Законы сохранения и симметрия мира

Законы сохранения и симметрия мира

Одним из очень интересных вопросов для физиков последних двух поколений был вопрос: существует ли какая-нибудь связь между другими общими свойствами Вселенной и законами сохранения? Оказывается, существует, и самая непосредственная — она основывается на симметриях мира во времени и пространстве.

Первая из симметрий называется «однородностью времени»; неважно, когда начинается какой-либо физический процесс (если не обращать внимания на удобства экспериментатора): природа не изменится часом или годом позже против первоначального момента. Вторая и третья симметрии относятся к пространству. «Однородность пространства» означает, что законы физики одинаковы во всех местах Вселенной — на Земле, на Сириусе, в районе созвездия Лебедь и т. д. «Изотропность пространства» означает, что в пространстве все направления равноценны (этим, между прочим, пространство отличается от времени, у которого есть одно привилегированное направление — вперед).

Выяснилось, что из каждого указанного свойства симметрии вытекает «свой» закон сохранения. Как показала еще в 1918 году немка математик Эмми Нетер, из однородности времени следует закон сохранения энергии, из однородности пространства — закон сохранения импульса, из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса.

А что, если вдруг окажется, что свойства пространства — времени не таковы, как мы предполагаем? Нарушатся ли в этом случае наши законы сохранения?

Правильный ответ здесь, вероятно, таков: могут «разрушиться» лишь старые формулировки; потребуются новые формулировки. Принципы сохранения останутся, только выраженные точнее. Или они перейдут из категории точных принципов в категорию приблизительных. И все равно будут отражать постоянное в природе.

Хороший пример — недавняя сенсационная история с опровержением так называемого закона сохранения четности.

Этот закон был открыт для частиц микромира, основываясь на признании однородности и изотропности пространства, взятых вместе. Такое сочетание приводило к «зеркальной симметрии» — предположению, что законы природы не изменятся, если заменить все явления на их зеркальные отражения. Это значит, что, «правое» и «левое» равноценны. Ситуация напоминает ту, как если бы мы посмотрели на свое отражение в зеркале и вдруг узнали, что перед нами не зеркало, а окно. Мы увидим собственного двойника, только все, что у нас справа, — у него будет слева, и наоборот. Он будет повторять все наши действия «зеркально» и даже не почувствует разницы от того, что живет в «зазеркалье».

Так, во всяком случае, предполагалось, пока два американских физика Ли Дзун-дао и Янг Чжэнь-нин не открыли в 1956 году, что природа в некоторых случаях прекрасно разбирается, где правая, а где левая сторона: зеркальный распад некоторых частиц вовсе не совпадал с распадом «по сю сторону зеркальной плоскости». В природе обнаружилась несимметрия.

Это было убийством старого закона сохранения четности. Собственно говоря, кризис до конца не преодолен и поныне. Все же напряжение значительно разрядилось. Этим физика обязана советскому ученому академику Льву Давидовичу Ландау.

Ландау высказал идею, согласно которой нарушение симметрии наблюдается лишь потому, что вещество рассматривается отдельно от антивещества, то есть вещества, состоящего из частиц, противоположных тем, из которых состоит вещество нашей части мира. Инвариантность (неизменность) законов физических явлений восстановится, если зеркальное отражение сочетается с заменой частиц на античастицы, то есть если будет произведена, как говорят физики, «комбинированная инверсия». Если идея Ландау верна, то наш «зазеркальный человек» должен состоять не из протонов, нейтронов и электронов, как мы и все тела нашего мира, а из антипротонов, антинейтронов и позитронов.

Исследование законов симметрии мира продолжается, а это значит, что далеко не закончен еще и «свод законов сохранения».

Будущее сулит интересные находки, и, как знать, сколько удивительных сюрпризов еще встретим мы на этом продолжающемся пути.