Як відрізнити речовину і антиречовину
Більшість повсякденних явищ відбуваються однаково, незалежно від того, відбуваються вони у звичайному чи в "дзеркальному" світі.
Принаймні, з точки зору фізики.
На відміну від випадку, коли ви відтворюєте відео назад у часі, коли цілком очевидно, що відбувається щось дивне.
В порівнянні з нормальним відео, рух у дзеркальному відео все ще виглядає цілком фізично реальним, просто дзеркально відображеним.
Фактично, без зовнішнього контексту неможливо визначити, яке відео є оригінальним, а яке "віддзеркаленим".
Саме тому горизонтально віддзеркалені епізоди постійно використовуються у фільмах.
Насправді, наскільки нам відомо, все у Всесвіті керується електромагнетизмом, гравітацією і сильною ядерною взаємодією, які в цьому сенсі повністю симетричні.
Якщо ви організуєте два експерименти, які є дзеркальними відображеннями один одного, то вони дадуть "дзеркальні" результати.
Що може стати проблемою, якщо нам коли-небудь доведеться спілкуватися з чужопланетянами.
Якщо фізика дзеркально симетрична, то це означає, що ліво- і праворукість відносні: з точки зору фізики вони взаємозамінні, як і напрямки "вгору-вниз" чи "вперед-назад".
Отже, якби ми просто спілкувалися з чужопланетянами й не мали спільних референсних об’єктів, ми б не могли, використовуючи фізику, пояснити, що ми маємо на увазі під поняттями "ліво-" та "праворукість".
Ця "ліво-права" двозначність називається «Проблемою озми».
І відмінність між лівим і правим є важливою, тому що земне життя покладається на вуглеводи з правобічною симетрією і на амінокислоти з лівобічною симетрією.
І це не якесь фізичне обмеження.
Так само легко могло бути й навпаки.
Але річ у тому, що молекули в нашій їжі й наших тілах мають специфічну орієнтацію.
Тому незнання відмінності між лівим і правим може погіршити "міжгалактичні кулінарні стосунки".
Однак існує вихід: слабка ядерна взаємодія працює по-іншому, якщо її віддзеркалити.
Наприклад, коли ядра урану-239 зазнають бета-розпад, вони випромінюють електрони здебільшого з лівим "обертанням", тобто певним напрямом спіну.
Але якщо ви зробите "дзеркальний експеримент" з використанням дзеркально відображеного ядра урану, то воно також випромінюватиме електрони з лівим "обертанням" (спіном), а не з правим, як це мало б бути в дзеркалі.
Виявляється, що в нашому Всесвіті дзеркальне відображення фізичного процесу не завжди призводить до дзеркального відображення результату: уран-239 завжди розпадається з утворенням лівообертальних електронів, незалежно від експерименту.
Тож ми могли б сказати чужопланетянам: «Вам відомо, як обертаються електрони, тобто їхній спін, після розпаду урану? Цей напрямок ми називаємо «лівим».
Це вирішило б проблему озми, якщо не враховувати її наступний рівень.
А що, якби далекі прибульці цілком складалися з антиречовини?
Це можливо в принципі.
Давайте, приймемо це припущення.
Частинки антиречовини, що взаємодіють з іншими такими ж частинками, поводяться так само як частинки речовини: антиводень матиме такий самий спектр, що й водень, а "ви з антиречовини" і "ви з речовини" матимете ідентичний вигляд і всі взаємодії, доки не контактуватимете один з одним.
І ось в чому проблема: в той час, як ядра урану розпадаються на лівообертальні електрони, незалежно від того, віддзеркалений експеримент чи ні, ядра антиурану завжди розпадатимуться на правообертальні антиелектрони.
Тому, якщо ми скажемо чужопланетянам: «Погляньте на бета-розпад ядра з атомною масою 239, це завжди ліворука орієнтація», то ми помилилися б.
Адже для чужопланетян з антиречовини ця орієнтація буде праворукою.
І вам точно не варто тиснути руку чужопланетянину, зробленому з антиречовини.
То як можна, перебуваючи на великій відстані, зрозуміти, з чого складається чужопланетянин: з речовини чи з антиречовини?
Це 2-й рівень проблеми озми.
По суті, антиречовина - це ще один вид дзеркала, яке ми можемо піднести до Всесвіту, який у поєднанні з можливістю звичайного віддзеркалення означає, що ми не можемо використовувати бета-розпад для визначення напрямків "ліворуч" і "праворуч".
Але, на щастя, існує рішення наступного рівня.
Знову ж таки завдяки слабкій ядерній взаємодії.
Візьмемо каон, субатомну частинку, яка швидко розпадається.
Незалежно від того, віддзеркалені вони чи ні, приблизно у 20,3% (двадцяти цілих і трьох десятих відсотка) випадків
каони розпадаються на правообертальні антиелектрони, тоді як приблизно у 20,1% (двадцяти цілих і одному десятому відсотку) - що трохи рідше - вони розпадаються на лівообертальні електрони.
І ось у чому ключ: якщо натомість ви візьмете "антиречовинні" каони (віддзеркалені чи ні), вони все одно розпадатимуться на лівообертальні електрони трохи рідше, ніж на правообертальні антиелектрони.
Тобто нейтральні каони ("дзеркальні" чи ні) і антикаони ("дзеркальні" чи ні) рідше розпадаються на лівообертальні електрони.
Тож, далекі чужопланетяни могли б зрозуміти, зроблені вони з речовини чи з антиречовини, незалежно від їхнього розуміння напрямів "ліворуч" і "праворуч".
Їм просто слід побудувати прискорювач частинок і подивитися на розпади нейтральних каонів.
Вони (каони) розпадатимуться рідше на електрони, які ми називаємо речовиною, і ці електрони рухатимуться з лівим обертанням.
Всесвіт не відрізняє лівого і правого або речовини й антиречовини для електромагнетизму, для гравітації й для сильної ядерної взаємодії.
Але з невідомої причини слабка взаємодія дозволяє нам побачити цю відмінність.
Це відео було зроблено за підтримки фонду Heising Simons, який також підтримує дослідження з порушення симетрії у нашому Всесвіті.
Процеси, які порушують симетрію зарядової парності (яку ще називають «порушенням CP-інваріантності», потрібні, щоб пояснити, чому у Всесвіті фактично немає антиречовини.
І хоча слабка ядерна взаємодія й справді порушує цю симетрію, вона не стосується спостережуваного дисбалансу між речовиною та антиречовиною у Всесвіті.
Фізики по всьому світу шукають інші можливі процеси, які можуть порушувати CP-інваріантність, щоб пояснити, чому Всесвіт складається з речовини, а отже і чому ми існуємо.
