Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Понятие симметрии — одно из самых работоспособных в физике. Поведение не только волчка, но и атома и атомной бомбы определяются симметрией. Теоретик всегда ищет максимально симметричное упрощение своей задачи. А всякий фундаментальный физический закон раскрывает некую симметрию природы. Если же обнаруживается какая-то асимметрия, то это — проблема для теоретика.

«Электродинамика Максвелла в применении к движущимся телам приводит к асимметрии, несвойственной самим явлениям», — так Эйнштейн начал статью о теории относительности. Созданием этой теории он преодолел асимметрию, которая оказалась лишь видом сбоку на глубинную симметрию природы.

Другой триумф симметрии в физике обязан Полю Дираку. В конце 1920-х годов, стараясь соединить теорию относительности и квантовую механику, он получил элегантное уравнение для электрона. Вскоре, однако, обнаружилось, что уравнение описывало еще и другую частицу — в чем-то очень похожую на электрон, а в чем-то противоположную. По массе эта частица совпадала с электроном, а по заряду была противоположной. Настолько противоположной, что встреча этой частицы с электроном привела бы к их аннигиляции, то есть взаимоуничтожению.

Никаких частиц, кроме электронов и протонов, физика тогда не знала, но Дирак поверил в симметрию своего уравнения и предсказал новую частицу, назвав ее антиэлектроном. Вскоре экспериментаторы обнаружили в космических лучах такую частицу, а назвали позитроном — из-за ее позитивного заряда. Для теоретиков же главное свойство новой частицы — быть антикопией электрона. Позже были открыты другие элементарные частицы с их антикопиями, которым уже давали правильные имена: антипротон, антинейтрон, антинейтрино… Когда частица и ее античастица при встрече аннигилируют, рождаются новые пары частица-античастица или частицы света — фотоны, наследующие суммарную энергию родительской пары.

Мощь симметрии в объяснении реального мира убедила Дирака в том, что «физические законы должны обладать математической красотой». А история его успеха — одна из любимых у физиков-теоретиков, включая Сахарова. Когда он как-то показывал Лидии Чуковской свою способность писать зеркально, то первым делом написал «электрон + позитрон = 2 фотона». Затем написал ее имя-отчество одновременно двумя руками в противоположных направлениях. Она попыталась повторить его фокус, но, оказалось, что писать симметрично дается не всем.

Из архива Е.Ц. Чуковской

А если бы и Лидия Корнеевна владела обеими руками одинаково и писала бы научной латиницей, получился бы у них автограф бабочкой:

Зеркальная симметрия, или симметрия бабочки, причастна к самой успешной идее Сахарова в космологии. В 1966 году, уже составив себе научный план на 16 лет вперед, он обратил внимание на странную асимметрию: античастиц в окружающей нас Вселенной очень мало, хотя для теоретиков вещество и антивещество имели равное право на существование. После того как экспериментаторы в 1932 году открыли антиэлектрон-позитрон, следующую античастицу — антипротон — удалось наблюдать лишь 33 года спустя. И лишь в конце века экспериментаторы сумели из антипротонов и антиэлектронов сделать атомы антиводорода. Сделали всего несколько штук, и прожили эти атомы лишь миллиардные доли секунды — до первой встречи с обычным веществом и аннигиляции.

Поясняя в популярной статье, что такое антивещество, Сахаров указал, что «аннигиляция 0,3 г антивещества с 0,3 г вещества даст эффект взрыва атомной бомбы», — вторая профессия дала о себе знать. Итак, соприкосновение двух таблеток с ноготок привело бы к такому же взрыву, как 20 тысяч тонн — десять эшелонов — обычной взрывчатки.

После такого пояснения уже не сочувствуешь экспериментаторам, создающим антивещество. Но можно посочувствовать теоретикам. Ведь все эксперименты с античастицами ничего не изменили в том теоретическом равноправии вещества и антивещества, о котором узнали еще в 1932 году. Как же свести концы с концами — теоретические с эмпирическими? Как объяснить, что равноправные вещество и антивещество так неравно представлены во Вселенной? На этот вопрос и искал ответ Сахаров.

Наиболее весомую часть вещества составляют ядерные частицы — протоны, нейтроны и их близкие родственники. Это семейство физики назвали барионами. А видимое отсутствие антибарионов назвали барионной асимметрией Вселенной.