PRO Антиматерию

В качестве простого примера приведем бильярд. Десять шаров аккуратно выкладывают треугольником. Происходит первый удар – и порядок нарушается. Можно сказать, что каждая бильярдная партия уникальна на этом этапе, потому что есть множество вариантов движения шаров после первого удара. Нельзя сосчитать количество мест, где они могут оказаться. Возможно, хотя и маловероятно, что в результате первого удара игрок не попадет по сложенным шарам, и шар, которым били, вернется в то место, с которого начиналась игра. В таком случае, если вы смотрите запись на пленке, вы не можете сказать, видите ли вы реальное событие или время пошло вспять. При этом вы можете определить, если перед вами пленка прокручивается в обратном направлении, потому что разлетевшиеся после удара шары не склонны сами возвращаться на место и аккуратно выстраиваться равносторонним треугольником.

Беспорядка среди всего десяти бильярдных шаров достаточно для того, чтобы показать стрелу времени. В случае макроскопических предметов в дело вовлечено такое количество атомов, что не остается вообще никаких сомнений. Однако для отдельных элементарных частиц внутри атомов стрела времени потеряна – как в игре в снукер, где используются только два шара. В конце игры на столе оказываются только черный и белый шары. Но если окрасить оба шара в белый цвет, вы не сможете сказать, просматривая запись игры, крутится ли пленка вперед или назад. Точно также и на уровне отдельных электронов, протонов и даже атомов законы не волнует движение времени.

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