Журнал «Вокруг Света» №11 за 1970 год
Шрифт:
Симметрия — это и есть равенство в широком смысле этого слова. Например, зеркальная симметрия означает, что правая часть в точности равна левой. Поэтому, подобно ослу Буридана, явление, обладающее зеркальной симметрией, должно «уклоняться» от поступков, отдающих предпочтение одной из частей, сохраняя нейтральное положение. Значит, если имеет место симметрия, то чего-то не произойдет и, значит, что-то обязательно останется неизменным, сохранится.
В природе, как и у людей, существует два типа законов. Один тип похож на инструкцию. Он говорит, что должно происходить при определенных обстоятельствах. Например, закон Ома утверждает, что при таком-то напряжении и таком-то сопротивлении проводника сила идущего по нему электрического тока будет равна частному от деления первого на второе. Ответ единственный. Второй тип законов — так называемые законы сохранения — напоминает уголовный кодекс. Они описывают, чего не должно быть. Остальное
В 1915 году немецкий математик Эми Нётер чисто математически доказала, что все законы сохранения связаны с симметриями природы. На равноправии места (однородность пространства) покоится закон сохранения импульса. На равноправии направлений (изотропность пространства) — законы сохранения момента количества движения. На равноправии времени — закон сохранения материи и энергии. Это было выдающееся открытие. К слову сказать, его автор была первой женщиной, избранной в сенат Геттингенского университета, и одной из многих, чей путь в науку оказался чрезмерно тернист из-за того, что они родились женщинами. Профессором Эми Нётер сделало остроумие ее учителя, великого Гильберта. Когда почтенное профессорское собрание забаллотировало кандидатуру женщины-математика, Гильберт задал вопрос председательствующему: «Сенат разве баня, если в него нет хода женщинам?..»
Но пора вернуться к теме.
Законов сохранения не так уж много. И это естественно. Ведь природа, по всей видимости, обладает не столь уж значительным количеством симметрии. Однако, как полагают физики, эти несколько законов, подобно аксиомам геометрии, послужат такой основой, на которой все остальные законы будут покоиться, как теоремы. Сначала это казалось сомнительным, ведь законы сохранения не предписывают определенного поведения, и поэтому природе предоставлен слишком большой выбор в действиях. Можно было предположить, что одно и то же явление сможет протекать то так, то этак. Однако выяснилось, что немногие запреты, созданные законами сохранения, образуют такую перекрестную сеть ограничений, что у природы чаще всего остается только один путь.
Одно из стихотворений Заболоцкого начинается строфой:
Я не ищу гармонии в природе.
Разумной соразмерности начал
Ни в недрах скал, ни в ясном небосводе
Я до сих пор, увы, не различал.
Трудно согласиться с мыслью поэта. Разумная соразмерность начал, по существу, является совокупностью различных симметрии мира. Конечно, может быть задан ехидный вопрос: а чем доказывается сама симметрия, есть ли у нее под ногами еще более фундаментальная первооснова? Пока неизвестно. Может быть, дерзкий ум человека проникнет глубже в тайны мироздания и еще раз уменьшит число основных законов. «Если бы можно было свести все знания к двум общим законам, математик не был бы удовлетворен, — пишет У. Сойер в «Прелюдии к математике». — Он не успокоился бы до тех пор, пока не доказал бы, что оба эти закона основываются на одном принципе». Это замечание верно не только по отношению к математикам.
Довольно загадочным является тот факт, что в этом симметричном, симметричном, симметричном мире несимметричность не только, уцелела, но продолжает играть весьма важную роль. Правда, все симметричное в природе считают отражением фундаментальных качеств мира, а несимметричное — игрой случая.
Древние философы учили: прежде чем познавать мир, познай самого себя. Путь рекомендован не очень легкий. И все же последуем этому совету. Для начала взглянем на себя в зеркало. Картина привычная, однако имейте в виду, что столь знакомое лицо, глядящее «оттуда», — это не вы. Вы слегка щурите правый глаз, а он — левый, нос его слегка прогнут, как и ваш, но в другую сторону; кроме того, человек из Зазеркалья в отличие от вас левша. Итак, начнем самопознание. Оказывается, человеческое лицо не совсем симметрично. Некоторые отклонения от стандарта и мертвой геометрии делают лицо гораздо более выразительным. Австралийский врач Д. С. Хейес объяснил, например, улыбку Моны Лизы оригинальной несимметричностью ее лица.
Откуда же взялась эта неправильность в мире, полностью, казалось бы, основанном на симметрии? Прищур глаз или непрямолинейность носа еще могут быть объяснены случайными причинами, ну, а разница между руками? В старину в русском языке были даже специальные названия для правой и левой рук — десница и шуйца. Так велико между ними различие. Откуда оно? Есть много разных теорий — верный признак того, что нет ни одной надежной.
Возможно, что эта загадка не относится к разряду чисто человеческих. Замечено, что «праволапость» присуща некоторым животным. «Правши» и «левши» обнаружены и в мире растений. «Левши» хмель и бобовые вьются только по левой спирали, а вьюнок по правой. Могут быть левыми и правыми
листья, цветы, иголки и даже корни. Оказалось, что они обладают разными качествами. Советский ученый Юрий Урманцев установил, например, что левые листья фасоли лучше развиты, но зато правые богаче аминокислотами. Селекционеры заметили, что несимметричные растения более жизнеспособны, и вывели новые урожайные морозоустойчивые сорта.Биологов занимает еще более общая проблема. Все белки, входящие в состав живых организмов, «левые». Это значит, что соединяющиеся в белковую молекулу атомы «закручивают» ее влево. Стоит только произвести синтез органических асимметричных соединений, как получатся примерно в одинаковом количестве и левые соединения, и их зеркальное отображение — правые. В чем причина «левизны» природы, толком до сих пор неизвестно.
Правда, как уже говорилось, биологи установили, что несимметричные молекулы более жизнеспособны, процессы в них идут активней. Может быть, обобщая это наблюдение, можно прийти к выводу, что окончательная симметрия, гармония, уравновешенность приводят к покою, к застою, к параличу? И возможно, хитроумная природа выбрала единственно правильный путь — чтя в целом Его Величество Симметрию, она создала закон и порядок и, слегка изменяя ему, обеспечила движение и развитие?
На худой конец в биологии все может объяснить и Его Величество Случай. Гораздо хуже положение физиков. Они столкнулись с явлением, которое никак не назовешь случайным.
Пользуясь симметрией природы, физики делали порой весьма смелые предположения. И они всегда оправдывались. Например, известный ученый Поль Дирак решил, что электрон должен иметь «антипода». В самом деле, мир электрически нейтрален. Положительных зарядов в нем столько же, сколько и отрицательных. Но отрицательный электрон — крохотулька, а положительный протон невероятно массивен. Это несправедливо, не симметрично, решил Дирак и высказал предположение, что должен существовать точно такой же по массе, как и электрон, но с зарядом противоположного знака «позитрон». И точно. Прошло четыре года, и экспериментаторы поймали такую частицу.
Недавно получено антивещество, и астрономов уже озадачивает тот факт, что в недрах космоса пока не обнаружены «антиземли», «антизвезды» и даже «антигалактики». Но надежды обрести симметрию в большом не потеряны. Хуже обстоит дело с симметрией в малом.
Каждому, кто занимался фотографией, хорошо известно, что «перелицованный» негатив дает после напечатания снимок, который ничем не отличается от нормального. Заметить ошибку можно только в том случае, если в поле зрения попала какая-нибудь надпись. Тут нетрудно догадаться, что негатив был перевернут. Дело в том, что природа, как это следует из принципа зеркальной симметрии, не знает разницы между правым и левым. Считалось, что этот раскол пространства искусственно принят людьми, и, может быть, он существует только потому, что мы по-разному владеем левой и правой рукой. Если бы пришлось с помощью радиоволн передавать жителям далеких миров, с какой стороны у нас сердце, то земляне попали бы в трудное положение. Еще совсем недавно общепринятое мнение ученых было таким: нельзя дать строгое определение, что такое правая или левая сторона.
Но если белки живых организмов «левые», то нельзя ли с их помощью сообщить собратьям по разуму нужную информацию? По всей видимости, нет. Ведь в том мире белковые молекулы могут оказаться «правыми». И значит, там все наоборот. Делались попытки использовать любые процессы: механические, химические, электромагнитные, оптические — ничего не помогало. Все процессы, отраженные в зеркале, внешне ничем не отличались от всамделишных. Ученые твердо уверовали в зеркальность мира.
И вдруг... Это действительно было величайшей неожиданностью для всех физиков. Вдруг оказалось, что природа знает, где у нее правая сторона. Летом 1956 года был обнаружен процесс, при котором нарушалась зеркальная симметрия мира.
При распаде ядра радиоактивного кобальта-60 электроны явно предпочитали одну сторону другой, правая и левая сторона впервые оказались несимметричными! Выяснилось, что в том классе явлений, к которым относится радиоактивный распад, а именно при так называемых слабых взаимодействиях, этот случай не единственный. Зеркало, в которое смотрелась природа, внезапно разбилось...
Некоторое время физики были буквально ошарашены. Но, к их чести надо сказать, что они довольно скоро пришли в себя и нашли выход. Зеркальную симметрию спас принцип комбинированной инверсии. Что это за штука? Представьте на минутку, что ваше зеркальное отражение состоит из антивещества. К тому, что в зеркале правое становится левым, мы уже привыкли, и нас это не поражает. А вот превращение вещества в антиматерию кажется поначалу диковатым. Но ведь это только потому, что свое преображение в левшу видишь воочию, а антиматерия внешне ничем не отличается от обычной, и поэтому этот переход никак нами не воспринимается. В случае такой перестановки мир опять обретал симметричность.