Для этих отдельных электрически заряженных частиц вы можете сделать еще одну вещь: воспроизвести время, посмотреть в зеркало и так же перенести знак электрического заряда в другое место. То, что вы получите в конце, будет вести себя точно так же, как то, с чем вы начинали. Продолжая аналогию с черным и белым шарами при игре в снукер, если вы поменяете черный и белый цвета, то вы тоже не сможете отличить реальность от противоположной или обратной реальности. Это и есть симметрия между материей и антиматерией, между электроном и позитроном. Механика электронов и их реакция на силы идентична механике и реакциям позитронов, если смотреть на них в зеркало и «проигрывать» в обратном направлении. Таким образом электрические токи с позитронами циркулируют против часовой стрелки в Большом электрон-позитронном коллайдере так же, как электрические точки с электронами циркулируют по часовой стрелке, если смотреть фильм, в котором время обращено вспять. В таком смысле позитрон ведет себя, как электрон, идущий назад во времени.
Давайте поместим пучок позитронов и еще один пучок электронов в Большой электрон-позитронный коллайдер в понедельник и будем снимать их по мере того, как они движутся в будущее. В конце недели прокрутим это кино назад и сравним с тем, что видели в реальности. Поток позитронов выглядит так, как поток электронов во времени, идущем вспять. И точно так же электроны выглядят, как позитроны в обращенном вспять времени – ни больше и не меньше! Правда, в этом случае мы игнорируем силу тяжести. Вообще-то для этого опыта следовало бы переместить Большой электрон-позитронный коллайдер в открытый космос.
Позитроны, как все части антиматерии, действуют так же, как частицы обычной материи. В этом отличий нет. Наше воображение поражает их разрушительная способность, которая и делает их «антиматерией». Но во всем другом они – знакомые игроки материального мира.
Глубокая симметрия между материей и антиматерией проявляется только если изменить на противоположные три свойства: заряд, четность и время. Когда Штекельберг и Фейнман высказывали свои идеи, считалось достаточным поменять одно из трех свойств, например одно время, для того чтобы показать эту симметрию. Однако теперь мы знаем, что одного недостаточно. Если вы измените на противоположное только одно свойство или два, могут проявиться небольшие различия. Спорным остается вопрос, ведут ли себя материя и антиматерия симметрично под влиянием силы тяжести.
Концепция простейших противоположных космических сил, единства противоположностей представлена в китайской философии инь и ян: инь символизирует свойства тени, зловещего и левой руки, в то время как ян отражает ее солнечную противоположность, символизируя четность и правую руку. Материя и антиматерия разделяют часть этой мистической симметрии, которая, как мы увидим, отличается и глубокой асимметрией, как отражает символ инь и ян.
Джеймс Уотсон Кронин и Вэл Логсден Фитч, американские физики, удостоенные Нобелевской премии (1980) за открытие нарушения фундаментальных принципов симметрии в распаде нейтральных К-мезонов
Выше мы говорили про бозоны, которые состоят из кварков и антикварков. Среди сотен типов есть один, который, как оказалось, демонстрирует абсолютную разницу между материей и антиматерией. Эта странная частица называется нейтральным каоном, обозначается – K0. Напомним, что каоны – это группа элементарных частиц с нулевым спином и массой около 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. В группу входят два заряженных и два нейтральных каона. Каоны бывают заряженные, нейтральные, короткоживущие, долгоживущие.
Нейтральный каон состоит из кварка и антикварка с различными ароматами, при сложении электрических зарядов которых получается ноль. Кварк с нижним ароматом вместе с антикварком странного типа дают K0. Если заменить материю антиматерией, то у вас будут странный кварк и нижний антикварк, которые дают антиверсию K0.
Первая подсказка о том, что K0 и его античастица – особенные, появилась в 1964 году, во время эксперимента, проводившегося в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, во время которого меняли заряды и при этом смотрели в зеркало. До этого времени считалось, что материя и антиматерия будут вести себя одинаковым образом. Однако, к удивлению всех, эксперимент показал, что это не так. По результатам эксперимента сотрудники Брукхейвенской лаборатории, американские физики, которые занимались ядерной физикой и физикой элементарных частиц, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, были удостоены Нобелевской премии в 1980 году за открытие нарушения симметрии относительно операции комбинированной инверсии. Комбинированная инверсия обозначается СР, это операция перехода от частиц системы к античастицам (зарядовое сопряжение) с одновременным изменением знаков пространственных координат частиц (пространственная инверсия – Р). Все взаимодействия в природе (за исключением процессов распада одной частицы) инвариантны (то есть не меняются) относительно комбинированной инверсии. Пространственная инверсия (Р) – это изменение знаков пространственных координат на противоположные (то есть х на – х, y на – y, z на – z), получается при зеркальном отражении координат частиц. Физические процессы, обусловленные сильными и электромагнитными взаимодействиями, не меняются при пространственной инверсии, то есть симметричны по отношению к пространственной инверсии. Зарядовое сопряжение – это операция замены всех частиц, участвующих в каком-либо процессе, на соответствующие античастицы. Сильное и электромагнитное взаимодействия не меняются при зарядовом сопряжении.
Инь и Ян – символ происхождения элементарных частиц
То есть до эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории считалось, что СР будет «симметрией» законов природы. Однако это не так! После присуждения Нобелевской премии Кронину и Фитчу одна шведская газета написала, что премию по физике дали за открытие того, что «Законы природы неправильны!». Законы природы не неправильны, хотя они оказались более утонченными или даже хитрыми, чем кто-либо предполагал.
Сегодня мы лучше понимаем, что происходит. Мы даже нашли способы показать асимметрию между K0 и его античастицей при обратном ходе времени.
Странный кварк более массивен, чем нижний, но во всем остальном точно такой же. В результате странный кварк может отдать часть энергии и превратиться в нижний кварк. Точно так же антистранный кварк может превратиться в антинижний кварк. И наоборот, если нижний или антинижний кварк получает энергию, то он может стать странным или антистранным кварком. Это имеет большое значение для K0 и анти-K0: они постоянно меняются, будто доктор Джекил и мистер Хайд (напомним о героях повести Стивенсона: доктор Джекил – ученый и филантроп, человек безупречной репутации, его уважают знакомые и любят друзья. В результате научных экспериментов ему удается материально раздвоить свою личность, выделив из нее порочную и злобную половину – мистера Хайда).
В форме «Джекила» мы имеем комбинацию нижнего кварка с антистранным. Антистранный теряет энергию и превращается в антинижний; иногда эта энергия просачивается наружу и происходит распад каона; но она также может быть впитана соседним нижним кварком, в результате чего тот превратится в странный кварк. В этом случае то, что начиналось как нижний кварк с антистранным кварком, превращается в странный с антинижним: K0 «Джекил» изменился в анти-K0 «Хайд».
Это означает, что K0 и анти-K0 могут меняться в одну и другую сторону: Джекил в Хайда и обратно. На научном языке это называется осцилляцией. Изначально чистый пучок K0 будет при распространении превращаться в свои античастицы, которые затем станут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это и есть осцилляция частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K0 всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица анти-K0 – с эмиссией позитрона. Если материя и антиматерия симметричны, то, вероятно, произойдет изменение K0 в анти-K0, как и обратный процесс. Если снять фильм про осцилляцию, то смотреться он будет одинаково, независимо от того, в каком направлении прокручивать пленку – вперед или назад. Если материя и антиматерия отличаются, то и эти «обменные курсы» могут различаться.
Как заглянуть внутрь одного из этих зверей, чтобы посмотреть, не осциллирует ли он больше, чем другой? Ответ – нужно посмотреть, что остается после смерти, потому что таким образом можно сказать, был ли погибший K0 или его антиверсией. Если вы создаете пучок, в котором наблюдается смесь K0 и его антиблизнеца в пропорции 50:50, то вы можете сравнить смесь после гибели частиц. Если окажется другая пропорция, а не 50:50, это произойдет или потому, что в осцилляции наблюдается асимметрия, при трансформации Джекила в Хайда и наоборот: одно направление выбиралось чаще другого, или одна форма погибает быстрее или легче другой. Что бы это ни было, мы приходим к определенному выводу: материя и антиматерия различаются.
