Техника - молодёжи 2000-01, страница 57

ИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

нарушается. То есть для того, чтобы из электрона получить «настоящий» антиэлектрон, необходимо изменить еще и... направление хода времени, произвести Т-преобразование. Так возникло представление о существовании в природе фундаментального закона сохранения СРТ-симметрии.

Иначе говоря, наблюдатель не сможет никакими опытами узнать, в каком мире он находится, только в том случае, если одновременно произойдут С-, Р- и Т-преобразования.

Соотношения между всеми этими преобразованиями можно наглядно пояснить с помощью теории так называемой антисимметрии, созданной еще в 1940-х гг. академиком Алексеем Шубни-ковым для описания физических свойств кристаллов. Он предложил использовать не только обычные операции симметрии (например, отражения в зеркале), но еще и операции «антиотражения», позволяющие приписывать геометрическим фигурам противоположные физические свойства. Скажем, окрашивая в белый цвет отрицательные электрические заряды и в черный цвет — положительные. А в одной из своих работ Шубников высказал мысль о том, что частицы вещества и пространство, в котором они находятся, антисимметричны и, значит, их тоже следует изображать разным цветом, — например, белым и черным. Это и позволяет понять смысл закона сохранения СРТ-симметрии.

Пусть в нашем пространстве, которое условно окрасим в черный цвет, находятся две пары перчаток: одна — белых снаружи и черных изнутри, а другая — черных снаружи и белых изнутри. Если левую белую перчатку, находящуюся на черном фоне, отразить в зеркале, то есть выполнить Р-преобразование, то получится правая белая перчатка, а если левую белую перчатку вывернуть наизнанку, выполнив РС-преобразование (равноценное CP-преобразованию), то получится правая черная перчатка. Однако при всех этих преобразованиях перчатки остаются разными (в чем и заключается суть нарушения СР-симмет-рии), и для того, чтобы получить совер

-ф-

ш

шенно идентичную картину, необходимо поместить все четыре перчатки на белый фон, выполнив еще и Т-преобразование (рис.1). То есть с точки зрения теории антисимметрии обращение хода времени можно интерпретировать как изменение какого-то свойства пространства, в котором находится вещество.

Но какое свойство физического вакуума можно изменить на противоположное?

«Дырка» от позитрония

Получить вещество из физического вакуума можно путем торможения гамма-кванта, обладающего энергией, равной энергии массы покоя электрон-пози-тронной пары. А в том месте, где произошла аннигиляция, выделится энергия массы покоя этих частиц и останется не просто пустота, а физический вакуум.

Как электрон, так и позитрон, обладают, помимо массы и заряда, еще и спином S — эти частицы как бы вращаются, подобно волчкам. Так как при вращении зарядов возникает магнитное поле, у электрона и позитрона есть еще и магнитные моменты М, по-разному ориентированные относительно спинов. А вследствие нарушения СР-симметрии эти частицы должны иметь еще и небольшие электрические дипольные моменты D, также различающиеся своей ориентацией относительно спинов.

Аннигиляция электрон-позитронной пары происходит не сразу: сначала на короткое время (порядка 10¹⁰— 10⁷ с) эти частицы образуют так называемый квазиатом позитрония, вращаясь вокруг общего центра масс. А после того как произойдет аннигиляция и энергия их массы покоя превратится в гамма-кванты, разлетающиеся со скоростью света в разные стороны, на месте позитрония останется как бы дырка. Может ли эта «дырка» обладать какими-либо физическими свойствами?

В результате аннигиляции масса исчезает, превратившись в электромагнитную энергию; исчезают заряды противоположных знаков и полностью компенсируются противоположно ориентированные спины. Но магнитный и электрический дипольные моменты никак не могут исчезнуть! Поэтому получается, что в той точке пространства, где произошла аннигиляция, должно остаться удивительное электромагнитное поле, существующее без вещества, как бы само по себе (рис.2). То есть физический вакуум можно уподо-

4. Нить Пеано способна без разрывов заполнить как квадрат конечных размеров (а), так и бесконечно большой квадрат (б).

t — оо

бить улыбке Чеширского Кота (кто не читал — см. «Алису в стране чудес» Л.Кэрролла): улыбка (поле) есть, а кота (заряда) нет!

Конечно, никакое электромагнитное поле не может «висеть» в пространстве, ни за что не уцепившись, оно должно мгновенно разлететься в разные стороны со скоростью света, как и гамма-кванты, унесшие энергию массы покоя аннигилировавших частиц.

Но вот проблема. Понятно, что когда происходит фоторождение электрон-позитронной пары, энергия гамма-кванта превращается в энергию массы покоя этих частиц с зарядами противоположных знаков. Но откуда частицы получают информацию о том, какой должна быть взаимная ориентация их дипольных моментов? Ведь фоторождение электрон-позитронной пары может произойти в любой момент в любой точке пространства!

Получается, что эта информация должна как бы «до востребования» храниться в каждой бесконечно малой точке физического вакуума, и поэтому он не может представлять собой бесформенный кисель, а должен иметь некую определенную структуру. Вот об этой-то структуре квантовая теория поля как раз ничего и не говорит.

Ниоткуда в никуда

Чем удивительно электромагнитное поле, остающееся там, где произошла аннигиляция позитрония, помимо того, что оно существует как бы само по себе?

Обычная электромагнитная волна переносит энергию в направлении Р, перпендикулярном плоскостям, в которых происходят колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей Е и Н (рис.3). А в «дырке» от позитрония векторы Е и Н не перпендикулярны, а параллельны, вследствие чего электромагнитная энергия физического вакуума никуда не может улететь, но и ниоткуда не может прилететь, а должна вечно крутиться «влево» или «вправо» в каждой бесконечно малой точке пространства, заполняя его без каких-либо разрывов. Ведь природа не терпит пустоты!

Но можно ли бесконечно плотно заполнить чем-то материальным бесконечно большое пространство?

Если оно имеет только два измерения и конечные размеры, то его можно бесконечно плотно заполнить с помощью так называемой нити Пеано (рис.4а): по мере того, как размеры квадратиков уменьшаются, бесконечно тонкая нить все равно обходит каждый из них, а когда квадратики становятся бесконечно малыми, то эта нить без каких-либо разрывов заполняет все двухмерное пространство. Таким же образом нить Пеано может заполнить не только квадрат конечных размеров, но и бесконечно большой квадрат (рис.4б). Такие самоподобные структуры называются фракталами, особенность которых заключается в том, что их любая бесконечная малая часть неотличима от их любой бесконечно большой части

А нельзя ли подобным же образом бесконечно плотно упаковать и

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 12 0 0 0