взрывы (они бесшумные), как просто развить сверхсветовую скорость (а никак), как много в космосе англоговорящих и не вполне гуманоидных, но все равно дьявольски привлекательных инопланетянок (они все замужем). Однако всяческие «Звездные войны» и «Звездные пути» внушили нам одну очень правильную идею: с антивеществом шутки плохи.

В антивеществе скрыта такая потрясающая мощь, что устоять перед соблазном просто невозможно, и если писатель-фантаст хочет добавить в свое варево «настоящей физики», он почти всегда тянется за щепоткой антивещества: оно придаст весу в глазах читателей. Двигатель космического корабля «Энтерпрайз» работал на взаимодействии вещества и антивещества. Айзек Азимов снабдил своих роботов позитронным мозгом — и превратил позитрон, частицу антивещества, в научно-фантастический макгаффин[6].

Даже в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна — книге, которую едва ли можно причислить к настоящей научной фантастике, — антивещество служит своего рода адской машиной. Злодеи крадут полграмма антивещества — и этого количества хватит, чтобы устроить взрыв, по мощности сопоставимый с первыми ядерными бомбами. Не считая того, что Дэн Браун ошибся в арифметических расчетах в два раза[7], совершенно не разобрался, что на самом деле происходит в ускорителе частиц, и промахнулся примерно в триллион раз, когда прикидывал, сколько антивещества можно хранить и перевозить, с научной частью у него все в порядке.

Выходит, мы постоянно сталкиваемся с антивеществом — однако совершенно неправильно понимаем, что это такое. Эта субстанция — отнюдь не неостановимый убийца, к которому вы за столько лет привыкли относиться с недоверием. Если антивещество не трогать, оно ведет себя довольно мирно. Антивещество — совсем как обычное вещество, которое вы знаете и любите — например, оно обладает той же массой, — просто наоборот: противоположный заряд и противоположное название. Жареным запахнет, только если смешать антивещество с обычным веществом.

Мало того что антивещество ничем не экзотичнее обычного вещества, оно еще и выглядит и ведет себя совершенно так же практически во всех важных ситуациях. Если бы все частицы во вселенной вдруг оказались заменены своей антиверсией, вы бы ничего не заметили. Проще говоря, в том, как законы физики обращаются с веществом и антивеществом, тоже есть симметрия, и все же они должны быть чуточку разными: ведь и вы, и все ваши знакомые сделаны не из антивещества, а из обычного вещества.

Нам нравится думать, что случайностей не бывает, что есть какая-то глобальная причина, по которой вы не сидите в данный момент в комнате, битком набитой антилюдьми. Чтобы разобраться, в чем тут дело, мы углубимся в прошлое.

Да ну их, антилюдей, сам-то я откуда взялся?

Объяснить, откуда что-то взялось, бывает непросто. Не всегда удается аккуратненько списать все на укус радиоактивного паука, взрыв родной планеты или даже оживление трупа (науки ради, сами понимаете). История нашего собственного происхождения весьма заковыриста, однако вам будет приятно узнать, что мы (совсем как Халк) в конечном итоге — результат воздействия гамма-излучения. Это долгая история.

Физика пока не может ответить даже на вопрос, откуда взялась сама вселенная, зато мы можем многое сказать о том, что было после этого. Рискуя вызвать экзистенциальный кризис, мы можем по крайней мере попытаться ответить на один из величайших вопросов философии, прямо-таки большую шишку из ее пантеона: «Почему на свете есть что-то, а не ничего?»

Вопрос не такой тупой, как может показаться. На основании всего того, что мы наблюдаем в лаборатории, вы существовать не должны. Ничего личного. Я тоже не должен существовать, а также Солнце, галактика Млечный Путь и кино «Сумерки» (по великому множеству причин).

Чтобы понять, почему вы не должны существовать, нам нужно заглянуть в зеркальные вселенные, вселенные из антивещества и нашу собственную вселенную на мельчайшем масштабе. Только на мельчайшем масштабе проявляется разница между веществом и антивеществом, и даже тогда она далеко не очевидна.

Вселенная на мельчайшем масштабе совсем другая[8]. Все, что мы видим, состоит из молекул, самые маленькие из которых размером около миллионной доли миллиметра. Если сравнить это с величинами человеческого масштаба, то человеческий волос имеет толщину примерно в сто тысяч молекул. Да, молекулы очень маленькие, но какими бы они ни были маленькими, они состоят из частиц еще меньших. И это тоже хорошо — если мы заинтересованы в том, чтобы найти в мире хоть какой-то порядок. По данным Королевского химического общества, мы знаем около 20 миллионов разных видов молекул, а новые соединения открывают так часто, что нечего даже и пытаться назвать точное число. Если бы мы не понимали, что молекулы состоят из чего-то еще меньшего, мы бы погрязли в их перечислении[9].

К счастью для вселенского порядка, если брать все меньший и меньший масштаб, появляются новые структуры. На масштабе меньше десяти миллиардных метра мы начинаем различать отдельные атомы. Химических элементов нам известно лишь 118, и большинство из них в природе не встречается вообще или встречается лишь в ничтожных количествах.

То, что мы видим на макроскопическом масштабе, ничуть не помогает подготовиться к тому, с чем мы сталкиваемся, когда доходим до размера отдельных атомов, потому что именно тогда на сцену выходит квантовая механика. Говорить о квантовой природе реальности я пока не стану, скажу лишь одно: там царит малоприятная неопределенность. Пока что можно не обращать на нее внимания, однако чуть позже придется залезть в это болото по уши.

Даже если не знать в точности, что представляют собой атомы, вполне можно добиться от них толку. Именно это открыл русский химик Дмитрий Менделеев в XIX веке[10]. С его главным достижением вы, скорее всего, знакомы, если хоть раз в жизни забредали в школьный кабинет химии или физики. Менделеев изобрел периодическую таблицу.

Это не просто длинный список. Менделеев доказал, что элементы в каждом столбце таблицы обладают очень похожими химическими свойствами. Например, медь, золото и серебро находятся в одном столбце, и все они металлы с очень большой проводимостью. Заполнив свободные места, Менделеев сумел предсказать свойства элементов до того, как их удалось открыть в лаборатории!

Сама идея о том, что атомы составляют невидимую основу вещества, уже была сформулирована две с половиной тысячи лет назад, хотя и в довольно примитивном виде. Левкипп, Демокрит и древнегреческие атомисты высказали эту идею в V веке до н. э., и можно с легкостью предположить, что мы последние две тысячи лет потратили на то, чтобы она до нас наконец дошла. Лично я считаю, что древним многовато чести.

В целом первые атомисты говорили лишь о том, что бесконечно делить вещество нельзя. Они не представляли себе, как малы атомы, какая у них структура и что их можно делить дальше (несмотря на то, что само слово «атом» буквально означает «неделимый»).

Мы начали хоть сколько-нибудь понимать, что представляют собой атомы, лишь в последние двести лет, и кульминацией этого стал блистательный анализ броуновского движения, который сделал Эйнштейн в 1905 году. За 80 лет до этого ботаник Роберт Броун изучил под микроскопом пыльцу, взболтанную в жидкости. Броун отметил, что сколько он ни дожидался, когда картина успокоится, частички пыльцы продолжали беспорядочно суетиться.

Эйнштейн абсолютно правильно предположил, что отдельные молекулы постоянно толкали частички пыльцы в разные стороны случайным образом — а из этого он сумел сделать вывод, что атомы существуют в реальности, и даже оценить их размер.

Уже одного убедительного доказательства, что атомы должны существовать, было бы более чем достаточно, чтобы сделать Эйнштейна одним из величайших ученых XX века, однако считается, что это всего лишь третье по важности из открытий, которые он сделал на протяжении одного года. Произошло настоящее чудо, пожалуй, еще не было в истории, чтобы гениальные открытия следовали одно за другим с такой частотой, и недаром 1905 год называют «Чудесным годом» в биографии Эйнштейна — именно тогда была опубликована череда статей, в которых ученый не только доказал, что атомы существуют, но и продемонстрировал, что свет состоит из частиц (за что и получил Нобелевскую премию в 1921 году), а также предложил на суд научной общественности пустячок под названием «теория относительности», благодаря которому вы, скорее всего, и знаете его имя.

Поначалу может показаться, что элементарные частицы — это своего рода платоновская абстракция. Они фундаментальны и невидимы. У них нет ни формы, ни размера, ни цвета — словом, никаких макроскопических качеств. Все частицы одного типа идентичны всем другим частицам того же типа и неотличимы от них. То есть кто видел один электрон, тот знает все об электронах — буквально.

Знать, что атомы существуют, — это не все равно, что знать, каковы их свойства, и даже фундаментальные это частицы или нет. (Пункт А. Нет). Чтобы отгадать эту загадку, обратимся к Эрнесту Резерфорду, который в 1911 году занимался тем, что пулялся альфа-частицами (это такое научно-фантастическое по духу название, а теперь-то мы знаем, что на самом деле альфа-частицы — это ядра гелия) в листок золотой фольги.

Нет необходимости распространяться о том, в какие тупики заходила физика, пока мы не обзавелись моделью, которой пользуемся сегодня (неплохой, но не совершенной), однако до Резерфорда никто не имел ни малейшего представления о структуре атома. Господствовала идея, что атом заполнен положительно заряженным «пудингом», нашпигованным «сливами» (электронами)[11].

Резерфордовское рассеяние

Вероятно, электроны вам уже знакомы. Эти элементарные частицы были открыты первыми — еще в 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон (пренебрежительно) назвал их «тельцами». Кроме того, их удивительно легко раздобыть: стоит взять кусок металла, нагреть его, и они так и полетят в разные стороны! А если вам еще не разрешают самостоятельно зажигать плиту, наденьте шерстяные носки и прикоснитесь к чему-нибудь металлическому. Что, больно? Наука требует жертв (и электроны тоже)!

Если бы «модель сливового пудинга» оказалась верной, траектории альфа-частиц Резерфорда лишь слегка изменялись бы после вылета из пудинга. Между тем большинство альфа-частиц проходили сквозь фольгу как ни в чем не бывало, однако некоторые из них отлетали обратно, как будто налетали на что-то твердое. Вот как писал об этом сам Резерфорд:

Со мной никогда в жизни не происходило событий столь невероятных. Так же невероятно было бы, если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он отскочил бы в вас обратно!

Большинство альфа-частиц проходили сквозь фольгу. Лишь очень редко случалось так, что частица налетала на ядро золота. Иначе говоря, колоссальное большинство массы атома было сосредоточено в крошечной доле общего объема. Сливы налицо, а пудинга нет.

Наверное, вы думаете, что ваша рука плотная и набита веществом, однако по большей части она состоит из пустоты. Нужно увеличить изображение в 100 000 раз по сравнению с размером самого атома (до 10^–15 метра) — и лишь тогда мы увидим ядра атомов, и лишь тогда поймем, как пусто и никчемно наше существование.

Ядро составляет около 99,95 % массы атома, однако занимает всего лишь примерно одну квадрильонную общего объема. Это как будто скромное офисное здание по сравнению со всем земным шаром. Вероятность попадания альфа-частицы в ядро в эксперименте Резерфорда примерно эквивалентна вероятности случайного попадания метеорита в Белый дом[12]. Большинство угодит мимо цели.

А мы можем еще сильнее углубиться в недра ядра — и там мы обнаружим протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные, что явствует из названия). Количество протонов определяет, о каком именно химическом элементе идет речь. У водорода один протон, у гелия — два, у лития — три и т. д. Если вы забыли, который элемент какой, посмотрите в волшебную таблицу Менделеева. Нейтроны, со своей стороны, не влияют на химическую бухгалтерию — разные их количества обозначают лишь разные изотопы одного и того же элемента.

К тому же мы до сих пор пополняем свой арсенал новыми элементами. В 2006 году российские и американские ученые совместно открыли 118й элемент унуноктий. Когда я говорю «открыли», то имею в виду, что они создали его в лаборатории, что в данном случае означает со всего размаху столкнуть кальций с калифорнием (который тоже сначала нужно сделать в лаборатории). В результате получилось всего три атома, и просуществовали они ничтожную долю мгновения. Беда в том, что массивные ядра вроде унинокция (почти в 300 раз тяжелее обычного водорода) обычно бывают крайне нестабильны. Они стремятся как можно скорее распасться на более легкие частицы. Унуноктий живет всего лишь около миллисекунды, а следовательно, едва ли удастся обнаружить его залежи.

Радиоактивный распад — всего лишь привычный факт в жизни субатомного мира, и эти слова, вероятно, приводят на ум малоприятные вещества вроде плутония и урана. А чтобы понять, почему эти элементы такие неприятные, мы оторвемся от микроскопа и сделаем краткое отступление в сторону самых знаменитых физических формул.

Как сделать что-то из ничего?

Даже если вы терпеть не могли школьные уроки физики, даже если у вас от математики по всему телу идут волдыри, я готов спорить, что эту формулу вы уже знаете — хотя бы понаслышке:

E = mc

Помните Чудесный год Эйнштейна — 1905 год? Это уравнение — жемчужина его специальной теории относительности, формула, лежащая в основе атомной энергетики и определяющая жизнь нашего Солнца. А также поведение вещества, из которого вы состоите.

Что такое масса и энергия (соответственно m и E), всем более или менее понятно. Соединяет их c, скорость света и абсолютный предел скорости во вселенной.

Честно говоря, название «скорость света» не очень-то удачное, поскольку со скоростью с перемещается любая частица, лишенная массы. В том числе, конечно, и фотон, частица света, но кроме фотона, есть еще по крайней мере несколько таких частиц. Например, глюоны — частицы, отвечающие за то, чтобы скреплять ядра из протонов.

У фотонов с глюонами уйма общего. Физической вселенной управляют четыре фундаментальные силы, и у каждой из них есть по крайней мере одна частица-переносчик, своего рода субатомный посредник. Вот как действуют эти силы. Работа частицы-переносчика — субатомный аналог передачи записочки на уроке физкультуры, и, например, для электромагнетизма фотоны служат посредниками, которые сообщают одинаковым зарядам, что им положено отталкиваться, а противоположным — притягиваться. Глюоны играют ту же роль в сильном ядерном взаимодействии — самой мощной из всех фундаментальных сил. На другом полюсе находится гравитация: как ни странно, вопреки нашему повседневному опыту, это самая слабая из фундаментальных сил, и частица-переносчик у нее то ли есть, то ли нет. Мы заранее назвали ее гравитоном, поскольку было бы так красиво и элегантно, если бы гравитация была устроена так же, как и остальные три фундаментальные силы. Однако зарегистрировать гравитон нам пока не удалось.

Все эти частицы — фотоны, глюоны и гравитоны (если они существуют), лишены массы, а поэтому перемещаются со скоростью света. Поскольку вы, вероятно, состоите из массивных частиц, то навеки обречены перемещаться со скоростью меньше скорости света. Такова жизнь.

К счастью, в обыденной жизни соблюдать это ограничение не очень обременительно. Скорость света очень велика, примерно 300 000 километров в секунду или около миллиарда километров в час[13]. Земля перемещается со скоростью более 100 000 километров в час и обходит вокруг Солнца за год. Свету на такой же путь нужно всего лишь около 52 минут.

Уравнение Эйнштейна задает своего рода соотношение валютного курса массы и энергии. Вводишь какое-то количество массы, полностью уничтожаешь — и получаешь сколько-то энергии. Чтобы вы не думали, будто я задаром выдаю государственные тайны, поясню, что это легко сказать, но трудно сделать.

Для начала возьмите килограмм водорода, разогрейте примерно до 10 миллионов градусов по Кельвину[14] и плотно упакуйте. Готово! Вы восхитительны! Вы сделали себе ядерный реактор наподобие Солнца, способный превращать водород в гелий и некоторые другие частицы, гораздо более легкие.

Когда термоядерный синтез закончится, у вас будет 993 грамма конечного продукта, в основном — пепел, оставшийся после ядерных реакций. Так вот, вся магия происходит с 7 «исчезнувшими» граммами. Они превращаются в чистую энергию, и хотя кажется, будто это достаточно скудные дивиденды, с так огромна, что в результате высвобождается колоссальное количество энергии. Даже если коэффициент превращения составляет 0,7 %, Солнце будет гореть[15] около 10 миллиардов лет. Подобное же солнце на угле проработало бы сущую малость — какие-то 10 тысяч лет.

Или возьмем радиоактивный распад. Кусок радия быстро начнет распадаться на элементы вроде радона и гелия, которые в сочетании заметно легче первоначального атома радия. Излишек превращается в высокоэнергичное рентгеновское излучение.

Мари Кюри, одна из первооткрывателей радиоактивности, на себе испытала все ее вредоносное воздействие. Подобная профессия чревата смертельными опасностями; в частности, близкий контак с материалами вроде радия губителен для здоровья. Мари Кюри умерла от апластической анемии, вызванной облучением, и весь ее архив и по сей день хранится в свинцовых коробках: бумаги так радиоактивны, что работать с ними опасно. На фотопленке, заложенной между страниц, проявились отпечатки пальцев Мари.

У формулы E = mc есть и обратная сторона. Можно производить энергию из массы — однако и энергия может создавать массу. Однако c — огромное число, а следовательно, много массы из энергии при обычных обстоятельствах не получишь. Но если у тебя есть достаточно энергии, можно творить поразительные вещи. Представьте себе, что какая-то особенно предприимчивая сверхцивилизация решила по-быстрому создать много-много массы. Если покрыть всю Землю самыми производительными солнечными батареями, в принципе, можно создавать 2 кило вещества в секунду. И это будет соответствовать потреблению энергии примерно в 50 000 раз большему, чем потребляет сегодня все человечество[16].

Мы можем и не дожидаться сверхцивилизации — на субатомном уровне энергия постоянно конвертируется в массу. Протоны и нейтроны — это «кирпичики», из которых строится вещество, однако они, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц — так называемых кварков, по три на штуку. Поразительно, но факт: если сложить массы кварков, получится лишь примерно 2 % массы протона. Остальные 98 % составляет колоссальная энергия, которая участвует в движении и взаимодействии кварков внутри протона.

Подведем итоги. Вы состоите из фундаментальных частиц, то есть почти полностью из пустоты, а те крохи, которые в этой пустоте попадаются, совсем не так уж массивны. Такими они кажутся из-за эфемерной энергии. Частицы могут создаваться целиком и полностью из энергии и тут же распадаться. Вы — не просто куда больше, чем сумма своих частей, строго говоря, составляющие вас части — не более чем кучка спичек в водовороте пульсирующих и визжащих энергетических взаимодействий. Так-то!

А где все антилюди?

Энергию можно применять для создания вещества «с нуля», однако одновременно создается и антивещество: своего рода побочный эффект. Я уже говорил, что у антивещества своя роль, но еще не объяснил, какая именно. Готовьтесь — вас совсем не ждет потрясение! У каждой частицы есть своя антиверсия, которая ведет себя практически так же, как и обычная частица, например, у нее такая же масса, — только с противоположным зарядом. Позитрон ведет себя точь-вточь как электрон, только у электрона отрицательный заряд, а у позитрона, наоборот, положительный. Заряд у антипротона отрицательный, в противоположность положительному заряду протона, и т. д.

Самое, пожалуй, безумное во всей истории с антивеществом — то, что если бы у вас хватило ума — а у английского физика П. А. М. Дирака его, очевидно, хватило, — то вы предсказали бы ее существование еще до того, как ее открыли. В 1928 году Дирак вывел уравнения релятивистской квантовой механики. Да, суть ее так же заковыриста, как и название. Пропахав уравнения, Дирак отметил, что некоторые решения в них не учтены. Например, он обнаружил, что из этой теории естественным образом следует существование не только электронов, но и других частиц той же массы и с противоположным зарядом.

Согласно уравнению Дирака, у любой частицы вроде электрона должна быть античастица. Поначалу он сделал не совсем верные выводы. Например, позитрон в его представлениях был таков:

Электрон с отрицательной энергией, который движется во внешнем поле так, словно обладает положительным зарядом.

Дирак сам не знал, о чем говорят его уравнения. Если бы его первоначальные интуитивные догадки оказались верны, можно было бы, в сущности, генерировать бесконечную энергию, просто производя позитроны. Это все равно что вести бизнес, набирая бесконечные беспроцентные кредиты.

Но потом Дирак понял, как все обстоит на самом деле: позитроны — это просто обратная сторона электронов. Иначе говоря, судя по всему, существует глубокая симметрия вещества и еще не открытого антивещества.

Чтобы подтвердить существование этой глубинной симметрии мироздания, было мало только продраться сквозь математические дебри. В то время не было никаких экспериментальных свидетельств существования позитрона и прочих античастиц, вот почему все так обрадовались, когда вскоре, в 1932 году, Карл Андерсон открыл позитроны в своей лаборатории при Калифорнийском технологическом институте. Иногда всякая запредельная математика все же связана с реальностью…

А реальность этого близнеца-перевертыша — античастицы — состоит в том, что хотя противоположности притягиваются, частицам и античастицам стоит от этого воздерживаться. Стоит электрону с позитроном вступить в контакт друг с другом — и тут же волшебная формула E = mc ² превращает их массу в огромное количество энергии.

Какую частицу мы назовем просто «обычной», а какую «анти», в принципе, все равно. В параллельной вселенной, которая полностью состоит из того, что мы называем антивеществом, антилюди наверняка называют свои атомы обычными, а мы для них «анти». И это как раз тот редкий случай, когда все правы — и мы, и они. Вопрос названия.

Я не хочу сказать, что в нашей вселенной нет антивещества. Антивещество непрерывно создается в недрах Солнца, которое рождает позитроны в виде побочного эффекта синтеза гелия из водорода. А поближе к дому мы можем наблюдать всевозможные экзотические античастицы в больших ускорителях вроде Большого Адронного Коллайдера, который расположен во Франции и Швейцарии.

В лабораторных условиях можно даже создавать антиверсии атомов. В 2002 году Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)[17] сумела создать и зарегистрировать буквально тысячи атомов антиводорода с точно такими же качествами, что и у обычного водорода. В 2011 году был побит рекорд массы античастицы: на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов на Лонг-Айленде было создано первое ядро антигелия. Правда, античастицы быстро покидают этот мир. Они быстро распадаются или сталкиваются с обычными частицами и аннигилируют.

Итак, античастицы выглядят точно так же, как и обычные, однако одинаковы ли они на самом деле? Это наша первая официальная симметрия, поэтому я дам ей четкое определение, чтобы вы понимали, насколько это важно.

С-симметрия, она же Зарядовое сопряжение, состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же, как и к соответствующим обычным частицам.

И хотя мы даже дали этой симметрии особое название (С-симметрией она названа по первой букве слова «charge» — «заряд»), из нее не обязательно следует, что вещество и антивещество и в самом деле ведут себя в нашей вселенной одинаково. Такой вывод — это, скорее, обоснованная догадка.

Однако поскольку мы не в силах наслать такие чары, чтобы все частицы разом заменились на соответствующие античастицы, нам придется делать кое-какие умозрительные заключения, что и подведет нас к главной тайне вещества и антивещества.

В лаборатории — то есть во всех субатомных реакциях, которые мы так или иначе наблюдали, — невозможно создавать частицы, не создавая одновременно соответствующего числа античастиц. Неуловимые частицы вроде бозона Хиггса мы регистрируем, наблюдая не саму частицу, а ее распад на частицу и античастицу.

А обратная сторона медали такова, что если положить электрон и позитрон в кастрюлю и хорошенько размешать, то оба они будут уничтожены, и высвободится вся энергия, которую пообещал вам Эйнштейн. Именно это постоянно происходит в космическом вакууме. Частицы и античастицы создаются и уничтожаются, и это идеально согласованные процессы.

По крайней мере, сейчас именно это и происходит. Когда-то, в далеком прошлом, обычное вещество одерживало верх. Так было не только в нашем захолустном уголке вселенной — похоже, так было везе. Важная, но еще не вполне осознанная задача современной космологии — разобраться, почему тогда была нарушена нынешняя С-симметрия вселенной, а для этого нам придется заглянуть в прошлое.

В 2001 году НАСА запустило космический аппарат WMAP — Зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона. Как явствует из сокращенного названия, где ясно видно слово «map» — «карта», задачей аппарата было создать подробную карту реликтового микроволнового излучения, пережитка первых эпох существования вселенной.

Я уже говорил, что свет состоит из частиц под названием фотоны, однако уклонился от ответа на вопрос, чем фотоны отличаются друг от друга. Различия сводятся к энергии. Например, у синего света энергии в пересчете на отдельный фотон больше, чем у красного. При еще более низкой энергии, чем у красного света, за пределами чувствительности глаз, мы обнаруживаем инфракрасное, а если энергия еще ниже — микроволновое излучение. На другом конце спектра, при энергиях, которые высоковаты для наших глаз, находятся ультрафиолетовые фотоны. При энергиях еще выше получается рентгеновское излучение, а при самых высоких — гамма-излучение.

Если вам случалось надевать инфракрасные очки, вы, наверное, заметили, что живые теплокровные существа светятся чуть-чуть ярче, чем их более прохладное окружение. Именно поэтому Хищник так здорово охотится. Все теплые тела испускают излучение, некоторые — особенно сильно, если вы меня понимаете… Раскаленные уголья светятся красным, однако вселенная гораздо холоднее угля, ее температура составляет около 2,7 К, и она светится в микроволновом диапазоне. В глубоком космосе холодно, очень холодно.

Однако стужа царила здесь не всегда. Вселенная расширяется, а это значит, что энергия все сильнее и сильнее рассеивается. На ранних этапах истории вселенной все было упаковано гораздо плотнее, и температуры стояли куда как выше. Например, спустя 14 миллионов лет с момента возникновения вселенной, в ней стояла приятная, комнатная температура в 310 К, и вселенная светилась в инфракрасном диапазоне. Если заглянуть еще дальше, то окажется, что через 1 секунду после Большого взрыва температура вселенной составляла 10 миллиардов градусов, а еще раньше, через 1 микросекунду после него, — более 10 триллионов градусов!

На заре вселенной энергии было просто пруд пруди, и постоянно создавались всевозможные пары «частица-античастица». Два невероятно высокоэнергичных гамма-фотона налетели друг на друга — бац! — и их энергия превратилась в электрон и позитрон или в какую-то другую пару из частицы и античастицы. Видите? Я же говорил, что своим существованием вы обязаны гамма-излучению!

А потом вселенная охлаждалась и в конечном итоге дошла до точки, когда новые пары уже не могли создаваться. Поскольку вселенная уже не могла создавать новое вещество, все частицы и античастицы должны были разыскать друг дружку и аннигилировать.

Вот он, ключ к ответу на великую загадку: если бы вещество и антивещество постоянно создавались и разрушались в равных количествах, сегодня не было бы ни того, ни другого, и все же вот они мы — целиком из вещества, и на первый взгляд это явно противоречит всему, что мы до сих пор наблюдали в лаборатории. Как будто вселенная припрятала козырь в рукаве.

Так откуда же вы взялись? И где все антилюди?

Итак, вещество и антивещество одинаковы, а может быть, и нет

Иногда нам удается получить несколько античастиц в лабораториях или из космических лучей, но они живут недолго. В конечном итоге мы состоим из обычного вещества на 100 процентов. Что же случилось с симметрией, вокруг которой столько шума?

Один вариант — и где-то его уже прорабатывает какой-то писатель-фантаст: на самом деле относительно вещества-антивещества вселенная симметрична. Может быть, половина галактик во вселенной состоит из вещества, а другая половина из антивещества, и просто так вышло, что мы живем в галактике из обычного вещества.

Достойная попытка, Капитан Наука, но нет.

Тут возникает несколько осложнений, не последнее из которых — то, что с астрономической точки зрения подобное четкое и последовательное разделение вещества и антивещества попросту невероятно. Это как будто кофе в вашей чашке с левой стороны вдруг вскипел, а с правой замерз. Каковы шансы такого развития событий? Вероятность того, что по чистой случайности возникнет галактика, состоящая целиком из обычного вещества, при том, что где-то соберется точно такое же количество антивещества, такая же, как вероятность, что монетка упадет решкой вверх, скажем, 10⁶⁹ раз подряд.

Кроме того, галактики постоянно сталкиваются, а мы никогда не наблюдали внегалактическое столкновение, при котором высвободилась бы такая неукротимая и безбрежная энергия, какой следовало бы ожидать, если бы целая галактика из вещества налетела на галактику из антивещества. Короче говоря, судя по всему, вся видимая вселенная состоит из обычного вещества.

А теперь мне придется открыть вам страшную правду. Мы (то есть физики) не знаем, как объяснить подобный дисбаланс и почему вселенная состоит из обычного вещества. Когда речь заходит о веществе и антивеществе, законы физики становятся как материнская любовь: все мамы говорят, что любят всех своих детей одинаково, но их поступки рисуют совершенно иную картину. В нас есть что-то особенное, что-то такое, что бережет нас от исчезновения вместе с антивеществом. Однако неприглядный факт состоит в том, что вселенная пребывает в состоянии разложения — и, вообще говоря, если частица может распасться на что-то более легкое, то распадется обязательно. Скажем, свободные нейтроны распадаются и превращаются в протоны (которые немного легче) минут через десять. А вот протонам уже не во что распадаться.

Если симметрия вещества и антивещества абсолютна, протон буквально вечен — он же не может распасться. Эксперименты подтверждают, что так, возможно, и есть. Нынешний предел жизни протона — как минимум 10⁴³ лет. Да, я отдаю себе отчет, что это гораздо дольше возраста Вселенной, однако мы можем одновременно следить за множеством протонов — у нас их, по правде говоря, целое море, — и чем дольше мы ждем, тем длиннее оказывается минимальная продолжительность жизни протонов.

И вот тут-то и начинается потусторонняя жуть. Если протоны не распадаются, то вселенная и в самом деле никогда не сможет изменить общий баланс между веществом и антивеществом, однако если бы дело было именно в этом, у нас прежде всего не получилось бы избытка обычного вещества.

«Прежде всего» — это в течение очень короткого времени после Большого взрыва, и если вещество и антивещество поначалу слегка отличались друг от друга, значит, можно предположить, что и сейчас положение дел сохранилось. Если мы будем ждать долго-долго, то протон все-таки на что-то распадется, вопрос в том, когда и на что — и ответ на этот вопрос многое расскажет нам о разнице между веществом и антивеществом. Чтобы выяснить, чем они отличаются друг от друга, нам придется углубиться в параллельную антивселенную, а делать это самим нам что-то не хочется.

Если вам случалось читать книги Льюиса Кэрролла, то вы, наверное, замечали, что автор просто одержим симметрией. Как-никак в повседневной жизни Чарльз Доджсон — именно так его звали на самом деле — был математиком. Чтобы изучить разницу между нашим миром и другими, очень похожими, но с небольшими отличиями — например, где все вещество превращается в антивещество — нам нужен «аватар», и я не вижу лучшего кандидата, чем Алиса из «Алисы в Стране чудес» и «Алисы в Зазеркалье».

Как ни странно, Страна чудес — совсем такая же, как наш мир, только состоит из антивещества. Что обнаружит Алиса, когда спрыгнет в кроличью нору и попадет в антимир? Заметит ли она разницу?

Как я уже объяснял, история будет очень короткой, хотя и крайне увлекательной. Стоит Алисе очутиться на земле — а точнее, соприкоснуться с воздухом — как она исчезнет, поскольку все ее протоны и нейтроны аннигилируют, столкнувшись с антипротонами и антинейтронами Страны чудес.

А теперь давайте предположим, что в кроличьей норе с Алисой произошло чудесное превращение, и все ее атомы стали антиатомами. Можно ли представить себе эксперимент — какой угодно! — благодаря которому она поймет, что находится в Стране чудес, состоящей из антивещества? Теперь Алиса не взорвется, и вообще не произойдет ничего интересного — если и Алиса, и мир вокруг нее состоят из антивещества, ей ничего не грозит.

Алиса может даже построить лабораторию — и почти любой эксперимент будет выглядеть одинаково по обе стороны портала. На обычной Земле северные полюса двух магнитов будут отталкиваться друг от друга, а северный и южный — притягиваться. В Стране чудес, где все из антивещества, север превратится в юг, и наоборот, но поскольку перевернулись оба магнита, отталкиваться будут те же самые концы.

Не буду утруждать Алису. Почти любой эксперимент, какой может провести Алиса, в Стране чудес будет выглядеть точно так же, как и в нашем мире. Однако если Алиса будет очень упорной и настойчивой, то заметит малюсенькую разницу — благодаря участию частицы, о которой очень часто забывают, так называемого нейтрино.

При всей своей скромности и незаметности нейтрино (что значит «нейтральненькое» — правда, прелесть?) — одна из самых распространенных частиц во вселенной. Больше здесь только фотонов. Мы часто забываем о них, поскольку 1) они такие легкие, что лишь в 1998 году эксперимент на детекторе Супер-Камиоканде в Японии показал, что у нейтрино вообще есть масса, и 2) они электрически нейтральны, а следовательно, с ними не взаимодействует свет.

Зарегистрировать нейтрино необычайно трудно. Даже увидеть их мы смогли лишь в 1956 году, с приходом ядерной эры. В процессе повседневной работы ядерных реакторов создается очень много нейтрино и антинейтрино. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе поставили эксперимент, в ходе которого антинейтрино сталкивались с протонами и то и дело создавали позитроны. Поскольку позитроны только об одном и думают — как бы самоуничтожиться, столкнувшись с электронами, и создать свет — Райнес и Коуэн измерили характеристики получившегося света и доказали, что нейтрино действительно существуют. Пара пустяков!

Нейтрино так неохотно взаимодействуют с другими частицами, что если бы мне пришлось запустить нейтрино в свинцовую пластину толщиной в световой год, шансы, что оно проскочит ее насквозь, ничего не задев, составляли бы пятьдесят на пятьдесят. К счастью, нам достаточно было увидеть всего несколько нейтрино, чтобы узнать о них ужасно много. Если выстроить детекторы под горами — что заставляет вспомнить средиземскую Морию — можно регистрировать с полдюжины нейтрино в день.

Между тем роль нейтрино в нашей жизни очень заметна. Я уже упоминал три фундаментальные взаимодействия — это сильное ядерное взаимодействие, электромагнетизм и гравитация. Об одном я еще не говорил — это слабое взаимодействие. Когда происходят слабые взаимодействия, почти всегда так или иначе участвует нейтрино. И хотя взаимодействие и слабое, именно благодаря этой силе солнце превращает водород в гелий, а в качестве побочного продукта вырабатывает свет и тепло, обеспечивающие жизнь на Земле. Нет слабого взаимодействия — нет и жизни, нет и нас с вами.

По большей части слабое взаимодействие в Стране чудес из антивещества происходит совершенно так же, как и на нашей Земле, однако есть одно очень тонкое различие, которое проявляется в так называемом спине — направлении вращения частицы. Казалось бы, в понятии спина нет ничего непривычного, но на самом деле спин — это очень странно, гораздо страннее, чем кажется на поверхностный взгляд.

Представьте себе частицу, например, электрон, в виде маленькой заряженной сферы. Спин электрона не такой, как у земли. Земля оборачивается вокруг своей оси за один день. На самом деле это и есть определение дня. Однако тут-то и таится подвох: из-за притяжения луны продолжительность дня медленно-медленно нарастает, примерно на две миллисекунды в столетие[18]. А изменить спин у субатомных частиц в принципе невозможно ни при каких условиях. Все до единой частицы, обнаруженные нами до сих пор, обладают врожденным неизменным спином, в том числе и нейтрино, о которых мы только что беседовали. Нейтрино, электроны, а если уж на то пошло, то и протоны нельзя ни затормозить, ни разогнать.

У некоторых частиц — точнее, у заряженных — измерить направление спина относительно легко. Направление спина измеряют точно так же, как находят полюса у Земли: при помощи магнитов. Внутри у Земли расплавленное железо, и когда Земля вращается, это железо генерирует гигантское магнитное поле. А мы можем измерить это магнитное поле при помощи другого магнита — хотя вы, вероятно, знаете его под названием «компас».

Электроны во многом устроены точно так же. При вращении они генерируют маленькие магнитные поля. Если посмотреть на электрон сверху, понятно, что он может вращаться двумя способами. Если один электрон вращается по часовой стрелке, говорят, что у него спин направлен вверх, а если против, говорят, что спин направлен вниз.

Чтобы разобраться, где верх, а где низ, можно пропустить электроны через устройство, состоящее из пары обычных магнитов, и посмотреть, в какую сторону электрон отклонится. На рисунке внизу показано, что у тех, которые отклоняются вверх, спин направлен вверх, а те, которые отклоняются вниз — вниз.

Ориентировать магниты мы можем как угодно. Понятия «вверх» и «вниз» в нашем эксперименте никак не связаны с тем, как ориентирована Солнечная система, и вообще ни с чем, просто нам будет гораздо легче не сойти с ума, если мы с вами договоримся установить системы координат так, чтобы потолок и у меня, и у вас был сверху.

У спина есть одна странная и противоречащая интуиции особенность. Если магниты ориентированы вертикально, по результатам эксперимента получится, что у электрона может быть либо спин вниз, либо спин вверх, ничего промежуточного. То ли дело вращение Земли, ось которой наклонена примерно на 23 градуса к плоскости Солнечной системы. Аналогичным образом, если повернуть устройство для измерения горизонтального спина электрона, окажется, что спин у него может быть либо влево, либо вправо. Таково волшебство квантовой механики.

Но это не самый курьезный факт, касающийся спина. Представьте себе, что у вас происходит распад элементарной частицы и — хлоп! — вылетает нейтрино. Каждое отдельное нейтрино, если смотреть на него прямо, будет вылетать со спином по часовой стрелке. Поскольку зарегистрировать и пронаблюдать нейтрино трудно, то какой у него спин, мы устанавливаем косвенно, по спинам позитронов и прочего, однако спин по часовой стрелке, судя по всему, — это непреложный закон мироздания.

В антивеществе все ровно наоборот. Антинейтрино, получающиеся в результате распада частиц, будут вращаться против часовой стрелки. Видимо, вещество и антивещество понимают разницу между правым и левым — в сущности, это единственное важное различие между ними. Как вы и то лицо, которое вы видите в зеркале по утрам — ну, примерно.

Казалось бы, различие тривиальное — и к тому же для того, чтобы его исследовать, нужно оборудование стоимостью десятки миллионов долларов — но если вы параноидально боитесь, что упали в кроличью нору, а никто и не заметил, у вас есть запасный выход.

Спин нейтрино и антинейтрино

Да, я предвижу, что все, кто читает эти строки, сейчас презрительно покривились. Получается, мы продрались сквозь все эти дебри, столько говорили о различиях между веществом и антивеществом, а обнаружили всего-навсего, что какая-то частица, с которой мы не в состоянии общаться напрямую, вращается не в ту сторону, что ее античастица?

Потерпите мое общество еще немного, поскольку пустячное различие в спине — это всего лишь верхушка айсберга.

Физика в зеркале

Итак, вещество и антивещество почти идентичны, не считая малюсенькой разницы: у нейтрино спин направлен в одну сторону а у антинейтрино в другую. Такова фундаментальная асимметрия вселенной, однако на этом история не заканчивается. Вернемся к лицу в зеркале.

Наверное, вам уже пришло в голову, что если смотреть на антивещество в зеркале, оно будет выглядеть как раз как надо. Случилось так, что я правша, однако моя зеркальная версия, очевидно, левша. Так же и спин. Нейтрино-левша в зеркале выглядит правшой.

Зеркальные симметрии — одни из самых распространенных в природе и, пожалуй, самые симпатичные. Почти все позвоночные обладают двусторонней симметрией, по крайней мере, внешне, и очевидно, что мы генетически запрограммированы на то, чтобы нас на это тянуло. Вспомним беднягу Нарцисса, который увидел свое отражение в воде и был так потрясен собственной красотой, что навеки застыл на месте, а потом превратился в цветок. Если бы люди были отчетливо асимметричны относительно вертикальной оси, фигура, которую Нарцисс увидел в воде, была бы ему незнакома и до того неприятна, что он только отпрянул бы в отвращении, и трагедии удалось бы избежать.

Это выходит и за пределы физического мира. Всевозможные рифмоплеты и буквоеды прямо до потолка прыгают от восторга при виде зеркальной симметрии в словах и предложениях, которые читаются одинаково что справа налево, что слева направо и называются «палиндромы». Во фразах вроде «Я сличил то и то — вот и отличился» и «Ах, у печи, мы дым, мадам, мы дым и чепуха» есть что-то очень притягательное для острого ума. Палиндромы встречаются и в изобразительном искусстве — обратите внимание на работы М. К. Эшера — и даже в музыке. В своей классической книге «Гедель, Эшер, Бах» Дуглас Хофштадтер упоминает «Крабий канон» Иоганна Себастьяна Баха, который можно сыграть задом наперед, и он будет звучать так же, как и в нормальном исполнении.

Однако большинство предметов отличаются от своих зеркальных отображений, по крайней мере, в человеческом мире. Читаем мы обычно слева направо. Леонардо да Винчи, который мог многое рассказать о симметрии как таковой, воспользовался асимметрией письменной речи и, как известно, делал заметки левой рукой и писал в обратном направлении, как и Льюис Кэрролл, чье стихотворение «Бармаглот» в первый раз появляется в зеркальном отображении.

Подобным же образом водители в большинстве стран должны придерживаться правой стороны дороги. Однако нам ничто не мешает представить себе обратную зеркальную страну, полную всевозможных ужасов: движение там левостороннее, пиво подают подогретым, а дневники Леонардо выглядят совершенно нормально.

Зеркальные асимметрии проявляются даже в нашей биологии — внутри, а не снаружи: сердце у нас сдвинуто к левой стороне груди. Люди, как и автомобили, снаружи более или менее симметричны, однако внутри у них имеются асимметрии — результат исторических случайностей.

Наша ДНК закручена в спираль очень хитроумным образом. Если посмотреть на нее с торца, она всегда закручена по часовой стрелке, то есть представляет собой правозакрученную спираль. Так же устроен и винт: как его ни верти, резьба остается прежней. Направо — закручиваем, налево — откручиваем[19].

Так устроена ДНК любого живого существа на планете. Если биологу показать зеркальное отражение ДНК, он сразу распознает подвох. Кстати, одинаковое направление закрученности — очередной веский довод в пользу единого происхождения жизни на Земле.

Пропустите свет сквозь водный раствор сахара. Напомню, что сахар получают из сахарного тростника, то есть это продукт не просто химии, но и биологии. Природные молекулы сахара скручены особым образом, и свет, пройдя через раствор, поляризуется, то есть будет светить скорее в одном направлении, чем в другом. Теперь стащите 3D-очки из кинотеатра. Одним глазом вы увидите только левозакрученный поляризованный свет, а другим — только правозакрученный. Так вот, если смотреть на свет, прошедший через сахарный раствор, правому глазу он покажется ярче, чем левому.

Откуда молекулы сахара знают, в чем разница между правым и левым? Сами молекулы, как и ДНК, закручены в определенном направлении, которое в зеркале меняется на противоположное. Лево-поляризующий сахар химически тождествен право-поляризующему, но если мы разведем в чашке культуру бактерий и искусственно создадим лево-поляризующий сахар (зеркальное отражение «настоящего»), бактерии будут голодать, потому что не смогут его есть. Ферменты, расщепляющие сахара, тоже асимметричны и приспособлены для работы только с правозакрученным сахаром. И в самом деле, зачем было бы создавать другие, раз в природе сахар только правозакрученный? Как сказала Алиса в «Зазеркалье»: «… Не знаю, можно ли пить зазеркальное молоко? Не повредит ли оно тебе, Китти…» (Пер. Н. Демуровой)

Чтобы разобраться, откуда вообще взялось фундаментальное различие между левым и правым и так ли уж оно фундаментально, нам придется как следует вглядеться в зеркало. Легко представить себе планету, где действуют точно такие же законы физики, только у людей сердце справа и пишут они наоборот — и т. д. Нам ни в коем случае нельзя забывать о подобного рода асимметриях. Они не запрограммированы — просто так получилось. Но раз уж так получилось, изменить что-то очень-очень трудно. Попробуйте проехаться по левой стороне дороги — и сами убедитесь. Однако во вселенной, которую мы видим в зеркало заднего вида, все едут по левой полосе!

Зеркальная вселенная, как и антивещество, отличаются от обычных не так разительно, как нам казалось. Ричард Фейнман поясняет это на наглядном примере:

Представьте себе, что мы собрали какой-то прибор, ну, скажем, часы, в которых много всяких колесиков, шестеренок и циферок; часы тикают, часы идут, пружина заведена. Мы смотрим на часы в зеркало. Как они выглядят в зеркале, сейчас неважно. Но давайте соберем еще одни часы, точно такие же, как зеркальное отражение первых: вместо всех винтиков с правой резьбой возьмем такие же винтики, но с левой… Если начальные условия у обоих часов были одинаковыми, если пружины были заведены с одинаковой силой, будут ли и те, и другие с тех пор идти в точности как зеркальные отражения друг друга?

Интуиция — и, наверное, любой эксперимент, который вы сможете провести в своей домашней лаборатории — подскажет, что если посмотреть на «перевернутые» часы в зеркале, они должны быть точно такими же и идти точно так же, как и оригинал.

Представьте себе, что Алиса оказалась в Зазеркалье, в параллельном мире, где каждый предмет — отражение земного. Сможет ли она их различить? Иначе говоря, сумеет ли она разобраться, какая рука у нее на самом деле левая?

Такое превращение посложнее, чем превращение вещества в антивещество, поскольку полностью погрузиться в предлагаемые обстоятельства практически невозможно. Скорее всего, вашей первой реакцией будет что-то вроде «Конечно, заметит. Не задавайте глупых вопросов».

Однако вспомните, что в раннем детстве вам частенько случалось путать право и лево. Как вы напоминали себе, где у вас какая рука? Англоязычных детишек учат так: оттопырь большой и указательный пальцы, и на левой руке получится буква L — «left». Так вот этот фокус у Алисы не получится. Зеркало отражает и буквы тоже, так что L будет повернута в другую сторону. И тогда Алиса примет свою правую руку за левую. Она не сможет разобраться, на какой Земле находится — на обычной или зазеркальной — просто поглядев себе на руки.

И в этом нет ничего удивительного. Если бы отражение в зеркале не выглядело правдоподобно, я бы не попадал постоянно впросак и не налетал на зеркальные стены в ресторанах, решив, будто это продолжение зала. Каждый раз!

Мне бы хотелось, чтобы вы не забывали об одном обстоятельстве. Дело не в том, что антивещественная Страна чудес и зазеркальная вселенная тождественны вашей. Конечно, не тождественны. Вопрос в том, как видно из примера с часами, который приводит Фейнман, тождественны ли законы в этих вселенных законам в нашей, или же в них есть какое-то тонкое различие.

Алиса вольна прыгать на месте, играть с магнитами, изучать структуру атома. И все это приведет к тем же самым результатам, как и до того, как она прошла сквозь зеркало. Если бы в реальном мире все происходило точно так же, как в зеркале (на самом деле нет), у нас была бы симметрия следующей разновидности –

Р-симметрия, она же Пространственная четность, — это когда все законы физики действуют точно так же, если смотреть на происходящее в зеркало.

Р — значит «parity», то есть четность. Мы уже знаем, что в нашей вселенной эта симметрия соблюдается не всегда. Если частица, электрон или нейтрино, например, создается в результате слабого взаимодействия, она всегда левозакрученная (то есть если она летит на вас, кажется, что частица вращается по часовой стрелке). Античастицы обладают противоположным спином. В этом-то все и дело!