Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира - Крис Макманус

игла, лежащая параллельно магнитному меридиану, отклоняется в определенном направлении от меридиана из-за положенной параллельно проволоки, по которой пропущен электрический ток. Маху было ясно, что проблема кроется «в применявшемся Архимедом принципе симметрии, который мог увести нас в сторону». Взгляните на рис. 14.7b. Если никакого тока нет, система выглядит полностью симметричной (и геометрически она действительно симметрична, что ясно, если поместить перед ней зеркало). Так почему же магнит отклоняется вправо? Как может симметрия порождать асимметрию? Эрстед не имел об этом никакого понятия, хотя в вычеркнутом позже абзаце, которым он дополнил статью при подготовке к публикации, он почти приблизился к правильному ответу: «Электромагнетизм открывает нам мир скрытых движений… Нельзя исключить, что даже в магнетизме присутствует некое вращательное движение»[530].

В самом деле, «некое вращательное движение» заставляет систему выглядеть симметричной, хотя на деле она таковой не является. Физик и Нобелевский лауреат Янг Чжэньни́н, доказавший, что в физическом мире нет лево-правой симметрии, объяснил удивившую Маха загадку: «Магнит является магнитом, потому что в нем присутствуют электроны, движущиеся по орбитам». Все электроны в магните вращаются в одном и том же направлении, создавая магнитное поле. На рис. 14.7 вращающиеся электроны символически изображены на одном конце магнита, показывая, что система не симметрична, хотя и выглядит таковой. Как ни странно, куда менее удивительно, что магнит поворачивается вправо, а не влево, потому что сама система асимметрична[531].

Эрстед восемь лет шел к своему открытию отчасти потому, что, как и многие, ошибался, полагая, что эффект проявится только в случае, если система будет асимметрична (рис. 14.7a), а не симметрична (рис. 14.7b). Он не ставил правильный опыт, потому что считал, что, скорее всего, ничего не произойдет. Однажды допустить такую ошибку – неудачное стечение обстоятельств. Но кажется невероятным, что такая ошибка могла быть допущена полтора века спустя – и все же, как мы видели в главе 6, это произошло в области ядерной физики. Чтобы опровергнуть это, потребовался эксперимент Ву с кобальтом-60, показавший, что четность не сохраняется и что, как предсказывали Янг и Ли, слабые взаимодействия асимметричны, и спин электронов направлен влево. Нечто в глубинах нашего разума жаждет симметрии[532].

Несомненно, симметрия стала для физики XX века мощным инструментом. Физики всегда мечтали о том, чтобы устройство Вселенной можно было выразить через математические построения. В начале XVII века астроном Кеплер, питавший почти мистическую веру в математику, пытался найти соответствие орбит известных тогда планет – Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера и Сатурна – идеальным платоновым телам – тетраэдру, кубу, октаэдру, додекаэдру и икосаэдру. Теория была красива, но она рухнула, когда орбиты планет были вычислены с большой точностью. Первым большим успехом теории симметрии в предсказании природы физического мира стала теория относительности Эйнштейна, появившаяся в 1905 году. Ключевая концепция теории Эйнштейна – это инвариантность: а именно, законы физики одинаково применимы в самых разных ситуациях, например во всех уголках Вселенной. Идея инвариантности близко соотносится с симметрией в том, что положение выглядит неизменным после серии преобразований. Применяя такие мощные инструменты, как теория групп, физикам удавалось не только объяснять самые разнообразные явления, но и предсказывать неизвестные ранее. Предсказания и последующее обнаружение целого семейства экзотических элементарных частиц, начавшееся с открытием позитрона, стало венцом этого подхода, суть которого выразил Ричард Фейнман: «Факт, который большинство физиков до сих пор находят несколько ошеломляющим, самым глубоким и прекрасным… что в квантовой механике для каждого правила симметрии существует соответствующий закон сохранения»[533]. Перемещение в пространстве означает необходимость сохранения импульса; вращение – необходимость сохранения углового момента; а перемещение во времени – необходимость сохранения энергии[534].

Большинство доводов в пользу симметрии – это доводы, исходящие из логики и структуры геометрии. Если теория утверждает, что я могу стоять перед вами и в то же время позади вас, то такая теория неверна не потому, что ее опровергает опыт, а потому, что геометрия запрещает объекту одновременно находиться в двух разных местах. Точно так же, как неверны теории, утверждающие, что дважды два – пять, неверны и теории, неправильно понимающие геометрию. Таким же образом симметрия проясняла множество заблуждений и налагала ограничения на виды опытов, которые могли бы оказаться полезны. Там, где симметрия может ввести в заблуждение, а не действовать в качестве сдерживающего начала, в ней видели условие правильной работы физики. Иногда наука незаметно, почти невольно преодолевает это ограничение. Ричард Фейнман вспоминает, как в 1956 году он обсуждал предположение о сохранении четности:

«Во время конференции я жил в одном номере с экспериментатором Мартином Блоком. И однажды вечером он спросил у меня:

– А почему вы, ребята, так цепляетесь за этот закон четности? <…> Что, собственно, стрясется, если закон четности окажется неверным?

Я с минуту подумал и ответил:

– Это будет означать, что законы природы различны для правой и левой руки, что можно, опираясь на физические явления, определить, какая из рук правая. Что в этом такого уж страшного, я не знаю, наверное, отсюда может проистекать нечто дурное, но что именно, мне неизвестно»[535].

У Фейнмана был интересный ответ на вопрос, почему «эти ребята» так настаивали на симметрии: «Симметрия завораживает человеческий разум… В нашем сознании мы склонны принимать симметрию за своего рода совершенство»[536].

Фраза Фейнмана «в нашем сознании» – ключ к силе принципа симметрии. Как говорит нам так называемый антропный принцип, физики и космологи способны установить, постичь и использовать лишь те научные постулаты, которые способен обработать человеческий мозг. Как и любая вычислительная машина, с какими-то задачами мозг справляется великолепно, с какими-то плохо, а с какими-то не справляется вообще. А при решении некоторых задач он систематически выдает ошибку. Зависимость типов мышления и восприятия от характера организации мозга видна в принципе Маха, о котором говорилось в главе 4: восприятие асимметрии возможно, но при этом сам мозг должен быть асимметричен. Физикам может нравиться симметрия, но, по замечанию психологов Майкла Корбеллиса и Айвена Била, «совершенно симметричный физик никогда не смог бы не то что открыть, но даже предположить несохранение четности»[537].

Пристрастие людей к симметрии и связь с ней истины и красоты может быть интеллектуальным эквивалентом визуальной, или когнитивной, иллюзии. Физикам, как и всем нам, трудно избежать идеалистической концепции «Блага», восходящей еще к Сократу. Симметрия видится как царский путь к истине – тот, что Абдул Салам называл «внутренней гармонией, глубинной, все наполняющей симметрией». Проблема в том, что, как заметил философ Баас ван Фраазен, симметрия может быть слишком могущественна и соблазнительна.

Симметрия хватает теоретика за руку и стремительно заводит его очень далеко, куда его толкают только самые