На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

Это проблема. Спиральность зависит от системы отсчета наблюдателя – это означает, что она не реальна. Не существует истинного различия между частицами с левой и правой спиральностями. И все же эксперименты в конце пятидесятых годов показали, что слабые ядерные взаимодействия, в которых участвуют кварки и электроны, действуют по-разному на лево– и правоспиральные частицы, бросая тем самым дерзкий вызов главному принципу теории Эйнштейна и его современному воплощению в виде калибровочной симметрии. Отразите пространство-время в зеркале, поменяйте местами лево и право, и вы увидите другой мир. Как если бы левое и правое имело какое-то значение. Как если бы они были инвариантами. Почему при слабых взаимодействиях спиральность проявляет себя как инвариантное свойство материи, когда оно в действительности зависит от наблюдателя?

Существует только одна возможность: если частицы движутся со скоростью света, то никто и никогда не может их обогнать; иными словами, во всех системах отсчета левоспиральные частицы останутся левоспиральными, а правоспиральные частицы – правоспиральными. Даже несмотря на то что спиральность принципиально зависит от системы отсчета наблюдателя, левоспиральность и правоспиральность в данном случае будут всегда проявляться как инвариантное свойство материи.

Казалось бы, это достаточно простое решение проблемы: просто все кварки и электроны должны перемещаться со скоростью света. Но основная загвоздка состоит в том, что кварки и электроны обладают массой. Вы не можете одновременно обладать массой и перемещаться со скоростью света – даже крошечный вес заставит вас замедлить скорость. Если частицы движутся медленнее, чем свет, то получается, что мы не можем объяснить, почему слабое взаимодействие предпочитает левоспиральные частицы, не нарушая при этом калибровочную симметрию.

Картина меняется, если у вас есть хиггсовское поле. Физики предположили[27] существование скалярного поля, всюду заполняющего пространство-время таким образом, что при взаимодействии с ним знак спиральности у частиц меняется на противоположный. Так, слабое взаимодействие только думает, что оно действует исключительно на левоспиральные частицы, а хиггсовское поле в фоновом режиме меняет правое с левым, из-за чего в слабом взаимодействии участвуют и правоспиральные, и левоспиральные в равной степени. Теперь вы можете отразить пространство-время в зеркале, и мир от этого не изменится. Благодаря хиггсовскому полю такие частицы, как кварки и электроны, могут иметь массу, не нарушая калибровочной симметрии.

Если вы внимательно посмотрите на то, что делает бозон Хиггса, вы заметите, что со временем происходит что-то странное. Когда левоспиральный электрон взаимодействует с хиггсовским полем, он переходит в правоспиральный антипозитрон. А антипозитрон – это не что иное, как электрон в системе отсчета, в которой стрела времени развернута вспять.

Два наблюдателя всегда придут к единому мнению об очередности событий во времени, если они происходят в области, в которой световые конусы наблюдателей перекрываются. Они могут не прийти к единому мнению о том, в какой момент времени происходят события, но они всегда будут согласны по поводу очередности событий. Для перекрывающихся наблюдателей «до» и «после» инвариантны. Но для девушки, находящейся вне моего светового конуса, эти слова потеряют всякий смысл. Мое «до» может быть ее «после», ее причина может стать для меня следствием. Вы можете предположить, что нам не надо беспокоиться об этом, коль скоро мы никогда не сможем сверить свои записи об этих событиях. Но в квантовой механике это не совсем так. Согласно принципу неопределенности частица вне моего светового конуса все-таки с некоторой ненулевой вероятностью и в обход законов теории относительности находится также и внутри него. При этом может показаться, что частица перемещается быстрее света – иначе говоря, что она движется назад во времени.

Уилер первым понял, что античастицы – это просто обычные частицы, для которых стрела времени обращена вспять[28]. Античастицы должны существовать хотя бы потому, что для некоторых наблюдателей частица может выглядеть так, словно она решила прокатиться на DeLorean[29]. Частицы и античастицы – это не что-то принципиально различное. Это – две разные точки зрения.

Не случайно бозон Хиггса обладает именно такими свойствами, которые позволяют компенсировать различия, создаваемые при переходе из одной системы отсчета к другой, потому что бозон Хиггса (меня только что осенило!) не существует в окончательной реальности. Как гравитация, электромагнетизм и ядерные силы, бозон Хиггса фиктивен – мы вынуждены добавить его в наше описание реальности, чтобы обеспечить равные права для всех систем отсчета и не путать различия в представлении с различием сути.

Я поняла: это именно то, для чего нужна физика. Каждый раз, когда мы различием систем отсчета разбиваем мир на куски, физика предлагает способ, как собрать его обратно воедино. Измените направление каждой пространственной координатной оси на обратное, превращая Вселенную в ее зеркальное изображение, и физика изменится. Замените заряд частиц на противоположный, превратив все частицы в их античастицы, и физика изменится.

Обратите стрелу времени вспять, поменяв местами будущее и прошлое, и снова физика изменится. Но если произвести все эти три операции одновременно, физика остается той же. CPT-инвариантность, как называют свойство мира сохраняться при одновременном применении этих трех операций, – это прямое следствие Лоренц-инвариантности пространства-времени. Заряд, четность (знак спиральности) и время вместе сохраняют структурную эквивалентность систем отсчета и не позволяют спутать разнообразие представлений с разнообразием реальности.

СРТ-инвариантность выявила глубокую связь между структурой пространства-времени и строением материи. Всякий раз, когда я просила физиков дать определение частицы, они отвечали, что это «неприводимое представление группы Пуанкаре», что звучало получше, чем «маленький шарик». Но теперь я наконец поняла, что они имели в виду. Они имели в виду, что симметрия пространства-времени определяет все сущее в нем. Симметрия Пуанкаре – это симметрия плоского, свободного от гравитации пространства-времени специальной теории относительности, симметрия, которая обеспечивает эквивалентность инерциальных систем координат, повернутых друг относительно друга, или движущихся равномерно с разными скоростями, или смещенных друг относительно друга в пространстве. То, что мы называем «частицами», – это исходные инвариантные структуры, которые в плоском пространстве-времени никогда не исчезают при переходе из одной системы координат в другую.

Системы отсчета имеют огромное значение в физике. В теории относительности конечная величина скорости света и относительность пространства и времени означали, что у разных наблюдателей разные представления об одной и той же конечной реальности. В ньютоновской физике, где пространство было абсолютным и скорость света бесконечной, вам не надо было заботиться о различии наблюдателей, потому что они все видели одно и то же. В мире Эйнштейна вам нужны правила, чтобы сравнивать между собой различные системы отсчета, отфильтровывая артефакты ви́дения. Для чего вам понадобились диффеоморфные преобразования и преобразования Лоренца, для того же вам понадобились и калибровочные силы. В мире Эйнштейна необходимость смотреть на все с собственной точки зрения затеняет единство реальности. Физика возвращает утраченное единство. Должна возвращать. Потому что реальность не разбилась, она только такой кажется.