Наше сердце расположено в левой стороне тела. Опять-таки это вовсе не предполагает фундаментальной асимметрии в основных законах: левое положение сердца человека с точки зрения развития жизни на нашей планете просто случайно. Можно представить себе организм, имеющий сердце справа; как мы уже говорили, такие случаи отмечались в действительности. Здесь мы имеем пример асимметричной структуры, которая может существовать в двух формах — левой и правой, но одна из них (правая) встречается крайне редко. Закон сохранения четности не утверждает, что зеркальные изображения асимметричных структур или движущихся систем должны встречаться столь же часто, как оригиналы. Он лишь указывает, что в законах природы не содержится ничего, что препятствовало бы существованию обоих типов асимметричных форм — правых и левых.

Физики иногда поясняют зеркальную симметрию Вселенной следующим образом. Вообразим такую ситуацию: некое явление природы снято на кинопленку и спроектировано на экран таким образом, что мы видим не истинную картину того, что происходило на самом деле, а ее зеркальное изображение. Можно ли, наблюдая движение фигур на экране, установить, что мы имеем дело с зеркальным изображением, а не с оригиналом? Десять лет назад физик ответил бы вам: нет, невозможно. Конечно, мы сразу ответили бы на вопрос, если бы увидели в фильме любые изготовленные людьми асимметрические структуры — напечатанные буквы или числа, циферблат часов и т. п. Однако в действительности мы имеем дело лишь с фундаментальными процессами природы, в которых отсутствует какая-либо искусственная асимметрия, внесенная живыми существами. Например, мы засняли на кинопленку течение химической реакции или падение капель масла на поверхность воды. Мы не имеем возможности, сказал бы физик десять лет назад, установить, что картина зеркально обращена.

Зеркальное изображение фильма о росте левостороннего кристалла из левостороннего расплава точно воспроизводит картину формирования правостороннего кристалла. Но, не располагая предварительной информацией, мы не сможем отличить наш случай от того, когда наблюдается необращенная картина роста правостороннего кристалла из правостороннего расплава. Окрасим в синий цвет конец магнитной стрелки и снимем на цветную пленку эксперимент со стрелкой и проволокой, произведший такое сильное впечатление на Маха. В «Зеркальном» фильме синий конец стрелки будет показывать ложное направление. Но если бы мы увидели эту картину, не зная, как она получена, то наверняка решили бы, что кто-то выкрасил в синий цвет южный конец магнитной стрелки, и это бы все объяснило. Если полюса магнита не отмечены буквами N и S или каким-либо другим образом, то и отраженная картина эксперимента с магнитом не содержит никаких деталей, позволяющих убедиться в том, что она зеркально обращена.

Все это, конечно, просто иная формулировка проблемы Озма. Если бы удалось поставить эксперимент, в котором нарушалось сохранение четности и демонстрировалось предпочтение природы правому или левому, то это немедленно дало бы нам решение Озма-проблемы. Нам бы осталось лишь сообщить ученым планеты X, как поставить такой эксперимент. По выявившейся асимметрии они сразу бы составили представление о правом и левом.

В прошлом я написал небольшую научно-фантастическую повесть (опубликованную в 1951 году), в сюжете которой следующим образом использован закон сохранения четности. Земля подверглась внезапному нападению обитателей планетной системы Зета-59. Лаборатория по производству небольших спиральных устройств — геликсонов, находящаяся на Аляске, разрушена. Геликсоны являются существенным элементом обороны Земли. Их нехватка весьма ощутима. Ближайший пункт, где их теперь можно найти, — эта планета, колонизованная столетия назад землянами и находящаяся на далекой окраине нашей Галактики. За ними посылается специальная экспедиция. На обратном пути нагруженный геликсонами корабль сталкивается -с метеоритом; в результате столкновения корабль на некоторое время попадает в четырехмерное пространство и, оказавшись снова в обычном трехмерном пространстве, вынужден остановиться для устранения повреждений на неизвестной землянам планете. И тут капитану корабля становится ясно, что если корабль за время пребывания в четырехмерном пространстве совершил нечетное число оборотов, то он должен зеркально преобразоваться вместе со всем, что находится на его борту. Поэтому и геликсоны должны изменить винтовую ориентацию своих спиралей, а это означает, что они стали бесполезными. Перед капитаном встает вопрос: как до возвращения на Землю установить, произошло это или нет? Рассматривать какие-либо асимметричные конфигурации на корабле (например, надписи) бесполезно; поскольку если они преобразовались, то точно так же преобразовалось и все, с чем их можно было бы сравнивать, в том числе и сами астронавты.

Планета не населена, но она состоит из тех же элементов, что и Земля; на ней действуют те же физические законы. На корабле имеется великолепно оборудованная лаборатория. Можно ли поставить эксперимент, который бы установил, что корабль подвергся зеркальному преобразованию? Капитан приходит к выводу, что такого эксперимента не существует. Законы природы зеркально симметричны. Четность сохраняется. Даже если ему удастся обнаружить в какой-либо форме органическую жизнь на планете — любые организмы, содержащие асимметричные аминокислоты, — это не принесет никакой пользы, поскольку в природе нет законов, по которым аминокислоты не могли бы быть и правосторонними.

Через шесть лет после написания повести все эти рассуждения оказались безнадежно устаревшими. В 1957 году закон сохранения четности был ниспровергнут! В Колумбийском университете был поставлен эксперимент, в котором симметричная ядерная система переходила в асимметричную. Выявилась существенная асимметрия в законах, описывающих структуру некоторых элементарных частиц, когда эти частицы претерпевают реакции определенного типа. Если бы мой поставленный в тупик капитан космического корабля располагал необходимым оборудованием, он смог бы поставить на планете, где он высадился, подобный эксперимент; по результату опыта он мог бы совершенно однозначно установить, испытал ли его корабль зеркальное отображение.

Колумбийский эксперимент не имеет зеркального двойника, то есть зеркально обращенный фильм о нем представляет собой картину эксперимента, который не может быть выполнен нигде в нашей Галактике. Это как раз тот опыт, который разрешает Озма-проблему!

Более подробно об этом, по выражению Роберта Оппенгеймера, «блестящем и удивительном открытии» говорится в гл. 22. Однако сначала мы рассмотрим то, что физики называют античастицами, и ту странную гипотетическую разновидность материи, которая известна как антиматерия.

Существование античастиц тесно связано с несохранением четности. Усвоение некоторых сведений о них значительно облегчит понимание истории ниспровержения закона сохранения четности.

Глава 21. Античастицы

Теоретические представления о строении материи, подобно маятнику, колеблются от простых воззрений к сложным и обратно. Древние греки представляли себе все вещества как комбинации четырех элементарных типов материи: земли, воздуха, огня и воды. Потребовалось около двух тысячелетий, чтобы развитие химии привело к необходимости отличать около восьмидесяти различных элементов — веществ, состоящих из атомов определенного сорта. Эти атомы и были «элементарными» частицами до начала настоящего столетия, когда представления о строении материи снова не качнулись, подобно маятнику, к простоте. В начале тридцатых годов различие между атомами было весьма изящно объяснено в рамках модели, включающей только три (а не четыре, как у Аристотеля) вида элементарных частиц: протоны, нейтроны и электроны.

Затем маятник снова качнулся: к настоящему времени физики обнаружили от 30 до 100 различных элементарных частиц. Это число неопределенно потому, что неясно, какие частицы нужно называть «элементарными», а какие — различными состояниями одной и той же частицы. Такая вновь обнаруженная сложность семейства элементарных частиц заставляет физиков стремиться упростить ее подобно тому, как на основании боровской модели строения атома и ее последующего развития удалось объяснить периодическую таблицу элементов.