Допустим, скажет скептик, что эта система действительно разумна
с логической точки зрения. Но этим еще не доказано,
что она соответствует природе. Вы правы, дорогой скептик.
Только опыт может решить, где же скрыта истина.
Альберт Эйнштейн

Около пятидесяти лет назад впервые прозвучало странное название — «зеркальная материя». C тех пор было предпринято множество попыток обнаружить «зеркальные» частицы, ее составляющие, и найти им место в так называемой стандартной модели частиц и взаимодействий. Что же такое зеркальная материя? Просто игра воображения или основа жизни людей, из нее состоящих, единственная и неповторимая для них так же, как привычная нам материя — для нас? Что это за загадочная субстанция, состоящая, как полагают, из элементарных частиц, зеркально симметричных нашим, земным частицам? Субстанция, которую по определению невозможно потрогать и увидеть, зато можно взвесить? А вдруг ее полно во Вселенной да и на нашей планете тоже, только существует она в параллельном, своем, зеркальном мире? А в нем зеркальные люди вслушиваются в голоса своей Вселенной в поисках братьев по разуму, мечтают, глядя в свое, непохожее на наше, звездное зеркальное небо, ездят на свои зеркальные дачи на зеркальных электричках и так же не замечают нас, как мы — их? Гипотеза ли это, многое объясняющая, или фантазия? Идея элементарных частиц, зеркально симметричных нашим, привычным частицам, возникла в теоретической физике, когда ученые внезапно обнаружили, что картина мира, до тех пор приятно симметричная, не полна. Предлагаемая вниманию читателей статья написана на основе бесед с академиком Львом Борисовичем Окунем, одним из тех трех московских физиков, которые чуть больше полувека тому назад гипотезу эту не просто выдвинули, но и показали, какими свойствами могли бы обладать зеркальные частицы, существуй они на самом деле, и c его учеником, доктором физико-математических наук Сергеем Ивановичем Блинниковым. Кроме того, в статье использованы материалы доклада Л. Б. Окуня на Рабочей конференции по будущему физики тяжелых кварков (ИТЭФ, 24–29 июля 2006 г.), который так и назывался: «Зеркальные частицы и зеркальная материя: 50 лет поисков и гипотез».

Красота глазами физиков, или о любви к симметрии

Я убежден, что посредством чисто математических конструкций
мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними,
которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы.
Альберт Эйнштейн

Важны не вещи, а принципы симметрии.
Стивен Вайнберг

Вначале было слово. Сказали его молодые китайские физики-теоретики Ли Цзундао и Янг Чженьнин, работавшие в Принстонском институте перспективных исследований (США). В середине 50-х годов прошлого века выяснилось, что в некоторых ядерных реакциях поведение образующихся частиц выглядит подозрительно несимметричным. Распад нейтронов, например, порождает электроны и нейтрино, почему-то асимметрично разлетающиеся в пространстве. Больше того, на лету эти элементарные частицы еще и вращаются в одну, левую сторону, то есть обладают, как говорят физики, левым спином.

Вообще, отклонения от симметрии не так уж редки в нашей жизни. Достаточно вспомнить, что все аминокислоты, из которых построены природные белки, «левые», то есть обладают свойством вращать поляризованный свет исключительно влево. Но уж на уровне элементарных частиц физическая картина мира, были уверены ученые, строго подчиняется законам симметрии — симметрия пространственной четности (Р) и зарядового сопряжения (С) считалась незыблемой. Согласно закону зарядового сопряжения (C-симметрия), результат любого физического эксперимента не должен измениться, если каждую частицу в эксперименте заменить соответствующей античастицей. Согласно закону сохранения четности (P-симметрия), любое взаимодействие между частицами должно протекать так же, если все пространственные координаты заменить их зеркальными отображениями. То есть все «правые» характеристики при зеркальном отражении должны превратиться в «левые», подобно тому, как в зеркале правая рука становится левой. Действительно, в «макромире» эти законы прекрасно работают. В мире же элементарных частиц, как оказалось, всё может быть иначе — как ни крути, «левых» частиц больше! Получалось, что природа по непонятной причине «левша». Но почему?!

Мысленный опыт Ли и Янга, экспериментально проверенный группой исследователей под руководством китаянки Ву Цзиньсян из лаборатории Колумбийского университета (США). Они наблюдали распад ядер изотопа кобальта ⁶⁰Cо с превращением их в ядра изотопа никеля ⁶⁰Ni, электроны и электронные нейтрино: ⁶⁰Co → ⁶⁰Ni + е^– + ν^e. Кобальт подвергли глубокому охлаждению и поместили в сильное магнитное поле, которое ориентировало его ядра в одном направлении. Выяснилось, что в направлении спина S вылетает электронов меньше, чем в противоположном. Если теперь мысленно отразить процесс распада в зеркале (произвести инверсию координат), окажется, что вектор спина в «зазеркалье» поменяет направление на противоположное, а вектор скорости останется прежним. Теперь больше электронов вылетает в направлении спина — смена знаков координат привела к изменению явления распада. А это и есть несохранение четности. Изображение: «Наука и жизнь»

Вот тогда-то и было впервые произнесено это слово, точнее словосочетание — «зеркальные частицы». Это в нашем мире частицы левозакрученные, сказали Ли и Янг и выдвинули гипотезу о существовании «правых протонов». О том, что где-то далеко во Вселенной, возможно, есть другие частицы — зеркальные. Они такие же, как наши, но правозакрученные, так что в целом симметрия не нарушается (см. «Наука и жизнь» №№ 8, 9, 1996 г.). Но что это за частицы, каковы их свойства — на этот счет Ли и Янг даже и предположений не строили.

P-симметрия: если заменить «правую» тройку векторов на «левую», взаимодействия между частицами сохранятся. Изображение: «Наука и жизнь»

Первое разумное объяснение обнаруженной несимметричности выдвинул замечательный физик Лев Давидович Ландау, разработавший теорию комбинированной четности (CP-симметрия). Он предположил, что мифические зеркальные частицы — не что иное, как античастицы, отличающиеся от наших частиц знаком электрического заряда. Для электрона античастица — положительно заряженный позитрон. Для протона — отрицательно заряженный антипротон. Впервые существование античастиц предсказал английский физик Поль Дирак в 1931 году, и уже спустя год американец К. Андерсон экспериментально обнаружил позитрон, так что к тому времени, когда вера физиков в незыблемость C- и P-симметрии была поколеблена, в реальности античастиц сомнений не было. Казалось бы, это отличное объяснение. Замена частиц на античастицы приводит к тому, что левоориентированные электроны превращаются в правоориентированные позитроны, и симметрия в целом сохраняется: частицы обычные распадаются с избытком электронов левой ориентации, а античастицы — с избытком электронов ориентации правой. Однако и эта гипотеза не сработала — на уровне слабых взаимодействий, как выяснилось, и CP-симметрия не сохраняется!

В 1964 году на конференции в Дубне молодой американский физик Джеймс Кронин, будущий нобелевский лауреат, рассказал о результате эксперимента, который он вместе с коллегами — Вэлом Фитчем, аспирантом Джеймсом Кристенсеном и молодым французским физиком Рэне Турле — провел на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Его сообщение, что частица по имени K-ноль-два-мезон (нейтральный каон) иногда, очень редко — 1–2 раза из тысячи, — распадается на два одинаковых пи-мезона (а в остальных случаях — на три), буквально произвело впечатление разорвавшейся бомбы, потому что это означало, что симметрии между частицами и античастицами нет.

Забавно, что, исследуя пучки каонов, Кронин и его коллеги своим экспериментом надеялись не опровергнуть, а как раз подтвердить правильность теории CP-симметрии, предложенной Ландау, которая подобные распады запрещала, — но зарегистрировали их. Больше того, обнаружив распады, запрещенные в рамках теории комбинированной четности, они были настолько поражены, что полгода анализировали и проверяли свои результаты, прежде чем решились их обнародовать.

А вот физикам из Дубны повезло куда меньше. Двумя годами раньше они искали CP-запрещенные распады каонов на два пи-мезона, но не успели довести эксперимент до конца! Зарегистрировав почти 600 «правильных» распадов, они вынуждены были остановиться: руководство, сочтя эксперимент безнадежным, запретило его. Группе из Принстона повезло больше — и в конечном итоге за экспериментальное обоснование «нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K-мезонов» они, а не группа Э. О. Оконова из Дубны были удостоены Нобелевской премии.

Итак, найденные «неправильные» распады каонов теорией Ландау были запрещены, и симметрия в мире элементарных частиц, казалось бы, успешно восстановленная, вновь рухнула. Античастицы ее уже не спасали — простая смена знака электрических зарядов частиц на противоположные не меняет их поведение на зеркально симметричное.

Вопрос оставался открытым. Как должна быть устроена Вселенная, чтобы в мире элементарных частиц симметрия все-таки сохранялась? Ответ на него искали многие, в том числе и московские физики — Исаак Померанчук, Игорь Кобзарев и Лев Окунь.

Однажды в процессе обсуждения этой проблемы в небольшом кабинете Института теоретической и экспериментальной физики, в котором и теперь работает академик Лев Борисович Окунь, они предположили, что помимо пары частица—античастица должны быть еще и их зеркальные аналоги — зеркальная частица и зеркальная античастица.

Про эти гипотетические частицы, разумеется, ничего известно не было. Кроме одного: зеркальные частицы от обычных отличает единственное качество — авторы назвали его числом Алисы (по имени той самой, из Зазеркалья), а операцию зеркального отражения частиц предложили называть A-преобразованием.

Если есть это A-число — частица зеркальная, нет его — точно такая же, но обычная. В остальном же они совершенно одинаковы — у них совпадают и спин, и электрический заряд, и вообще всё. А что такое A-число, неизвестно и сейчас. Тогда же еще совершенно неясно было, какими свойствами зеркальные частицы могли бы обладать, существуй они на самом деле, и если да — как их найти? В первой своей работе на эту тему Л. Б. Окунь и его коллеги даже предположили, что невидимые зеркальные частицы могут образовывать целый зеркальный мир и, более того, этот зеркальный мир может сосуществовать с нашим в одном и том же пространстве. Позднее они же доказали, что это невозможно — «зеркальный земной шар» гравитационно возмутил бы движение нашего земного шара, но тогда... Как позднее вспоминал Окунь, «Игорь Кобзарев и я в выходной день шли по подмосковному лесу... И вдруг я очень ярко «увидел», как через поляну по невидимым рельсам идет невидимый и неслышимый поезд».

Остроумная гипотеза обрела черты серьезного предположения в работе Кобзарева, Окуня и Померанчука «О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц», опубликованной в журнале «Ядерная физика» в 1966 году. В ней теоретики строго доказали: зеркальные частицы взаимодействуют между собой по всем законам квантовой механики, а с нашими, обычными частицами — только гравитационно.

Доказать это «напрямую» не удавалось, но авторы использовали «доказательство от противного»: если бы было возможно любое другое, хоть самое незначительное взаимодействие, это обязательно проявилось бы в эксперименте — в некоторых опытах с элементарными частицами результаты получались бы другими. А этого не было. К сожалению, «увидеть», а уж тем более «потрогать» зеркальные частицы нашими приборами нельзя в принципе, по определению, и возможность экспериментально обнаружить зеркальное вещество уже тогда представлялась авторам весьма сомнительной.

Похоже, эта идея так и осталась бы достоянием узкого круга специалистов, если бы не проблема темной материи, в решение которой гипотеза о материи зеркальной вписывается на редкость удачно.

Секрет темной материи

Природа показывает нам лишь хвост льва.
Но я нисколько не сомневаюсь в том, что лев действительно существует,
хотя из-за своего огромного размера он не может сразу появиться целиком.
Альберт Эйнштейн

Одна из самых интригующих загадок, доставшаяся нашему веку в наследство от прошлого, — это, конечно, природа темной, или, как ее еще называют, «невидимой», материи.

То, что во Вселенной есть некая невидимая материя, которая имеет массу, но не поддается обнаружению никакими доступными пока способами, сомнений не вызывает — ученые чувствуют ее влияние на состояние галактик и уверены в ее существовании (см. «Наука и жизнь» № 5, 2005 г.).

Обнаружены скопления звезд и галактик, которые удерживают вместе непонятно что. Расчеты показывают — видимая нам конфигурация возможна, только если есть область с повышенной плотностью чего-то явно тяжелого, гравитирующего, простирающаяся за его видимые границы, — так называемое темное гало. При этом рассчитанная масса темного гало в десятки раз больше массы всех видимых звезд. В этих галактиках и скоплениях звезд отдельные части галактик либо отдельные звезды вращаются с такими скоростями, что, не будь в этой системе чего-то тяжелого, все ее части давно бы разлетелись во все стороны, как разлетелись бы планеты Солнечной системы, не будь в центре Солнца, удерживающего их, как ведро на веревочке, благодаря силам гравитации притяжения.

Существуют и явления гравитационного линзирования и микролинзирования, когда скрытая масса проявляет себя, искажая изображения источников излучения или меняя их интенсивность (см. «Наука и жизнь» № 2, 1994 г.). Иногда вместо одного, скажем так, истинного источника излучения астрономы наблюдают несколько его изображений, порой искаженных. То есть вместо одного светового пятна от соответственно одного источника света — галактики, скопления звезд или одной звезды астрономы видят несколько, причем изображения порой искажаются, вытягиваясь в дуги разной длины с центром, совпадающим с центром линзы. А иногда свет звезды или галактики вдруг увеличивается в несколько раз, а затем его интенсивность вновь возвращается к исходной величине.

По сути, явление линзирования напоминает обычные земные миражи и происходит в том случае, если между наблюдателем и источником света находится линза или призма — не стеклянная, конечно. В пустыне или над шоссе этой призмой могут быть слои горячего воздуха, благодаря чему становятся видны предметы, находящиеся за горизонтом. А преломление лучей в кристаллах льда позволяет увидеть не одно Солнце на небе, а еще два возле него. А в космосе линзой может стать тяжелый объект между источником излучения и наблюдателем. Благодаря силе своей гравитации этот объект притягивает лучи света и создает как бы собирающую линзу, а для наблюдателя — ту обманчивую картину, которую фиксируют наши телескопы.

Так что сомнений в том, что Вселенная на самом деле значительно «тяжелее», чем это следует из наблюдений, у астрономов нет. Эта невидимая масса по расчетам, выполненным на основании данных о материи наблюдаемой, составляет более 90% всей массы во Вселенной (см., например, соросовскую лекцию академика А. М. Черепащука «Гравитационное микролинзирование и проблемы скрытой массы») *. Выполнены даже расчеты, в том числе на основе данных по линзированию и микролинзированию, благодаря которым удалось составить карту распределения плотности скрытой массы в различных участках Вселенной. Есть такая карта и для нашей Галактики. На долю же звезд и планет, которые мы видим, приходится меньше 10% массы Вселенной. Возникает законный вопрос: из чего сделано всё невидимое?

С одной стороны, это могут быть компактные объекты, по разным причинам недоступные для наблюдения имеющимися приборами. Черные дыры, вырваться из зоны влияния которых не под силу никакому излучению, или слабые коричневые карлики, излучение которых просто неуловимо из-за того, что чувствительности телескопов не хватает, нейтронные звезды или темные планеты типа Юпитера — короче говоря, макроскопические скопления барионного вещества. С другой стороны, по крайней мере часть темной материи может состоять из небарионного вещества — различных элементарных частиц, таких, как нейтрино, фотино, аксионы, и даже из странных частиц (вот хорошее название! А еще некоторое время назад физики всерьез рассматривали возможность существования частиц с названием «шизоны» — к счастью, оказалось, что их не существует). Это могут быть и различные слабо взаимодействующие массивные частицы — так называемые вимпсы (WIMPs — Weakly interactive Massive Particles). Проверить, так ли это, удастся, возможно, уже в самое ближайшее время — во всяком случае, детекторы для обнаружения некоторых видов элементарных частиц уже существуют.

Но всё же ответа на этот вопрос пока нет. Зато есть множество гипотез, среди которых и предположение, что часть темной материи — материя зеркальная.

Конечно, зеркальная материя — прекрасный вариант объяснения природы темной материи: увидеть ее в принципе невозможно, зато ее тяжесть мы вполне могли бы ощущать — обмен гравитонами между этими двумя видами материи как раз возможен.

Как войти в зеркальный дом, кто нас встретит в доме том?

Есть ли вероятность того, что зеркальную материю откроют?
Конечно. Если она есть. А если ее нет — значит, и не откроют.
Лев Окунь

Этот путь может оказаться неверным, но все равно
его необходимо попробовать.
Альберт Эйнштейн

Где находятся объекты из зеркальной материи да и могут ли они быть вообще?

На второй вопрос Л. Б. Окунь в статье 1983 года дает ответ вполне положительный: зеркальная материя, если она есть конечно, тоже способна образовывать атомы, молекулы и, при благоприятных космологических условиях, звезды, планеты и даже зеркальную жизнь.

Но в ближайшем окружении, в пределах Солнечной системы, искать ее не стоит. Создав еще в 1979 году первую космогонию для зеркальной материи, Лев Окунь, Сергей Блинников и Максим Хлопов убедительно доказали, что внутри Земли ее практически нет, а внутри Солнца может быть не более одной миллионной его массы.

Это понятно. Материя, из которой сделана Земля, существует как единое целое именно благодаря атомарным и молекулярным, то есть, по сути, электромагнитным силам, — они присоединяют частицы друг к другу. А у зеркальных частиц по отношению к нашим частицам таких сил нет. В этом смысле они абсолютно стерильные, невзаимодействующие.

Можно ли допустить, что две абсолютно одинаковые Земли образовались в одно время и в одной точке пространства? «Нет, и это неверно, — говорит С. И. Блинников. — Расчеты и анализ химического состава Солнца, Земли, Луны и метеоритов указывают на то, что наша Солнечная система образовалась под действием недалекого взрыва сверхновой. От этого взрыва в межзвездном газе пошла могучая ударная волна, газ в ней сжимался, остывал и создал наше Солнце и планеты.

А межзвездный газ из зеркального вещества ударной волны от нашей сверхновой никак не почувствует. Потому и не начнет сгущаться в свои пылинки, льдинки и метеориты — строительный материал будущих зеркальных планет. Для этого ему нужны взрывы своих, зеркальных сверхновых — а уж их-то мы могли бы засечь по всплеску гравитационных волн, от которых траектория нашей Земли изменилась бы».

Сколько зеркальной материи во Вселенной — вопрос совершенно умозрительный, даже о доле обычной, наблюдаемой, материи мнения астрофизиков расходятся — то ли ее пять, то ли десять процентов. Ясно одно — полного равенства масс зеркальной и обычной материи ожидать отнюдь не следует. Если симметрия между нашим миром и «зазеркальем» абсолютна и распределение между барионным и небарионным веществом в зеркальном мире такое же, как у нас, то зеркальной материи в нем — те же пять или десять процентов. Но ее может быть и больше: в макроскопических масштабах строгая симметрия не обязательна — в конце концов, в нашем мире между материей и анитиматерией точного равенства масс нет: в нашей Галактике, например, доля антивещества составляет всего 10^–10 от доли вещества обычного, и очень хорошо — а то бы они аннигилировали и ничего бы не осталось.

И всё же — как найти зеркальную материю или доказать, что она существует? Более того, как показать, что невидимая, но гравитирующая материя — именно зеркальная, а не какой-то другой ее вид из общего списка кандидатов на роль скрытой массы?

Сделать это можно, например, по эффекту микролинзирования, когда свет далекой звезды преломляется «на пустом месте»; или по гравитационным возмущениям, если какой-то достаточно массивный компактный объект из зеркального вещества, например комета или метеорит, пролетит неподалеку от Земли и, грубо говоря, стрелка гравиметра дрогнет без видимой причины. «Если мы увидим, что есть гравитация, соответствующая компактным звездным массам, которая никакими видимыми звездами не объясняется, можно смело утверждать, что обнаружены невидимые звезды, почти открыт зеркальный мир или частицы, которые должны быть очень близки к ним, — утверждает Сергей Блинников. — Но и тогда придется доказывать, что это было именно зеркальное тело. Пока же надежного способа идентифицировать его нет — разве что методом исключения».

Иными словами, придется доказывать, что это тело состоит не из... — и далее по списку объектов, не наблюдаемых, но гравитирущих. А ведь он наверняка не полон — вполне вероятно, что его еще будут пополнять физики и астрофизики. К счастью, проверять придется не весь список, поскольку частицы, неспособные сильно между собой взаимодействовать и, следовательно, образовывать компактные объекты, можно смело из списка претендентов на зеркальную материю вычеркивать.

Остается, правда, некоторая надежда обнаружить зеркальные частицы экспериментально. Многие частицы, в частности нейтрино, способны превращаться из одного сорта в другой — испытывать осцилляции (см. «Наука и жизнь» № 3, 2002 г.). Если окажется, что, например, какое-то нейтрино при определенных условиях превращается в некое неизвестное пока нейтрино, а то, в свою очередь, — в нейтрино зеркальное, и наоборот, превращения можно будет зафиксировать. Это станет прямым доказательством существования нейтрино зеркального. Между прочим, замечательные физики Яков Борисович Зельдович и Максим Юрьевич Хлопов не исключали того, что масса нейтрино может возникать как раз из-за переходов между нашим, левым, и зеркальным, правым, нейтрино, становясь мостиком между нашим и зеркальным мирами. А уж если один вид зеркальных частиц есть, то и все другие тоже должны быть, а значит, не исключено и всё остальное — и зеркальные звезды, и зеркальные люди.

Между прочим, вполне вероятно, что поиск внеземных цивилизаций, полагает академик Николай Семенович Кардашев, до сих пор не дал результатов как раз потому, что все они существуют в зеркальном мире. «Возможен ли обмен информацией между нашим и зеркальным миром?» — задается вопросом Николай Семенович. И отвечает на него положительно. «Если взаимодействие только гравитационное, то и обмен информацией может осуществляться с помощью переменной величины тяжести. Простейший обмен информацией возможен при воздействии гравитирующих зеркальных масс на наши гравиметры и наоборот».

Конечно, сейчас всё это кажется совершеннейшей фантастикой. Но как знать: ведь теоретическая физика — надежная основа для практических приложений. Недаром крупнейшие автомобильные корпорации поддерживают исследования в области теоретической физики.

Косвенное доказательство существования зеркальных частиц ученые пытаются найти экспериментально. Сейчас на реакторе в Гренобле группа под руководством доктора физико-математических наук Анатолия Павловича Сереброва из Петербургского института ядерной физики РАН (ПИЯФ) проводит эксперимент с ультрахолодными нейтронами, скорость которых примерно 5 м/с. Исследователи надеются обнаружить переход обычных нейтронов в зеркальные. Суть эксперимента в том, что определенное число нейтронов запускают в ловушку, от стенок которой ультрахолодные нейтроны идеально отражаются. Теория предсказывает, что обычные нейтроны могут переходить в зеркальные, и, хотя скорость такого перехода неизвестна, доказано, что в магнитном поле она гораздо ниже. Если переход произойдет, получившийся зеркальный нейтрон выскочит из ловушки, не замечая ее стенок, обычных нейтронов станет меньше, что и зарегистрирует экспериментатор. Следовательно, можно ожидать, что если в ходе эксперимента число нейтронов уменьшается, а наложение магнитного поля подавляет эффект «исчезновения» нейтронов, это будет очень веским аргументом в пользу существования зеркальных частиц.

* На XII Всероссийской гравитационной конференции (Казань, 2005 г.) названа цифра 95%. «Мы живем в чрезвычайно интересное время, — сказал на открытии конференции президент Российского гравитационного общества Виталий Мельников. — После того как вдруг выяснилось, что 95% Вселенной состоит неизвестно из чего, возникает широкий простор для поиска, для создания новых теорий, порой очень смелых».