Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Хиральность вселенной: почему не существует симметрии правого и левого.

13.10.2015 в 06:29

( Наука@Science_Newworld).

Хиральность.

Физики и математики с различными видами симметрий постоянно сталкиваются. Первые ищут таковые в окружающем нас мире, а вторые - придумывают в принципе возможные симметрии, которые только могли бы существовать.


С математической точки зрения симметрия - это некое преобразование, после которого объект этого преобразования остается неизменным. К примеру, сферическая симметрия говорит о том, что вид тела не изменится, на какие углы мы бы его не поворачивали. Форма снежинки также обладает симметрией, но в этом случае мы можем поворачивать ее лишь на определенные углы, чтобы ее вид оставался неизменным.

Одним из самых знакомых нам видов симметрии является двусторонняя симметрия - ей соответствует великое множество форм в природе, начиная от бабочек и заканчивая человеком. Действительно, внешний вид нашей правой половины хоть и не в точности идентичен левой, но все же очень на нее похож. Есть, правда, одно важное "но" - правая половина похожа на левую в ее зеркальном отражении.

Только в том случае, если вы посмотрите на свои ладони, то нетрудно будет наглядно убедиться, что их совершенно нельзя совместить в пространстве таким образом, чтобы они полностью совпали. Две ладони являются как бы зеркальным отражением друг друга. Поэтому, если вы вытянете перед зеркалом правую руку, то в отражении она будет идентична левой и наоборот. Это свойство отсутствия равенства между правым и левым называется хиральностью - от греческого слова Hiral, которое и обозначает ладонь.

Симметрии и физика.

Физика также имеет дело с разнообразными симметриями, количество которых, скорее всего, несколько больше, чем многие себе представляют. Каждая из таких симметрий всегда связана с одним из фундаментальных принципов той или иной физической теории.

К примеру: симметрия всех точек пространства говорит о том, что все они абсолютно равноценны с точки зрения физического описания. Это порождает закон сохранения импульса. Так называемая Лоренц - симметрия говорит о равенстве всех возможных систем отсчета. Эта симметрия в наиболее общей форме была выведена Альбертом Эйнштейном в рамках теории относительности.

Далеко не всегда симметрия дело с пространством имеет. Есть симметрия, говорящая о том, что нет каких-либо специфических выделенных точек и во времени. Следствием этой симметрии является закон сохранения энергии.

В современной физике элементарных частиц существует множество более сложных симметрий: фазовая, симметрия электрического заряда или цветового заряда кварков. Все они приводят к так называемой калибровочной инвариантности физический полей - фундаментальному свойству всей физики элементарных частиц. Этот вид симметрии приводит к закону сохранения электрического заряда.

Но в фундаментальной физике далеко не все так симметрично. Гораздо интереснее те случаи, когда одна из симметрий нарушается, причем на самом фундаментальном уровне. В частности, пространственная симметрия правого и левого.

Неравноценность правого и левого.

Для электромагнитного взаимодействия, частным случаем которого является свет, между правым и левым направлением нет никакой разницы. Аналогично обстоит дело для сильного ядерного взаимодействия и гравитации. Однако четвертое фундаментальное физическое взаимодействие - слабые ядерные силы - относительно правого и левого очень чувствительно.

Частицы - переносчики слабого взаимодействия, называемые калибровочными векторными бозонами, - воздействуют лишь на те частицы, которые обладают так называемым левым спином, а именно - направленным противоположно их импульсу. Это свойство слабых ядерных сил было обнаружено в 1957 году и стало настоящей сенсацией для физиков, так как до этого считалось, что все физические законы симметричны относительно своего отражения в зеркале, то есть симметричны относительно правого и левого.

Иными словами, если проводить одинаковые физические опыты на двух экспериментальных установках, одна из которых является идеальным зеркальным отражением второй, их результаты отнюдь не совпадут. Это происходит из-за нарушения симметрии правого и левого для частиц - переносчиков слабого взаимодействия.

После этого открытия физики высказали предположение, что пространственная симметрия все же сохраняется, если, кроме направления, заменить еще и заряд, чтобы все частицы превратились в античастицы - электроны в позитроны, кварки в антикварки и так далее. Но довольно быстро обнаружилось, что слабое взаимодействие не симметрично и относительно заряда. Отсутствовала симметрия и при одновременном зеркальном отражении и замене заряда - так называемая комбинированная CP - симметрия (от C - заряд, P - импульс.

Вскоре стало ясно, что слабое взаимодействие все же симметрично, но в более хитрой форме. Оно обладает так называемой CPT - симметрией. Это значит, что законы физики сохранятся, если не только поменять мир на зеркальный и заменить в нем все частицы на античастицы, но еще и поменять направление времени (именно время обозначает буква T. из-за специфических свойств слабого взаимодействия лишь в этом случае зеркальная вселенная будет полностью идентична нашей.

Материя и антиматерия.

Нарушение симметрии левого и правого в слабом взаимодействии имеет далеко идущие последствия. Настолько далеко, что без этого вселенной в том виде, в котором она есть, попросту бы не существовало.

К примеру, согласно представлениям, в основе которых лежит идея академика Сахарова, именно нарушение CP - симметрии является причиной того, что в нашем мире материя полностью вытеснила антиматерию. Действительно, античастицы мы пока что наблюдали лишь на ускорителях, и нигде во вселенной нет даже маленького кусочка антивещества. Хотя с точки зрения эволюции вселенной это вовсе не однозначное ее свойство, ведь оно говорит о том, что вещество имеет над антивеществом некое количественное или качественное преимущество.

Действительно, после возникновения вселенной из большого взрыва вещества и антивещества должно было образоваться одинаковое количество. В этом случае все частицы и античастицы должны были бы аннигилировать друг с другом, и все, что от них бы тогда осталось, - это световое излучение. Но ничего подобного не произошло - некоторое количество вещества все же осталось, и все, что мы видим вокруг, именно из этого оставшегося вещества и состоит. Нарушение CP - симметрии, как считается, и является необходимым условием сохранения этого остаточного вещества в ранней вселенной. Лишь в том случае, если бы не оно, ничего, кроме света, попросту бы не существовало.

Масса.

В 1960-х годах физики набрели на еще одну необычную идею, связанную со слабым взаимодействием. В рамках теоретических исследований вдруг обнаружилось, что слабое взаимодействие при достижении определенных энергий становится неотличимо от электромагнитного. Вскоре это было доказано экспериментально - при достижении энергии в 100 гэв слабое и электромагнитное взаимодействия действительно объединяются в одну силу.

Однако, как мы знаем, эти взаимодействия при обычных энергиях все же очень разные - электромагнитное не ограничено в пространстве, так как его переносчик (фотон) не имеет массы и может путешествовать по вселенной сколь угодно долго. А вот слабое взаимодействие, напротив, заметно лишь на очень маленьких расстояниях, даже меньших, чем атомное ядро.

Все дело в том, что частицы - переносчики слабого взаимодействия (векторные калибровочные бозоны) - являются, в отличие от фотонов, крайне тяжелыми - их масса примерно в сто раз больше массы протона. На языке физики это значит, что долго они не живут, поэтому слабые ядерные силы передаются лишь на очень короткие расстояния.

Почему у двух проявлений одного фундаментального взаимодействия такие разные свойства? Ответ на этот вопрос предложил в 1965 году физик питер хиггс, придумавший так называемый механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии, названный впоследствии его именем.

Главным участником этого механизма, как можно догадаться, является недавно открытый бозон хиггса - квант поля хиггса. Это специфическое физическое поле пронизывает все пространство, и его можно сравнить с патокой - все элементарные частицы как бы вязнут в поле хиггса, которое препятствует их ускоренному движению. А вот летящие равномерно и прямолинейно частицы с полем хиггса никак не контактируют.

Это увязывающее действие есть не что иное, как придание элементарным частицам массы. Причем масса придается лишь тем частицам, которые подвергаются слабому взаимодействию. К примеру, фотоны и глюоны (переносчики электромагнитных и сильных ядерных сил соответственно) слабому взаимодействию не подвержены, поэтому массы они не имеют.

Таким образом, нарушение симметрии в слабом взаимодействии ответственно еще и за то, что в нашем мире есть такое фундаментальное понятие, как масса. Но и это еще не все. В случае если копнуть глубже, можно обнаружить еще более неожиданную связь между нарушением симметрии правого и левого и окружающим нас миром.