

На первый взгляд может показаться, что, несмотря на довольно тесное сотрудничество, астрономию и физику должны интересовать прямо противоположные задачи. Для исследователей Вселенной — это выяснение поведения объектов и процессов большого масштаба, раскрытие закономерностей мегакосмоса, который характеризуется колоссальными расстояниями до Ю’27 см и огромными промежутками времени до 10’7 сек. Наоборот, исследователи строения материи занимаются изучением элементарных частиц и явлений, познанием закономерностей микромира, проникая в ультрамалые субатомные интервалы до 10~’7 см и до \0~27 сек.
Однако было бы неверно думать, что задачи, о которых идет речь, исключают друг друга, что между ними чет ничего общего. Микромир и мегакосмос — две стороны одного и того же процесса, который мы с вами назвали Вселенной. Какими бы гигантскими размерами ни обладала та или иная космическая система, она в конечном итоге состоит из элементарных частиц. С другой стороны, многие ядерные процессы являются отражением космических явлений, охватывающих колоссальные области пространства.
Необходимость совместного изучения микромира и мегакосмоса, исследования тех глубоких связей, которые существуют между микроявлениями и мегапроцессами, диктуется еще и тем обстоятельством, что в том мире, в котором мы живем, в макромире, свойства «большого» и «малого» скрещиваются словно лучи прожектора. Ведь и мы сами, и все окружающие нас предметы состоят из элементарных частиц, и в то же время мы являемся частью мегакосмоса. Поэтому для того, чтобы понять и заставить работать па себя природные процессы (а в этом состоит главная задача любой пауки), необходимо стремиться к тому, чтобы познать наиболее глубокие закономерности, связывающие микромир и мегакосмос. К тому же астрономия, по крайней мере, на данном этапе, может дать больше фактов, необходимых для развития физических представлений, чем даже ядерная физика. Хотя свойства микромира также неисчерпаемы, как и свойства мегакосмоса, опыт показывает, что при достигнутом уровне знаний получение принципиально новых фактов в области строения вещества требует значительно больших усилии, чем в области изучения Вселенной.
До сравнительно недавнего времени наиболее общими и глубокими законами природы считались законы сохранения. Эти законы действуют как па уровне элементарных частиц (например, закон сохранения электрического заряда), так и па уровне макромира (закон сохранения количества движения), так, наконец, и на уровне мегакосмоса (закон сохранения материн).
Однако открытия последнего времени приводят к выводу, что, видимо, в природе действуют закономерности еще более общие, закономерности, из которых законы сохранения вытекают как одно из следствий. Это так называемые законы симметрии.
Хорошо известно, что в математике понятие симметрии связано с чисто геометрическими свойствами рассматриваемых объектов. Но в данном случае речь идет о симметрии в широком значении этого слова. Симметрия — это равновесие, пропорциональность, обратимость и т. п.
Принципы симметрии — это не что иное, как принципы инвариантности, о которых у нас уже шла речь. Если па первой ступени познания человек добывает у природы отдельные факты, на следующей выясняет связи между этими явлениями, т. е. открывает законы природы, то принципы инвариантности — это третья ступень познания: они устанавливают связи между законами природы.
Поэтому не удивительно, что именно свойство инвариантности, симметрии из всех известных современной науке закономерностей связывает микро- и мегаявления в наибольшей степени.
Одна из наиболее фундаментальных проблем современной науки, непосредственно связанная с принципом симметрии — проблема вещества и антивещества. Как известно, наряду с элементарными частицами, из которых состоят все предметы, окружающие нас, существуют и так называемые античастицы. При этом в природе действует фундаментальный закон — частицы и античастицы могут возникать или исчезать (превращаться в иные формы материи) только парами. Другими словами, рождение частицы всегда сопровождается появлением соответствующей античастицы VI наоборот. Более того, любое изменение количества вещества в природе обязательно должно сопровождаться соответствующим изменением количества антивещества. Если этот закон действительно является всеобщим, то во Вселенной существует симметрия относительно вещества и антивещества и общее число частиц должно быть равно числу античастиц. Изучение этой проблемы имеет важное значение для понимания многих явлений, происходящих в природе.
В частности, в связи с симметрией Вселенной относительно вещества и антивещества возникает весьма интересный вопрос. Если паша Земля, наша солнечная система, а возможно, также паша Галактика и Метагалактика целиком состоят из вещества, то где находится «уравновешивающее» количество антивещества? Была сделана попытка решить эту проблему с помощью гипотезы об антимирах, т. е. космических объектах, целиком состоящих из антиматерии. Дальнейшее развитие методов наблюдений позволит проверить обоснованность этих предположений. Но независимо от результатов подобной проверки возникает еще один вопрос: каким образом и на каких стадиях образования космических объектов могло произойти разделение вещества и антивещества, которое привело к образованию однородных космических тел типа Солнца или Земли, целиком состоящие на одних только «частиц»? Ведь не отличаясь друг от друга по своим физическим и химическим свойствам, вещество и антивещество не могут сосуществовать. При соприкосновении друг с другом частицы и античастицы немедленно аннигилируют с выделением большого количества энергии, превращаясь в частицы излучения.
Но пока механизм разделении вещества и антивещества нам неизвестен. Проблема весьма трудная, и поскольку ее удовлетворительного решения до сих пор нет, многие исследователи выражают сомнение в самой возможности существования обособленных антимиров и антиобъектов.
С другой стороны, не исключено также, что представления о мирах и антимирах, существующих в различных частях Вселенной и удаленных друг от друга па определенное расстояние, являются чересчур наивными. Может быть и так, что мир и антимир сосуществуют в одной и той же области Вселенной во взаимно «вывернутых» пространствах и при противоположных направлениях течения времени.
В микромире действуют и другие законы симметрии, имеющие чрезвычайно важное значение для судеб Вселенной.
До 1957 г. в физике микромира существовал так называемый закон сохранения четности. Закон этот состоял в следующем. Представим себе какую-либо систему взаимодействующих элементарных частиц. Если заменить эту систему другой, которая будет ее зеркальным отражением, то согласно закону сохранения четкости характер происходящих процессов не изменится.
Однако в 1959 г. работавшие в США физики Ли и Янг обнаружили, что при так называемых слабых взаимодействиях (т. е. взаимодействиях, возникающих при распадах и столкновениях частиц со средними и малыми массами) зеркальная симметрия нарушается. В связи с этим известный советский физик академик Л. Д. Ландау предложил более общий закон симметрии — закон сохранения комбинированной четности. Согласно этому закону зеркальное отображение микропроцессов не изменит физической картины лишь в том случае, если все частицы будут заменены соответствующими античастицами. Однако в 1964 г. американские физики открыли явление, противоречащее и этому обобщенному закону. Был экспериментально обнаружен распад элементарной частицы нейтрального ка-два-мезона на два пи-мезона. Это явление оказалось несовместимым с законом комбинированной четности.
Нарушение комбинированной симметрии при элементарных взаимодействиях влечет за собой далеко идущие следствия. Дело в том, что в физике микромира действует еще один, более общий принцип инвариантности, известный под названием С7\Р-теоремы. Пусть у нас имеются какие-либо уравнения теоретической физики, описывающие поведение некоторой системы, состоящей из элементарных частиц. Предположим далее, что все частицы этой системы мы заменим античастицами (С-преобразование), затем изменим пространственные положения новых частиц с таким расчетом, чтобы конфигурация получившейся в результате этого системы была отражением прежней (Р-преобразование), и, наконец, заменим в уравнениях время Т на минус Т (Т-преобразование). Оказывается, что при таких условиях уравнения теоретической физики не меняют своего вида, пли, как говорят математики, они являются инвариантными относительно произведения указанных преобразований. Это утверждение и называется СТР-теоремой.
Эта теорема представляет собой универсальное положение, опирающееся на основные свойства физических процессов, и не вызывает каких-либо сомнений. Считалось также само собой разумеющимся, что ничего не
меняется и в результате одного 7″д1реобразоваппя. Но если не выполняется закон комбинированной четности, т. е. уравнения меняют свой вид в результате преобразования СР, то остается предположить, что в физике микропроцессов прямое и обратное течения времени обладают какими-то существенными различиями, т. е. имеет место необратимость элементарных процессов.
Чтобы лучше себе представить, что это означает, можно привести такой, хотя, быть может, несколько упрощенный пример. Предположим, что произошел взрыв какого-нибудь объекта, скажем, железнодорожного моста. Так вот необратимость процессов во времени означает, что если бы можно было пустить время вспять, то осколки, образовавшиеся при взрыве, собрались бы не в мост, а во что-то другое.
Чтобы найти выход из создавшейся ситуации, было предложено наряду с известными видами взаимодействий — ядерными (пли сильными), электромагнитными, слабыми и гравитационными — ввести пятый вид, обусловленный действием неизвестных сил, еще более слабых, чем гравитационные. Если бы такие силы действительно существовали, то их действием можно было бы объяснить явления, подобные распаду ка-два-мезопа. Однако последующие экспериментальные исследования не подтвердили подобного предположении.
Не годится в данном случае и предположение, что в явлении распада ка-два-мезопа принимают участие какие-то новые, еще неизвестные нам частицы.
Загадочно также, что ни и каких других ядерных процессах нарушений теории, подобных «случаю» с ка-два-мезоном, пока обнаружить не удалось.
Вопрос остается открытым. По несомненно, что современная наука вплотную подошла к таким явлениям, объяснение которых может иметь чрезвычайн