За межами дзеркала: кіральність і симетрія Всесвіту

Чому дзеркало ніби змінює ліве та праве, але не верх і низ? Це запитання бентежило людей ще з часів давньогрецьких мислителів. Насправді дзеркала зовсім не «знають» що таке ліво чи право – вони просто інвертують простір у напрямку вглиб, уздовж осі, перпендикулярної до поверхні дзеркала[1]. Проте наш мозок і будова тіла створюють ілюзію горизонтального перевертання. У цій науково-популярній статті ми заглянемо за межі дзеркала, досліджуючи поняття кіральності (від грец. χειρ, «рука») та симетрії в природі – від повсякденного феномена дзеркального відображення до фундаментальних законів фізики, будови Всесвіту і навіть таємниць виникнення життя.

Дзеркальні відображення: психологія, оптика і фізика

Поставтеся до дзеркала – ви піднімаєте праву руку, а ваше відображення піднімає ліву. Але чому при цьому верх залишається верхом, а низ – низом? Ключ у тому, що дзеркало не змінює ні горизонталь, ні вертикаль як такі – воно міняє місцями перед і зад. Ми ж інтерпретуємо відображення, ніби перед нами інша людина, розвернута до нас обличчям. Уявіть, що ви стоїте навпроти когось: ваші праві руки будуть одна навпроти одної, тож з боку здається, що «праве» і «ліве» помінялися місцями. Звідси й виникає хибне враження, що саме дзеркало «перевертає» ліве і праве. Насправді ж дзеркало робить “навиворіт” увесь простір у напрямку до нього, тобто здійснює симетрію відносно своєї площини[1].

 Дзеркало не переставляє місцями ліво і право – воно змінює напрямок уздовж осі “вглиб”. На схемі спостерігач (A) бачить предмет напряму (ліворуч) і його відображення (праворуч). Щоб сумістити орієнтації, людина повертається довкола вертикальної осі, тому здається, ніби “дзеркальна кішка” підняла протилежну лапу. Зображення: commons.wikimedia.orgcommons.wikimedia.org.

Цікаво, що нашу плутанину підсилює білатеральна (двобічна) симетрія людського тіла. Ми симетричні відносно вертикальної осі: ліва і права половини дуже схожі. Водночас відносно горизонтальної площини (верх-низ) симетрії нема – голова вгорі, ноги внизу. Тому коли ми дивимося в дзеркало, то легко “міняємо” місцями ліве та праве (адже організм це дозволяє), але не сплутуємо верх і низ (тут явна несиметрія)[2]. Наш мозок автоматично «перекидає» образ горизонтально, бо ми звикли саме так повертатися до відображення – навколо вертикальної осі тіла[2]. Таким чином, загадка дзеркала має просте пояснення: воно нічого не знає про право чи ліво, просто віддзеркалює світ “навиворіт” у напрямку глибини, а все інше – гра нашого сприйняття.

Симетрія законів природи і «дзеркальна» інверсія

Симетрія – фундаментальне поняття у фізиці. Інтуїтивно симетрія означає незмінність об’єкта чи системи при певних перетвореннях: повороті, відображенні, переміщенні тощо. Фізичні закони, як виявилося, тісно пов’язані із симетріями: за теоремою Нетер, кожна безперервна симетрія відповідає закону збереження. Наприклад, однорідність часу (закон не змінюється з плином часу) веде до збереження енергії, а ізотропність простору (відсутність “привілейованого” напрямку) – до збереження моменту імпульсу.

Латеральна інверсія дзеркала. Зображення: https://byjus.com/physics/reflection-lateral-inversion/

Втім, не всі симетрії настільки очевидні. Одне з цікавих питань – симетрія відносно дзеркального відображення простору. Уявімо, що ми будуємо фізичні рівняння для деякої системи, а потім міняємо знак однієї координати (наприклад, замість осі x праворуч беремо вісь x ліворуч). Це рівносильно тому, що ми “дивимося” на систему через дзеркало. Якщо закони природи інваріантні (незмінні) під такою трансформацією, кажуть, що виконується просторова інверсія, або збереження парності (P-симетрія). Довгий час фізики припускали, що будь-який процес, який може відбутися у нашому Всесвіті, відбудеться аналогічно і в його дзеркальному відображенні. Іншими словами, Природа не мала б «відрізняти» праве і ліве – її закони мали б бути абсолютно симетричними в цьому сенсі.

Розбиття «дзеркала»: відкриття порушення парності

У 1950-х роках ця впевненість у загальній симетричності законів природи зазнала краху. Молоді на той час теоретики Цзун-Дао Лі та Чень-Нін Ян проаналізували наявні експериментальні дані і виявили дивний збіг обставин: у жодному з відомих на той час експериментів зі слабкою взаємодією (яка відповідає, наприклад, за ядерний бета-розпад) не перевірялася інваріантність щодо дзеркального відображення[3]. Фізиків бентежила так звана τ–θ загадка: існували дві субатомні частинки – τ і θ (сьогодні відомі як два стани каона), які поводилися однаково у всіх аспектах, окрім продуктів розпаду. Одна розпадалася на 2 піони, інша – на 3 піони. Якби закони зберігали парність, ці частинки мали б бути одним і тим самим об’єктом, адже дзеркальне відображення системи з двома піонами мало б вигляд трьох піонів і навпаки. Але тоді виходило, що одна й та ж частинка розпадається двома способами, що суперечило експериментам. Єдиним виходом було припустити, що слабка взаємодія не дотримується дзеркальної симетрії.

Лі і Ян у 1956 році сміливо висунули гіпотезу: парність у слабких процесах не зберігається[4]. Вони склали список експериментів, які могли б перевірити цю ідею[4]. Невдовзі, на початку 1957-го, відомий експеримент під керівництвом фізикині Чієн-Шіунг Ву показав, що “дзеркальний” сценарій дійсно дає інший результат. У її досліді ядра кобальту-60 охолодили до низької температури і за допомогою магнітного поля змусили їх спіни вишикуватись в одному напрямку. Якщо парність зберігається, електрони при бета-розпаді повинні вилітати рівноймовірно в обидва боки вздовж напрямку спіну ядра. Насправді ж електрони вилітали переважно в одному напрямку, демонструючи явну «лівоповоротність» процесу (аналогічно дзеркальний варіант дав би переважний виліт вправо). Це означало, що природа «віддає перевагу» лівій орієнтації і не є симетричною відносно відображення у дзеркалі[4].

 Схема принципу експерименту Чієн-Шіунг Ву, що продемонстрував неспроможність парності. У «дзеркальному» випадку (праворуч) електрони β-розпаду мали б вилітати в протилежних напрямках з однаковою ймовірністю. Насправді (ліворуч) спостерігався несиметричний виліт – парність порушено. Зображення: commons.wikimedia.orgcommons.wikimedia.org.

Відкриття наробило галасу в науковій спільноті. Підтвердження неінваріантності P-симетрії буквально перевернуло основу ядерної фізики. Уже в 1957 році Лі та Ян отримали Нобелівську премію «за проникливе дослідження закону збереження парності» – один з найшвидших випадків присудження премії після теоретичної роботи. Відтепер було достеменно відомо: електромагнітна та сильна взаємодії поводяться «дзеркально», а от слабка взаємодія діє по-особливому, порушуючи парність[4]. Інакше кажучи, Всесвіт не є абсолютно симетричним щодо операції «лівого-правого» – він містить фундаментальну кіральність.

Ліві нейтрино і праві антиейтрино: кіральність у фізиці частинок

Що означає цей феномен на рівні елементарних частинок? Виявилося, що носієм «дзеркальної асиметрії» є нейтрино – невловима частинка, яку продукують слабкі ядерні процеси. У 1958 році, невдовзі після робіт Ву, фізики М. Гольдгабер та ін. здійснили вишуканий експеримент і встановили спінові властивості нейтрино. Результат приголомшив: усі нейтрино, виявлені в природі, виявилися «лівосторонніми», а антинейтрино – «правосторонніми»[5]. Іншими словами, нейтрино завжди «крутиться» одним чином відносно напрямку свого руху – наче маленький гвинт із певною нарізкою. Цей властивий нейтрино “обертальний” параметр і є кіральністю у фізиці частинок.

Кіральність тісно пов’язана зі спіном та імпульсом: для безмасових частинок (фотона, глюона) кіральність еквівалентна спіральності, тобто напрямку спіну відносно руху. Нейтрино майже безмасові, тож їхній спін завжди орієнтований протилежно до вектора швидкості. Таке нейтрино називають лівою спіральністю. Антинейтрино ж мають тільки праву спіральність[5]. Всі інші елементарні ферміони (електрони, кварки тощо) можуть існувати у двох кіральних станах – лівому і правому, – але їх поведінка при цьому різниться. Слабка взаємодія “вибірково” діє лише на частинки з лівою кіральністю. Наприклад, W-бозон здатен взаємодіяти з електроном, що обертається ліво-спірально, тоді як з право-спіральним електроном – набагато слабше. Така «дискримінація» за ознакою кіральності є унікальною рисою слабкої сили і виявляється, зокрема, у тому, що не існує звичайних (лівих) нейтрино з правою спіральністю[5]. Саме тому часто говорять, що Всесвіт “віддає перевагу” лівим частинкам: на фундаментальному рівні фізичні процеси розрізняють “ліве” і “праве”.

Матерія проти антиматерії: ще одна асиметрія

Факт порушення парності – не єдиний прояв несподіваної несиметричності природи. Інша грандіозна загадка: чому у Всесвіті набагато більше матерії, ніж антиматерії? Згідно з сучасними космологічними теоріями, Великий вибух мав створити рівні кількості частинок і античастинок. Античастинка – це двійник звичайної частинки, але з протилежним зарядом (наприклад, електрон і позитрон). Коли частинка зустрічається зі своєю античастинкою, вони анігілюють, зникаючи з виділенням енергії. Якщо первинно матерії й антиматерії було порівну, то вони б взаємно винищили одне одного, залишивши лише чисте випромінювання. Однак у нашому видимому Всесвіті домінує матерія – зорі, планети, ми з вами складаємося з матерії, а не антиматерії. Значить, у ранньому Всесвіті щось порушило цю симетрію на користь матерії.

Фізики вважають, що пояснення заховано у комбінованій симетрії CР. C-симетрія (від англ. charge) міняє частинки на античастинки, а P-симетрія (парність) – дзеркально відображає простір. Якщо обидві ці операції застосувати разом, виходить дзеркальний світ із античастинок. Довгий час допускали, що хоча C і P окремо слабка взаємодія й порушує, проте комбінація CP залишається інваріантною – тобто, мовляв, слабкі процеси хоч і “ліві”, але для античастинок мають бути “праві”, тож у дзеркальному анти-світі все б ішло за тими ж законами. На жаль, і ця красива симетрія виявилася не абсолютною: у 1964 році Джеймс Кронін і Велен Фітч продемонстрували на каонах явище порушення CP-симетрії. Згодом CP-несиметрія була знайдена і в інших системах.

Джеймс Кронін. Зображення: Markus Pössel (Mapos). CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10788703

Ці відкриття підказали шлях до розгадки загадки домінування матерії. Ще у 1967 р. радянський фізик Андрій Сахаров сформулював умови, за яких із початково рівних кількостей матерії та антиматерії міг утворитися наш матерійний Всесвіт. Одна з ключових умов – наявність процесів, що порушують CP-симетрію. Якщо закони природи хоч трохи відрізняються для частинок і античастинок, це здатне “схилити шальки терезів” в бік матерії[6]. Сучасні експерименти це підтверджують: фізики спостерігають, як деякі нестабільні частинки (наприклад, мезони) у процесі розпаду трохи частіше утворюють матерію, ніж антиматерію[9]. Це дуже тонкий ефект, і поки що відомих проявів CP-порушення недостатньо, щоб пояснити всю колосальну перевагу матерії у Всесвіті. Тому тривають активні пошуки нових джерел цієї асиметрії – зокрема, у нейтринних осциляціях. Великі проєкти (такі як експеримент DUNE у США) націлені на вимірювання поведінки нейтрино й антиейтрино: чи відрізняється вона, і чи може це дати ключ до розуміння того, чому взагалі існує щось, а не порожнеча[6].

Дзеркальні Всесвіти та гіпотеза «тіньової» матерії

Ми з’ясували, що наш світ не повністю симетричний: слабкі процеси «кубинькають» ліворуч, природа розрізняє частинку та античастинку. Постає запитання: а чи не існує десь «дзеркального» всесвіту, де все навпаки – де переважає праве та античастинки? Така ідея має наукове підґрунтя. Деякі фізики припускають, що наш Всесвіт може мати близнюка з протилежними властивостями – космос, утворений з дзеркальних частинок, з протилежними зарядами і навіть зі зворотним плином часу[7]. Ця теорія намагається розв’язати одразу кілька проблем: загадку темної матерії, відсутність антиматерії, а також пояснити, чому ми досі спостерігаємо тільки лівоспіральні нейтрино[7]. Згідно з однією з моделей, наш Всесвіт – лише «дзеркальне відображення» паралельного світу, що виник до Великого вибуху і розвивається у зворотному напрямку часу[7]. На перший погляд ідея звучить екзотично, однак вона вписується у фундаментальну CPT-симетрію (заряду, парності й часу), яка вважається непорушною. Якщо вона справді виконується для всього всесвіту в цілому, тоді, грубо кажучи, «з іншого боку» Великого вибуху мав існувати дзеркальний всесвіт – із антиматерії, з часом, що йде у минуле, і «віддзеркаленими» фізичними законами.

Художнє уявлення симетрії матерії та антиматерії у Всесвіті

Інший підхід до цієї ідеї – гіпотеза так званої дзеркальної матерії. Уявімо, що для кожної елементарної частинки, яку ми знаємо, існує інша частинка – її дзеркальний двійник. Такий комплект «звичайні+дзеркальні» частинки дозволив би відновити повну парність у природі: звичайні частинки взаємодіють зі своєю лівою “орієнтацією”, а дзеркальні – з правою[4]. Моделі з дзеркальною матерією вперше з’явилися ще наприкінці 1950-х, але активно розробляються і нині[4]. Згідно з ними, весь наш Всесвіт має прихований “тіньовий” сектор, населений дзеркальними аналогами атомів, молекул і навіть цілих галактик. Чому ж ми їх не бачимо? Справа в тому, що дзеркальна матерія майже не взаємодіє з нашою, окрім як через гравітацію[4]. Дзеркальні частинки «спілкуються» між собою своїми дзеркальними силами – дзеркальним електромагнетизмом, дзеркальною слабкою та сильною взаємодіями. А от з нашим світом вони практично не контактують (лише гравітон однаково впливає і на нас, і на них[4]). Саме тому дзеркальну матерію ще називають прихованою або темною. Цікаво, що за оцінками космологів близько 25% енергії Всесвіту припадає на невидиму темну матерію – тож дзеркальний світ міг би складати значну частину нашого! Наразі це лише теорія, але вчені вже запропонували шукати непрямі ознаки існування дзеркальної матерії. Приміром, проводяться лабораторні експерименти з пошуку осциляцій нейтрона в дзеркальний нейтрон – тобто мимовільного переходу звичайного нейтрона у свою невидиму дзеркальну копію. Будь-які підтвердження “дзеркальних” гіпотез стануть сенсацією і перевернуть наше уявлення про структуру Всесвіту.

Використані джерела:

1. Mirror Reversal: Perception & Light and Color Science Activity [Electronic resource]. Exploratorium – Teacher Institute Project. URL: https://www.exploratorium.edu/snacks/mirror-reversal

2. MacDonald F. Why Do Mirrors Flip Things Horizontally But Not Vertically? Here's The Physics [Electronic resource]. ScienceAlert (05.10.2020). URL: https://www.sciencealert.com/why-do-mirrors-flip-things-horizontally-but-not-vertically-here-s-the-physics

3. Violating parity [Electronic resource]. Symmetry Magazine (01.03.2009). URL: https://www.symmetrymagazine.org/article/march-2009/violating-parity

4. Дзеркальна матерія [Electronic resource]. Вікіпедія – Вільна енциклопедія. URL: https://uk.wikipedia.org/wiki/Дзеркальна_матерія

5. Ціж М. Гра в хованки [Electronic resource] // Куншт, 13.02.2021. URL: https://kunsht.com.ua/gra-v-xovanki

6. Ellis J. Why does CP violation matter to the universe? [Electronic resource] // CERN Courier, 26.09.1999. URL: https://cerncourier.com/a/why-does-cp-violation-matter-to-the-universe

7. Ми, можливо, живемо в дзеркальному Всесвіті [Electronic resource] // Збруч, 22.06.2022. URL: https://zbruc.eu/node/112299

8. Origin of life favors one “hand” of chemical building blocks? [Electronic resource] // UCLA Newsroom, 25.08.2022. URL: https://newsroom.ucla.edu/releases/origin-of-life-favors-one-hand-of-chemical-building-blocks

9. CERN. The matter-antimatter asymmetry problem [Електронний ресурс] // CERN – European Organization for Nuclear Research. URL: https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem