И на что мне глаза, которым дано удивляться каждой звезде.
Э. Багрицкий.
Известно, что рецессивная аллель влияет на фенотип, только если генотип гомозиготен. Всякая точка прикосновения фильтра Коши есть предел этого фильтра.
Не попятно? Первая фраза относится к генетике, и определяет различие между безусловно, и условно наследуемыми признаками. Второе утверждение взято из топологии (раздел математики).
Я хотел на этих примерах показать, как трудно говорить о науке с неспециалистом. При этом наибольшие трудности вносит не терминология, а непривычные понятия. Где же выход из этого положения? Мой друг, грузинский физик, объяснял мне, как строятся грузинские тосты, когда за столом 50 человек, и тамада почти ничего о них не знает. Нужно говорить не о данном человеке, а по поводу, связанному с этим человеком. Итак, можно говорить не о науке, а по поводу науки. Именно по этому принципу обычно, и пишутся популярные статьи.
Я мог бы рассказать о том, как делается физика, или поговорить о психологии научного творчества. Не знаю, удивит это читателя или огорчит, но человек, посвятивший себя науке, не должен ставить цель сделать открытие. Им должно руководить желание узнать, как устроена природа, а не стремление совершить переворот в науке.
Эйнштейн говорил, что ему посчастливилось повзрослеть прежде, чем он потерях способность удивляться. Способность УДИВЛЯТЬСЯ - это качество, которое необходимо физику так же, как художнику или поэту.
Задача научного работника - изучить интересующее его явление. Открытие может возникнуть только, как побочный продукт этого изучения. В противном случае начинается подыскивание подтверждающих аргументов, которое очень легко, и незаметно приводит к подтасовке фактов. Необходимо придумывать аргументы против собственной точки зрения. Аргументы «за» найдутся сами.
Очень сложный вопрос - сравнение теории с экспериментом. Для меня, как для физика-теоретика это очень волнующий вопрос. По этому поводу происходит много споров между физиками-теоретиками, и физиками-экспериментаторами.
Совпадение теории с опытом не должно быть единственным аргументом в оценке теории. Более того, это не главный аргумент. Хорошая теоретическая работа представляет собой убедительный вывод из предыдущих результатов науки, которые возникли, как следствие громадного числа многократно проверенных экспериментов. Поэтому несовпадение хорошей теоретической работы с опытом означает, что следует пересмотреть те предположения, которые положены в основу, и, следовательно, результаты, ранее накопленные. Несовпадение хорошей теории с опытом, как правило, означает, что произошло, какое-то малое или большое открытие (или «закрытие»),
И, наоборот, совпадение с опытом неправильной теории не делает ее более убедительной. О качестве теории нужно судить по ее внутренней стройности, то есть по тому, насколько убедительно, и непротиворечиво она построена.
И еще одна опасность. Как только научный работник начинает работать чужими руками, наступает научная старость независимо от возраста, и чина, теряется способность удивляться, и радоваться каждому малому шагу, исчезает желание учиться, появляется важность, и стремление решать только мировые проблемы.
Как это ни странно, число публикуемых работ при этом увеличивается. Очень легко возникает уверенность в том, что достаточно посидеть 10 минут в лаборатории, и дать несколько советов, чтобы приобрести право быть соавтором работы.
Можно было бы указать, и другие подводные камни, лежащие на пути к обнаружению научной истины.
Наконец, можно было бы рассказать о практических следствиях того или иного открытия.
Я хочу поступить иначе, хотя это, и потребует от читателя значительно больших усилий. Я попробую, несмотря на все трудности, говорить о науке, а не по поводу науки. И постараюсь показать на одном примере, как извилист путь к научно доказанной истине, как иногда приходится отказываться от утверждений, казалось, незыблемых, и, как внезапно возникают неожиданные связи между совершенно разнородными явлениями. Словом, попытаюсь хоть в малой степени дать представление о красоте науки. Вопрос, о котором пойдет речь, касается самых глубоких свойств Вселенной - связи законов природы со свойствами пространства, и времени. Чтобы привлечь внимание читателей, скажу, что это один из тех вопросов, которые определяют характер нашего понимания мира. Я расскажу об открытиях последнего времени, касающихся одного важнейшего свойства законов природы - свойства симметрии.
СИММЕТРИЯ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Мы убеждены, и опыт всегда подтверждает это убеждение, что любая экспериментальная установка работает совершенно одинаково в различных точках пространства, если нет физических причин, которые отличают эти точки.
Например, часы идут почти одинаково на Земле, и на Солнце. Небольшое отличие мы относим за счет различного поля тяготения на поверхности этих небесных тел. Электрическая лампочка одинаково светит, как бы мы ни переносили, и, как бы мы ни поворачивали всю установку.
То же относится, и к сдвигу во времени. Если, какая-нибудь машина в этом году работает не так, как в прошлом, то мы объясняем это отличие износом деталей, или изменением климатических условий, или чем-либо еще, а отнюдь не нарушением однородности в ходе времени.
Что же такое ход времени, и, что означает его равномерность?
Ход времени определяется относительной скоростью различных процессов в природе. Скорость космического корабля можно сравнить со скоростью света или со скоростью звука в воздухе. Ход стрелки часов можно определить числом периодов колебания света, излучаемого атомом за время перемещения стрелки на одно деление. Любое измерение интервала времени означает сравнение скоростей разных процессов.
Если бы все явления в природе одинаково изменили свой ритм, то изменился бы только масштаб измерения времени, и этого никак нельзя было бы заметить.
Равномерность хода времени означает, что во всякое время, и сегодня, и завтра, и через год, относительная скорость всех процессов в природе одинакова.
Равномерность хода времени установлена с колоссальной точностью на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой же длины волны, как, и атомы сегодняшнего дня, даже если этот свет был испущен миллиард лет тому назад.
Все, что мы говорим, относится ко всем явлениям в природе, в том числе, и биологическим. Таким образом, речь идет о всеобъемлющем свойстве природы. На научном языке это звучит следующим образом все законы природы инвариантны (неизменны) относительно операций переноса в пространстве, и времени, и относительно поворота в пространстве. Это обстоятельство, и называется симметрией законов природы.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
И ДРУГИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ВЫТЕКАЮТ ИЗ СИММЕТРИИ
ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Существует поразительная, и вместе с тем естественная связь между свойствами пространства, и времени, и так называемыми законами сохранения, такими, как, например, закон сохранения энергии или закон сохранения количества движения.
Каждому виду симметрии соответствует свой закон сохранения. Так, например, закон сохранения энергии является следствием симметрии природы относительно сдвигов во времени. Симметрия относительно сдвигов в пространстве приводит к закону сохранения количества движения.
Попробую пояснить, как неравномерность хода времени приводит к не сохранению энергии. Допустим, что неравномерность хода времени проявилась в том, что, начиная с некоторого момента стала периодически изменяться постоянная всемирного тяготения. Тогда легко построить машину, которая будет получать энергию из ничего. Для этого нужно поднимать грузы в период слабого тяготения, и превращать приобретенную ими энергию в кинетическую, сбрасывая грузы в период увеличения тяготения. Вы видите, что неравномерность хода времени, то есть изменение относительно ритма разных процессов, приводит к нарушению закона сохранения энергии.
Теперь не так странно, что закон сохранения энергии выполняется во всех явлениях природы. Ведь он вытекает из такого общего свойства нашего мира, как равномерность хода времени.
Из сказанного следует, что однородность хода времени можно проверить по тому, насколько точно выполняется закон сохранения энергии. Если бы время, допустим, в новогоднюю ночь, шло быстрее, это означало бы, что в эту ночь свет горел бы ярче, краски были бы интенсивнее, объятия жарче, и мысли острее, и глубже, чем обычно. Если такие ощущения, и возникают, их следует объяснять процессами, происходящими внутри нас, а не истинным уплотнением хода времени - время течет равномерно. И, как это ни удивительно, для доказательства этого достаточно убедиться, что в бездушных машинах энергия с большой точностью сохраняется. И, наоборот, только из того факта, что атомы во все времена испускают свет с колоссальной точностью, одной, и той же частоты, можно заключить, что с такой же точностью выполняется закон сохранения энергии, и, что все другие процессы также не изменяют своего ритма без внешнего воздействия. Красота науки не только, и даже не столько в логической стройности, но в богатстве связей.
ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ ПРОСТРАНСТВА
Кроме перечисленных видов симметрии (или инвариантности), имеется еще несколько других симметрий. Прежде всего нас будет интересовать зеркальная симметрия законов природы. Эта симметрия означает следующее. Если две экспериментальные установки отличаются только тем, что одна есть зеркальное отражение другой, то такие две установки работают совершенно одинаково.
Казалось бы, этот закон нарушается в повседневной жизни. Ведь мы имеем много примеров нарушения зеркальной симметрии в природе. Люди имеют сердце с левой стороны. Для соблюдения зеркальной симметрии должно было быть равное количество левосердечных и правосердечных людей. Однако при более внимательном взгляде противоречие разъясняется. Чтобы в этом разобраться лучше, рассмотрим не такой сложный объект, как человек. Существует, например, два типа кварца, которые по своему молекулярному строению зеркально подобны, как правая, и левая рука. Эти два типа кварца встречаются на Земле в различных количествах. То же относится, и к другим минералам. Поэтому асимметрию в живой природе можно объяснить тем, что пища, или «строительный материал», встречающийся в природе, не имеет зеркальной симметрии. Тогда вопрос сводится к гораздо более простому - к нарушению зеркальной симметрии в мертвой природе. В связи с этим следует вспомнить об одном удивительном опыте Пастера, который обнаружил, что могут существовать две зеркально симметричные формы одного, и того же вещества.
Было известно, что свет, проходя через виннокаменную кислоту, встречающуюся в природе, изменяет направление поляризации (направление поляризации - это направление электрического поля в световой волне).
После того, как свойства естественной виннокаменной кислоты были хорошо изучены, химики получили искусственную виннокаменную кислоту. По всем физическим, и химическим свойствам она не отличалась от виннокаменной кислоты, встречающейся в природе. К колоссальному удивлению физиков, и химиков того времени, когда через синтезированную кислоту пропустили поляризованный свет, то обнаружилось, что он не изменил направления поляризации.
Пастер сделал предположение, что искусственная кислота представляет собой смесь двух зеркально симметричных форм (таких, как правая, и левая рука). Один тин кислоты поворачивает направление поляризации направо, а другой - налево. В результате направление поляризации не изменяется.
Для доказательства этой гипотезы Пастер вырастил в искусственной кислоте колонию микробов, которые пожирают виннокаменную кислоту. Пастер рассуждал следующим образом микробы не приучены к поглощению той кислоты, которая будет представлять форму, зеркально симметричную естественной кислоте.
Что же обнаружилось? По мере того, как микробы размножались в искусственной кислоте, направление плоскости поляризации проходящего света все более, и более поворачивалось. Если естественная кислота поворачивала плоскость поляризации направо, то синтезированная кислота после размножения микробов стала поворачивать плоскость поляризации налево. Можно представить себе волнение, и радость Пастера, когда его догадка подтвердилась таким удивительным, и неожиданным способом. Это, наверное, единственный случай в истории физики, когда физическое открытие было сделано с помощью микробов.
Таким образом, Пастер блестяще доказал свою гипотезу и, кроме того, показал, что уже низшие организмы имеют приспособления, отличающие два зеркальных отражения. Тот факт, что при любом способе искусственного получения вещества обе зеркальные формы появляются в одинаковом количестве, лишний раз подтверждает симметрию законов природы относительно зеркального отражения.
Зеркальную асимметрию в живой природе следует объяснять не нарушением зеркальной симметрии законов природы, а историческими причинами (одна из возможных причин асимметрии - вращение Земли - дает некоторое преимущество одной из зеркальных форм по сравнению с другой, но это преимущество совершенно недостаточно для объяснения наблюдаемого различия).
В той части Земли, где впервые возникла жизнь, случайно оказалось больше, скажем, «правого строительного материала», чем «левого», и поэтому возникла одна из зеркальных форм, которая затем наследовалась.
Что же касается различия в распространенности «правых», и «левых» минералов, то это различие можно объяснить тем, что во время их образования в окружающем веществе были сильные скручивающие напряжения или (если это была жидкость) сильные вихревые движения.
Итак, физики пришли к глубокому убеждению, что все законы природы в нашем мире, и в мире, зеркально отраженном, будут одинаковы.
НАРУШЕНИЕ ЗЕРКАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ В РАДИОАКТИВНОМ РАСПАДЕ
Примерно 10 лет тому назад начались первые противоречия с законом. Была обнаружена частица (К-мезон), которая может распадаться либо на две, либо на три другие частицы (пи-мезоны). Анализ этих опытов привел физиков к заключению, что здесь нарушается зеркальная симметрия. Закон зеркальной симметрии запрещает К-мезону распадаться обоими способами.
Но самый решительный удар по закону зеркальной симметрии был нанесен блестящим опытом американской исследовательницы Ц. By. Она наблюдала радиоактивный распад ядер, помещенных в магнитное поле. При этом из ядер вылетают электроны, и антинейтрино или позитроны, и нейтрино (позитрон отличается от электрона только знаком заряда; нейтрино, и антинейтрино - нейтральные частицы с массой, равной нулю). Обнаружилось, что электроны вылетают преимущественно под тупыми углами к направлению магнитного поля. Между тем по закону зеркальной симметрии острые, и тупые углы должны были бы встречаться одинаково часто.
Действительно, посмотрим на отражение этой установки в зеркале. Магнитное поле изменит свое направление на обратное, как винт, который при отражении из правого превращается в левый. Ведь направление магнитного поля определяется из направления тока в катушке, создающей поле, как раз по правилу винта. Поэтому тупые углы к направлению магнитного поля в зеркале превратятся в острые. Следовательно, зеркальные изображения опыта выглядят не так, как сам опыт в прямом противоречии с законом зеркальной симметрии.
Наступил период смятения. Казалось, что следует отказаться, и от других свойств симметрии нашего пространства. Выход из тупика нашли советский физик Ландау, и американские физики Ли, и Янг. Идея была следующая при радиоактивном распаде антинейтрино, вылетающее одновременно с электроном, представляет собой зеркально несимметричную частицу (она летит, вращаясь по часовой стрелке). Теперь при отражении в зеркале вся картина изменится - не только тупые углы перейдут в острые, но и антинейтрино из правого винта превратится в левый. Поскольку в зеркальной картине испускается другая частица, опыт Ву уже не противоречит зеркальной симметрии пространства.
Дальнейшие опыты подтвердили эту догадку - нейтрино действительно оказалось зеркально несимметричной частицей при зеркальном отражении она не переходит сама в себя, подобно тому, как правая рука превращается в левую.
Таким образом, зеркальная симметрия пространства не нарушается. Пространство зеркально симметрично, а зеркальная асимметрия при радиоактивном распаде целиком определяется асимметрией нейтрино. Существование в нашем мире таких асимметричных частиц не противоречит симметрии пространства, так же, как ей не противоречит тот факт, что у людей сердце с левой стороны.
Радиоактивный распад с вылетом позитрона зеркально симметричен электронному распаду. При распаде с вылетом позитрона вылетает нейтрино, которое в противоположность антинейтрино вращается налево. Поэтому если одновременно с отражением мысленно заменить все заряды на противоположные, то все электроны заменяются на позитроны, а нейтрино - на антинейтрино, и наоборот, и симметрия полностью восстановится.
ЗАРЯДОВО-ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ. АНТИМИРЫ
До этих опытов физик!! считали, что законы природы не изменятся, если все заряды заменить на обратные. Это свойство законов природы называется зарядовой симметрией. Теперь, для того, чтобы включить в рассмотрение, и явление радиоактивною распада, этот закон пришлось уточишь. Природа обладает не зарядовой, а зарядово-зеркальной симметрией. Никакие законы природы не изменятся, если все заряды в мире изменить на обратные и одновременно произвести зеркальное отражение. В таком зарядово-отраженном мире протоны будут иметь отрицательный заряд, а электроны - положительный, в противоположность зарядам в нашем мире.
Согласно зарядово-зеркальной симметрии все уравнения физики допускают существование античастиц наряду с частицами. И такие античастицы (позитрон, антипротон, антинейтрон, и т. д.) действительно были обнаружены. Подобно ядру любого химического элемента, состоящего из протонов и нейтронов, из антипротонов, и антинейтронов можно составить ядро соответствующего антиэлемента. Если к такому антиядру, заряженному отрицательно, добавить позитроны, то получится антиатом, а из антиатомов можно образовать антивещество. Силы между античастицами по закону зарядово-зеркальной симметрии равны силам между частицами, поэтому антивещество будет обладать теми же свойствами, что и вещество.
Существуют ли в нашей Вселенной антимиры, то есть области антивещества? Этот вопрос пока остается без ответа, хотя логически существование антимиров совершенно естественно.
Из сказанного ясно, что антимир отличается от нашего мира не только знаком зарядов. В таком мире изменится понятие правого, и левого антимир - зеркальное отражение нашего мира. Люди этого мира, если бы они проходили ту же историческую эволюцию, что и мы, имели бы сердце с правой стороны. Более сильная рука у них была бы левая. Замечательный американский физик Р. Фейнман в своих лекциях говорит «Если в космическом пространстве вы встретите корабль, идущий из далекого мира, и космонавт протянет вам левую руку, берегитесь - возможно, он состоит из антивещества!»
Закончу тем, что добавлю к непонятным фразам, приведенным вначале, еще одну, как я надеюсь, теперь понятную «Законы природы неизменны, инвариантны относительно операции зеркального и зарядового сопряжения». К сожалению, это красивое утверждение не совсем точно.
В последние годы в опытах по распаду того же злополучного К-мезона, который принес первые неприятности с нарушением зеркальной симметрии, было обнаружено небольшое, но колоссально важное с принципиальной точки зрения нарушение закона зарядово-зеркальной симметрии.
Означает ли это, что паше пространство не симметрично? Удастся ли сохранить стройность картины, как это удалось для случая нарушения зеркальной симметрии при радиоактивном распаде?
Любое важное открытие вначале нарушает красоту, и порядок, но через некоторое время приводит к еще более стройной картине.
Поэтому лучше обождать с окончательным ответом на вопрос, поставленный в заглавии этой статьи.
Людям, интересующимся наукой, всегда хочется знать, к, каким практическим следствиям приведет то или иное открытие. Такое желание, безусловно, правомерно. Хотя на этот вопрос иногда трудно ответить, можно утверждать, что любое открытие рано или поздно, прямо или косвенно приведет к изменению нашей жизни.
Удалось ли мне показать и другую сторону науки, сторону поэтическую, мужество отхода от привычного, внезапные скачки догадок, державное течение глубоких мыслей, радость познания?
