Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира

В самом деле, «некое вращательное движение» заставляет систему выглядеть симметричной, хотя на деле она таковой не является. Физик и Нобелевский лауреат Янг Чжэньни́н, доказавший, что в физическом мире нет лево-правой симметрии, объяснил удивившую Маха загадку: «Магнит является магнитом, потому что в нем присутствуют электроны, движущиеся по орбитам». Все электроны в магните вращаются в одном и том же направлении, создавая магнитное поле. На рис. 14.7 вращающиеся электроны символически изображены на одном конце магнита, показывая, что система не симметрична, хотя и выглядит таковой. Как ни странно, куда менее удивительно, что магнит поворачивается вправо, а не влево, потому что сама система асимметрична[531].

Эрстед восемь лет шел к своему открытию отчасти потому, что, как и многие, ошибался, полагая, что эффект проявится только в случае, если система будет асимметрична (рис. 14.7a), а не симметрична (рис. 14.7b). Он не ставил правильный опыт, потому что считал, что, скорее всего, ничего не произойдет. Однажды допустить такую ошибку – неудачное стечение обстоятельств. Но кажется невероятным, что такая ошибка могла быть допущена полтора века спустя – и все же, как мы видели в главе 6, это произошло в области ядерной физики. Чтобы опровергнуть это, потребовался эксперимент Ву с кобальтом-60, показавший, что четность не сохраняется и что, как предсказывали Янг и Ли, слабые взаимодействия асимметричны, и спин электронов направлен влево. Нечто в глубинах нашего разума жаждет симметрии[532].

Несомненно, симметрия стала для физики XX века мощным инструментом. Физики всегда мечтали о том, чтобы устройство Вселенной можно было выразить через математические построения. В начале XVII века астроном Кеплер, питавший почти мистическую веру в математику, пытался найти соответствие орбит известных тогда планет – Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна – идеальным платоновым телам – тетраэдру, кубу, октаэдру, додекаэдру и икосаэдру. Теория была красива, но она рухнула, когда орбиты планет были вычислены с большой точностью. Первым большим успехом теории симметрии в предсказании природы физического мира стала теория относительности Эйнштейна, появившаяся в 1905 году. Ключевая концепция теории Эйнштейна – это инвариантность: а именно, законы физики одинаково применимы в самых разных ситуациях, например во всех уголках Вселенной. Идея инвариантности близко соотносится с симметрией в том, что положение выглядит неизменным после серии преобразований. Применяя такие мощные инструменты, как теория групп, физикам удавалось не только объяснять самые разнообразные явления, но и предсказывать неизвестные ранее. Предсказания и последующее обнаружение целого семейства экзотических элементарных частиц, начавшееся с открытием позитрона, стало венцом этого подхода, суть которого выразил Ричард Фейнман: «Факт, который большинство физиков до сих пор находят несколько ошеломляющим, самым глубоким и прекрасным… что в квантовой механике для каждого правила симметрии существует соответствующий закон сохранения»[533]. Перемещение в пространстве означает необходимость сохранения импульса; вращение – необходимость сохранения углового момента; а перемещение во времени – необходимость сохранения энергии[534].

Большинство доводов в пользу симметрии – это доводы, исходящие из логики и структуры геометрии. Если теория утверждает, что я могу стоять перед вами и в то же время позади вас, то такая теория неверна не потому, что ее опровергает опыт, а потому, что геометрия запрещает объекту одновременно находиться в двух разных местах. Точно так же, как неверны теории, утверждающие, что дважды два – пять, неверны и теории, неправильно понимающие геометрию. Таким же образом симметрия проясняла множество заблуждений и налагала ограничения на виды опытов, которые могли бы оказаться полезны. Там, где симметрия может ввести в заблуждение, а не действовать в качестве сдерживающего начала, в ней видели условие правильной работы физики. Иногда наука незаметно, почти невольно преодолевает это ограничение. Ричард Фейнман вспоминает, как в 1956 году он обсуждал предположение о сохранении четности:

«Во время конференции я жил в одном номере с экспериментатором Мартином Блоком. И однажды вечером он спросил у меня:

– А почему вы, ребята, так цепляетесь за этот закон четности? <…> Что, собственно, стрясется, если закон четности окажется неверным?

Я с минуту подумал и ответил:

– Это будет означать, что законы природы различны для правой и левой руки, что можно, опираясь на физические явления, определить, какая из рук правая. Что в этом такого уж страшного, я не знаю, наверное, отсюда может проистекать нечто дурное, но что именно, мне неизвестно»[535].

У Фейнмана был интересный ответ на вопрос, почему «эти ребята» так настаивали на симметрии: «Симметрия завораживает человеческий разум… В нашем сознании мы склонны принимать симметрию за своего рода совершенство»[536].