Характер Физических Законов

Представьте себе, что вы совсем уже привыкли к нашему новому знакомому, и в один прекрасный день вы слышите: "А знаете ли, вы удивительно мне симпатичны. Хотелось бы знать, как вы выглядите". Вы начинаете: "Наш рост что-то около одного метра восьмидесяти сантиметров".- "Один метр восемьдесят сантиметров? А что такое метр?" - спрашивает он. "Ну, это очень просто: сто восемьдесят сантиметров - это в восемнадцать миллиардов раз больше размера атома водорода", - говорите вы. И это не шутка - это один из способов объяснить, что такое 1,80 м кому-нибудь, кто пользуется другой мерой длины, при условии, что вы не можете послать ему какой-нибудь эталон и что у вас нет какого-либо предмета, который виден и вам, и ему. Итак, мы можем сообщить нашему знакомому свои размеры. Это возможно потому, что законы физики не остаются неизменными в результате изменения масштаба, и, следовательно, мы можем этим воспользоваться для того, чтобы определить, каким же масштабом каждый из нас пользуется. Вот так мы и описываем себя: рост - 1,80 м, внешняя симметрия, конечности и т. д. Затем наш марсианин говорит: "Все это очень интересно, но как вы устроены внутри?" Тогда мы рассказываем ему про сердце и про все остальное и говорим: "Сердце расположено слева".

Все упирается в то, как объяснить марсианину, что такое лево и что такое право. "Ну, - скажете вы, - возьмем сахарную свеклу, сделаем сахар, растворим его в воде и окажется...", но то-то и оно, что на Марсе не растет сахарная свекла. Да, кроме того, нам никак не узнать, не привела ли случайность в начале эволюции жизни на Марсе (даже если она привела к возникновению белков, аналогичных здешним) к выделению противоположной ориентации. Так что мы не знаем, как ему объяснить это. Поразмыслив на эту тему довольно долго, вы это поймете и решите, что это вообще невозможно.

Но приблизительно пять лет тому назад был проделан один эксперимент, результаты которого были сплошной загадкой. Я не буду здесь вдаваться в подробности, но мы оказывались во все большем и большем затруднении, во все более и более парадоксальном положении, пока, наконец, Ли и Янг [8]не высказали предположения, что, может быть, принцип симметрии относительно правого и левого, согласно которому природа не реагирует на зеркальное отображение, неверен, и тогда это позволит разрешить целый ряд загадок. Ли и Янг предложили некоторые более прямые экспериментальные доказательства, и я очень коротко расскажу о самом прямом из них.

Возьмем явление радиоактивного распада, в котором испускаются электрон и нейтрино, например то, о котором мы уже говорили раньше и которое связано с распадом нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Есть еще много других реакций радиоактивного распада, при которых заряд ядра увеличивается на единицу и испускается электрон. Но здесь интересно вот что: если измерить вращение этого электрона - а электроны испускаются, вращаясь вокруг собственной оси, то окажется, что все они вращаются справа налево (если смотреть им вслед, т.е. когда они испускаются в южном направлении, то вращаются так же, как и Земля). В том, что испускаемые электроны всегда вращаются в одном направлении, что у них, так сказать, левосторонняя ориентация, есть определенный смысл. Дело здесь обстоит так, как будто при -распаде у ружья, стреляющего электронами, нарезной ствол. Нарезать ствол можно двумя способами. Здесь всегда есть направление "наружу", и у вас всегда есть выбор нарезать ствол так, чтобы пуля вращалась либо справа налево, либо слева направо. Наш эксперимент показывает, что электронами стреляют из оружия, нарезанного справа налево. Поэтому, используя этот факт, мы можем позвонить нашему марсианину и сказать: "Послушай-ка, возьми радиоактивное вещество, нейтрон, и понаблюдай за электронами, испускаемыми при -распаде. Если электрон выстреливается вертикально вверх, то направление его вращения из-за спины в тело будет слева.Так ты и узнаешь, где левая сторона. Именно с этой стороны расположено сердце". Так что отличить правое от левого можно, а значит, закон о симметрии мира относительно правого и левого рухнул.

Следующее, о чем я хочу поговорить, это об отношении законов симметрии к законам сохранения. В предыдущей лекции мы говорили о принципах сохранения - сохранения энергии, количества движения и т.п. Исключительно интересно, что между законами сохранения и законами симметрии существует, по-видимому, глубокая связь. Эта связь получает свое объяснение, по крайней мере на нашем сегодняшнем уровне знаний, только в квантовой механике. Тем не менее я покажу вам одно проявление этой связи.