ых людей. Однако при более внимательном взгляде противоречие разъясняется. Чтобы в этом разобраться лучше, рассмотрим не такой сложный объект, как человек. Существует, например, два типа кварца, которые по своему молекулярному строению зеркально подобны, как правая и левая рука. Эти два типа кварца встречаются на земле в различных количествах. То же относится и к другим минералам. Поэтому асимметрию в живой природе можно объяснить тем, что пища или «строительный материал», встречающийся в природе, не имеет зеркальной симметрии. Тогда вопрос сводится к гораздо более простому — к нарушению зеркальной симметрии в мертвой природе. В связи с этим следует вспомнить об одном удивительном опыте Пастера, который обнаружил, что могут существовать две зеркально симметричные формы одного и того же вещества. Было известно, что свет, проходя через виннокаменную кислоту, встречающуюся в природе, изменяет направление поляризации (направление поляризации — это направление электрического поля в световой волне).
После того как свойства естественной виннокаменной кислоты были хорошо изучены, химики получили искусственную виннокаменную кислоту. По всем физическим и химическим свойствам она не отличалась от виннокаменной кислоты, встречающейся в природе. К колоссальному удивлению физиков и химиков того времени, когда через синтезированную кислоту пропустили поляризованный свет (свет с постоянным направлением поляризации), то обнаружилось, что, в отличие от естественной кислоты, свет не изменяет направления поляризации.
Пастер сделал предположение, что искусственная кислота представляет собой смесь двух зеркально симметричных форм (таких, как правая и левая рука). Один тип кислоты поворачивает направление поляризации направо, а другой — налево, — в результате направление поляризации не изменяется.
Для доказательства этой гипотезы Пастер вырастил в искусственной кислоте колонию микробов, которые пожирают виннокаменную кислоту. Пастер рассуждал так: микробы приучены к поглощению той кислоты, которая есть в природе, поэтому оставшаяся часть искусственной кислоты будет представлять форму зеркально симметричную естественной кислоте.
Что же обнаружилось? По мере того как микробы размножались в искусственной кислоте, направление плоскости поляризации проходящего света все более и более поворачивалось. Если естественная кислота поворачивала плоскость поляризации направо, то синтезированная кислота после размножения микробов стала поворачивать плоскость поляризации налево. Можно представить себе волнение и радость Пастера, когда его догадка подтвердилась таким удивительным и неожиданным способом. Это, наверное, единственный случай в истории физики, когда физическое открытие было сделано с помощью микробов.
Таким образом, Пастер блестяще доказал свою гипотезу и, кроме того, показал, что уже низшие организмы имеют приспособления, отличающие предмет от его зеркального отражения. Тот факт, что при любом способе искусственного получения вещества обе зеркальные формы появляются в одинаковом количестве, лишний раз подтверждает симметрию законов природы относительно зеркального отражения.
Зеркальную асимметрию в живой природе следует объяснять не нарушением зеркальной симметрии законов природы, а историческими причинами (одна из возможных причин асимметрии — вращение Земли — дает некоторое преимущество одной из зеркальных форм по сравнению с другой, но это преимущество совершенно недостаточно для объяснения наблюдаемого различия).
В той части земли, где впервые возникла жизнь, случайно оказалось больше, скажем, «правого строительного материала», чем «левого», и поэтому возникла одна из зеркальных форм, которая затем наследовалась. Что же касается различия в распространенности правых и левых минералов, то это различие можно объяснить тем, что во время их образования в окружающем веществе были сильные скручивающие напряжения или если это была жидкость, то сильные вихревые движения.
Физики пришли к убеждению, что все законы природы в нашем мире и в мире, зеркально отраженном, будут одинаковы.
Примерно десять лет тому назад начались первые неувязки с этим законом. Была обнаружена частица (К-мезон), которая может распадаться либо на две, либо на три других частицы (пи-мезоны). Анализ этих опытов привел физиков к заключению, что здесь нарушается зеркальная симметрия. Она запрещает К-мезону распадаться обоими способами.
Но самый решительный удар по закону зеркальной симметрии был нанесен блестящим опытом американской исследовательницы By. Она наблюдала радиоактивный распад ядер, помещенных в магнитное поле. При этом из ядер вылетают электроны и антинейтрино или позитроны и нейтрино (позитрон отличается от электрона только знаком заряда. Нейтрино и антинейтрино — нейтральные частицы с массой, равной нулю). Обнаружилось, что электроны вылетают преимущественно под тупыми углами к направлению магнитного поля. Между тем по закону зеркальной симметрии острые и тупые углы должны были бы встречаться одинаково часто. Действительно, посмотрим на отражение этой установки в зеркале. Магнитное поле изменит свое направление на обратное, как винт, который из правого при отражении превращается в левый. Ведь направление магнитного поля определяется из направления тока в катушке, создающей поле как раз по правилу винта. Поэтому тупые углы к направлению магнитного поля в зеркале превратятся в острые. Следовательно, зеркальное изображение опыта выглядит не так, как сам опыт, что прямо противоречит закону зеркальной симметрии. Наступил период смятения. Казалось, что следует отказаться и от других свойств симметрии нашего пространства. Выход из тупика нашли советский физик Ландау и американские физики Ли и Янг. Идея была следующая: при радиоактивном распаде вылетающее одновременно с электроном антинейтрино представляет собой зеркально несимметричную частицу (она летит, вращаясь направо). Теперь при отражении в зеркале вся картина изменится — не только острые углы перейдут в тупые, но и антинейтрино из правого винта превратится в левый. Поскольку в зеркальной картине испускается другая частица, опыт By уже не противоречит зеркальной симметрии пространства.
Дальнейшие опыты подтвердили эту догадку — нейтрино действительно оказалась зеркально несимметричной частицей, — при зеркальном отражении она не переходит сама в себя, подобно тому как шуруп с правой резьбой при зеркальном отражении превращается в шуруп с левой резьбой или как правая рука превращается в левую.
Таким образом, зеркальная симметрия пространства не нарушается. Пространство зеркально симметрично, а зеркальная асимметрия при радиоактивном распаде целиком определяется асимметрией нейтрино.
Радиоактивный распад с вылетом позитрона зеркально симметричен электронному распаду. При распаде с вылетом позитрона вылетает нейтрино, которая в противоположность антинейтрино летит вращаясь налево, поэтому если одновременно с отражением мысленно заменить все заряды на противоположные, то все электроны заменятся на позитроны, а нейтрино — на антинейтрино, и наоборот, и симметрия полностью восстановится.
До этих опытов физики считали, что законы природы не изменятся, если все заряды заменить на обратные. Это свойство законов природы называется зарядовой симметрией. Теперь, для того чтобы включить в рассмотрение и явление радиоактивного распада, закон пришлось уточнить. Природа обладает не зарядовой, а зарядово-зеркальной симметрией. Законы природы не изменятся, если все заряды в мире изменить на обратные и одновременно произвести зеркальное отражение. В таком мире протоны будут иметь отрицательный заряд, а электроны — положительный, в противоположность зарядам в нашем мире. Согласно зарядово-зеркальной симметрии, все уравнения физики допускают наряду с частицами существование античастиц. И такие античастицы действительно были обнаружены. Антиэлектрон, то есть позитрон, был обнаружен еще в 1932 году Андерсеном. Далее были обнаружены антипротон и антинейтрон. Поскольку ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, то из антипротонов и антинейтронов можно составить соответствующий антиэлемент. Если к такому антиядру, заряженному отрицательно, добавить позитроны, то получится антиатом, а из антиатомов можно построить антивещество. Силы между античастицами по закону зарядово-зеркальной симметрии равны силам между частицами, поэтому антивещество будет обладать теми же свойствами, что и вещество.
Существуют ли в нашей вселенной антимиры, то есть области антивещества? Это пока остается без ответа, хотя логически существование антимиров совершенно естественно.
Из сказанного ясно, что антимир отличается от нашего мира не только знаком зарядов. В таком мире изменится понятие правого и левого: антимир — зеркальное отражение нашего мира. Люди этого мира, если бы они проходили ту же историческую эволюцию, что и мы, имели бы сердце с правой стороны. Более сильная рука у них была бы левая. Замечательный американский физик Р. Фейнман в своих лекциях говорит: «Если в космическом пространстве вы встретите корабль, идущий из далекого мира, и космонавт протянет вам левую руку, берегитесь — возможно, он состоит из антивещества!» Закончу тем, что добавлю к непонятным фразам, приведенным вначале, еще одну, как я надеюсь, теперь понятную: «Законы природы инвариантны относительно операции зеркального и зарядового сопряжения».
К сожалению, это красивое утверждение не совсем точно.
В последние годы в опытах по распаду того же злополучного Κ-мезона, который принес первые неприятности с нарушением зеркальной симметрии, было обнаружено небольшое, но колоссально важное с принципиальной точки зрения нарушение закона зарядово-зеркальной симметрии.
Означает ли это, что наше пространство несимметрично? Удастся ли сохранить стройность картины, как в случае нарушения зеркальной симметрии при радиоактивном распаде?