Хиральность вселенной: почему не существует симметрии правого и левого.
Популярные материалы
Today’s:
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.
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.
Источник
Вселенная скорее всего не симметрична.
Вселенная скорее асимметрична.
Согласно существующей теории Большого Взрыва, вещества и антивещества должно было быть поровну и к концу первых мгновений жизни нашей Вселенной, кварк-глюонная плазма, состоящая из смеси частиц и античастиц, должна была проаннигилировать, оставив нам фотоны и нейтрино. Другим путём формирования нашей Вселенной, должна была стать некая асимметрия в процессе рождения мира, в результате чего возник избыток материи над антиматерией, или же должен был существовать механизм сепарации и антизвёзды и антигалактики сейчас существуют где-то в противоположном конце Вселенной, изолированно и почти не сталкиваются с миром звёзд и галактик. Правда последние эксперименты учёных с атомами антиводорода показали, что скорее всего если антивещество где-то и существует, то его должно быть очень мало, а может и того меньше — совсем нет.
Итак, что же мы знаем об антивеществе?. Существование антиматерии предсказал английский физик-теоретик Поль Дирак, который на досуге занимаясь математическим моделированием строения материи и к своему удивлению однажды обнаружил что квантовая механика, которая в те времена испытывала подъём, предполагает решения уравнений, описывающих электрон, ещё и в том случае, если он будет иметь положительный заряд. Открытие на кончике пера оказалось пророческим. Через четыре года американец Карл Андерсон открыл в космических лучах с помощью камеры Вильсона. Новую частицу нарекли именем «позитрон». А в 1955 году, когда на циклотроне в Беркли был открыт и антипротон, стало совсем ясно, что антиматерия это не красивый математический казус, а самая настоящая реальность. Физики окончательно сошлись в том, что антиматерия может существовать, правда, не контактируя со своим антиподом — материей.
Затем открытия пошли уже лавинообразно. За антипротонами обнаружились антинейтроны, а потом уже и атомы антиводорода и даже антигелия. Правда более тяжёлых ядер в приходящих из глубин Вселенной космических лучах пока не найдено. Скорее всего, их в ближайшее время синтезируют искусственно, на одном из ускорителей, ведь научились же производить на свет миллионы ядер антиводорода, но это уже другой разговор, нас же сейчас интересуют лишь ядра антивещества естественного (космического) происхождения.
Итак, что же произошло при рождении Вселенной? Скорее всего мы попросту не знаем сценария нарушения симметрии, а их может быть множество, от самых удивительных, в виде готовой программы рождения нашего мира по типу сложнейшей компьютерной игры, то в общем-то до вполне себе объяснимых — ведь в момент Большого Взрыва известные нам законы физики могли попросту не действовать или быть совсем другими. И кроме того, существует интересный момент, который почему-то не рассматривается физиками. Ведь в момент аннигиляции высокоэнергичных электронов и позитронов рождаются виртуальные частицы, например адроны, которые тут же и исчезают, но кто знает, как работал этот механизм в первые мгновения Большого Взрыва?
Но всё же, давайте попробуем представить на минуту, что было бы если бы вся Вселенная состояла из антивещества? Как бы это выглядело? Существовали бы галактики, звёзды, планеты, жизнь в её разумной форме, наконец?
Физики говорят, что для того чтобы провести замену материи на антиматерию, в математической теории понадобится провести зарядовое сопряжение именуемое так же как С-преобразование. Но увы, если поменять у частиц только заряды, то законы в такой Вселенной будут совершенно не похожими на существующие.
Продолжим физический эксперимент и попробуем представить, что наша Вселенная станет полностью зеркальной, то есть все частицы в нем будут вести себя как зеркальное отражение самих себя. Зеркальным будет абсолютно всё, заряд и спин, магнитный момент. Полная инверсия. Может тогда у нас что-то получится?
Опять же, как оказалось, нет. Вроде бы должно, но у слабого взаимодействия, есть тенденция нарушать комбинированную СР четность. В такой зеркальной Вселенной слабое взаимодействие работает не всегда. CP — это произведение двух симметрий: C — зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в её античастицу, и P — чётность, которая создает зеркальное изображение физической системы. Сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие являются инвариантными по отношению к комбинированной операции CP преобразования, но эта симметрия частично нарушается в процессе некоторых типов слабых распадов.
В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч провели любопытный эксперимент, за который через 16 лет получили Нобелевскую премию по физике. Итогом его стало то, что в зеркальной Вселенной, состоящей из антиматерии наши физические законы работать не будут. Или по крайней мере не будут работать так же как и в нашей Вселенной.
И тогда физики прибегли к последнему аргументу. Для того, чтобы все физические законы начали работать в точности как в нашем мире, понадобится совершить шокирующий шаг — запустить время в обратном направлении и только после этого удастся получить полную симметрию. Вот в ней-то все законы физики будут работать в точности так же как и в нашей Вселенной, с одной лишь разницей, что время там будет течь вспять.
Не возможно себе представить что такое мир, в котором время течёт в другом направлении… Звёзды тогда должны в начале умирать, а потом двигаться к своему зарождению, планеты распадаться, эволюция жизни должна пойти в противоположном направлении, мертвые восстать из могил, начать молодеть и вернуться в утробы матери, ну и так далее и тому подобное. Короче кто видел кино, запущенное в обратную сторону, тот поймёт о чём я.. Во что превратится причинно-следственная связь? Даже не знаю что и ответить. Единственное что очевидно, это то, что такого мира по логике вещей существовать не может.
Если вам понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайки, это позволяет автору создавать больше интересных материалов и глубже раскрывать суть тематики канала о Вселенной.
Источник