Гипотеза о существовании «зеркальной материи» родилась еще полвека назад и не раз обосновывалась теоретически, однако найти ей какие-либо экспериментальные подтверждения пока не удалось.
Что это за таинственная субстанция, будто бы состоящая из элементарных частиц, зеркально симметричных обычным? Игра воображения или нечто реально существующее, возникшее миллиарды лет назад одновременно с нашей, привычной, материей?
Разобраться во всех этих вопросах нам помог один из участников «зеркальной» дискуссии, доктор физико-математических наук Сергей Блинников. Объяснять он начал «от печки», потому что сама идея элементарных частиц, похожих на наши в зеркальном отражении, возникла в теоретической физике достаточно давно, когда ученые обнаружили, что до некоторых пор симметричная картина мира вдруг оказалась не совсем таковой — не хватало частиц, восстанавливающих симметрию процессов, связанных со слабым взаимодействием.

Левый марш
Первое слово в этой дискуссии сказали американские физики китайского происхождения Ли Цзундао и Янг Чжэньнин в середине 50-х годов XX века, которые предсказали эффект несохранения четности в слабых взаимодействиях. Годом позже группа Ву-Цзяньсюн экспериментально выяснила, что в поведении элементарных частиц есть какие-то необъяснимые предпочтения. Оказалось, что ориентированные ядра радиоактивного кобальта при распаде порождают электроны и нейтрино, почему-то асимметрично распределенные в пространстве. Больше того, все электроны и все нейтрино на лету вращаются в одну сторону — влево, то есть они «левозакрученные». А «правозакрученных» нет вообще! При этом выяснилось, что распад некоторых частиц (например, мезонов) и даже атомов приводит к образованию «осколков», которые всегда неравномерно распределены в пространстве. Да и вообще, мир, где действуют силы слабого взаимодействия, оказался асимметричным.

На физиков такое отклонение от привычной теории, которая предписывала инвариантность, то есть, грубо говоря, одинаковость всех законов в мире элементарных частиц при зеркальном отражении, произвело впечатление шокирующее. Похожее чувство мы, возможно, испытали бы, обнаружив, например, что по одной-единственной дороге, связывающей два города, машины едут только в одном направлении и никогда — в обратном!

Проанализировав экспериментальные данные, Ли и Янг предположили: если в нашей части Вселенной частицы «левозакрученные», то почему не может быть других — зеркальных частиц, таких же, как наши, но «правозакрученных». В итоге — вселенская симметрия не нарушается.

Очень ненадолго успокоить волнения среди физиков удалось Льву Ландау. Выдвинув теорию комбинированной четности (СP-симметрия), он предположил, что гипотетические зеркальные частицы — это античастицы (уже известные физикам). От обычных они отличаются знаком электрического заряда: у электрона в этом случае должен быть двойник — антиэлектрон, или позитрон, с элементарным зарядом плюс единица, как у протона. У антипротона, наоборот, — заряд минус единица. Антиатомы, как известно, состоят из антиэлектронов (позитронов), антипротонов и антинейтронов. При замене частиц на античастицы левоориентированные электроны превратятся в правоориентированные позитроны и симметрия в целом сохранится: частицы обычные распадаются с избытком электронов левой ориентации, а античастицы — с избытком электронов ориентации правой.

На самом деле «добывать» антиматерию в специальных установках — ускорителях — физики научились до «открытия» Ли Цзундао и Янг Чжэньнина. И несмотря на то что при встрече материи с антиматерией обе взаимно уничтожаются, уже удалось получить атомы и даже молекулы из антивещества. Можно предположить, что в скором времени станет возможной и «добыча» атомов антикобальта, которые будут распадаться симметрично нашим привычным атомам.

Удвоение мира
Однако идея комбинированной четности, как оказалось, была временным решением проблемы симметрии, с которой при слабых взаимодействиях оказалось все совсем не так гладко. В 1964 году на конференцию в подмосковную Дубну приехал молодой американский физик Джеймс Кронин, тогда еще не нобелевский лауреат, а простой PhD (что приблизительно соответствует степени кандидата наук), который рассказал о результате эксперимента, проведенного вместе с коллегами Вэлом Фитчем, Джеймсом Кристенсеном и Рэне Терли на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Для специалистов его сообщение о том, что частица под названием К20-мезон иногда распадается не на три, а на два п-мезона, произвело впечатление разорвавшейся бомбы. Все это означало только одно — симметрии между частицами и античастицами не существует. Не вдаваясь в дебри физики элементарных частиц, скажем только, что похоже это было, пожалуй, на рассказ человека в здравом уме и твердой памяти о том, как, подойдя к зеркалу в синей варежке на правой руке, на левой руке своего зеркального двойника он обнаружил варежку красного цвета.

Получалось, что симметрия в мире элементарных частиц, казалось бы, восстановленная Ландау, вновь рушилась: такие распады в рамках теории этого ученого были запрещены. Античастицы ее не спасали — простая смена знака электрических зарядов частиц на противоположные не означала замены их поведения на зеркально симметричное. Неужели природа по непонятной причине левша? Как должна быть устроена Вселенная, чтобы в мире квантовых явлений симметрия все-таки сохранялась? Этот вопрос не давал покоя многим ученым, в том числе и трем московским физикам — Исааку Померанчуку, Льву Окуню и Игорю Кобзареву. Они предложили не только заменить частицы на античастицы, как советовал Ландау, но и удвоить количество частиц. Иными словами, кроме пары частица—античастица должны существовать еще и их зеркальные аналоги — зеркальная частица и зеркальная античастица.

Про частицы эти зеркальные, разумеется, никто ничего не знал. Понятно было только, что от частиц обычных зеркальные отличает некое условное качество, которое авторы назвали числом Алисы (по имени героини повести Льюиса Кэрролла, блуждавшей в сказочном Зазеркалье), а саму операцию зеркального отражения частиц — А-преобразованием. Если это А-число у элементарной частицы присутствует, то, значит, она зеркальная, нет — точно такая же, но наша, обычная. В остальном частицы совершенно одинаковые: у них совпадают и электрический заряд, и лептонный, и вообще все, как у обычных зеркальных двойников. При этом было совершенно не ясно, какими физическими свойствами зеркальные частицы могли бы обладать, существуй они на самом деле, и как их найти. А что представляет собой это число Алисы, неизвестно и по сей день.

Перейти из разряда остроумной гипотезы в разряд серьезного предположения зеркальным частицам позволила статья Кобзарева, Окуня и Померанчука «О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц», которая была опубликована в журнале «Ядерная физика» в 1966 году. В этой работе физики-теоретики показали, что частицы зеркальные могут взаимодействовать между собой, но с нашими, обычными, частицами — не могут. Разве только гравитационно, потому что сила тяготения — единственная на сегодняшний день универсальная сила, действующая между любыми типами материи.

Нет и не может быть между нашими и зеркальными частицами ничего общего — ни сильного, то есть ядерного, ни слабого, ни электромагнитного взаимодействия, одна лишь гравитация. А если бы существовало даже самое незначительное электромагнитное взаимодействие, его бы обязательно заметили и в некоторых опытах с элементарными частицами результаты получались бы другими. Увы, «потрогать» зеркальные частицы нашими, обычными, приборами нереально. Поэтому возможность экспериментально обнаружить зеркальное вещество представлялась авторам весьма сомнительной. Но в праве на существование они зеркальным частицам не отказали.

Вполне вероятно, что идея зеркальной материи 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.

Сколько весит новый мир
Свежую волну интереса ученых и публики к зеркальной материи вызвали работы австралийского физика Роберта Фута из Физической школы Мельбурнского университета, хотя серьезные люди отнеслись к ним скептически. Идея зеркальной материи увлекла Фута чрезвычайно, но вывод о том, что материя эта, по определению, не может обмениваться с нашей никакими видами энергии, кроме гравитационной, ему не понравилась. Ведь в таком случае задача становилась слишком трудной и скорого решения не обещала. И Фут придумал лазейку! Он предположил, что обе материи, наша и зеркальная, все-таки могут взаимодействовать посредством электромагнитных сил, в миллиарды раз слабее, чем наши протоны и электроны. Ровно так, чтобы невидимку можно было все-таки «потрогать». Дальнейшее оказалось делом техники. Допустив слабое электромагнитное взаимодействие наших частиц с зеркальными, хитрый австралиец обнаружил огромное поле для исследований и предположений. Самыми яркими из его утверждений были, пожалуй, два. Первое касалось поиска зеркальной материи у нас на Земле: в самом деле, зачем искать в космосе то, что лежит под ногами? И второе — искать следует там, где на Землю упали метеориты из зеркального вещества или из его смеси с обычной материей. На повестке дня опять возникла старая, но так и не разгаданная тайна Тунгусского метеорита. Вот он, кусок зеркальной материи, залетевший к нам из космоса, обрадовался Фут. Тело небесное на Землю упало, это — факт. И деревья оно повалило, и камни оплавило, а от него самого даже осколков до сих пор не нашли. А все потому, утверждает Фут, что состояло тунгусское диво из зеркальной материи, и убедиться в этом можно с помощью… центрифуги. В самом деле, если предположить, что в месте падения зеркального метеорита в почве остались его кусочки — нам просто невидимые, то можно взять пробу почвы и тщательно ее взвесить. Затем покрутить этот образец в центрифуге, самой мощной из существующих. После чего опять взвесить. Под действием огромного ускорения, которое в современных центрифугах достигает почти миллиона g (g— ускорение свободного падения), кусочки зеркального метеорита вылетят не только из пробирки, но и из самой центрифуги. Ведь сделанные из обычных земных материалов стенки будут для зеркальных частиц проницаемы. Получившийся остаток — это обычная материя. Теперь достаточно найти разницу в массе образца до и после опыта. Она-то и будет равна весу взятой зеркальной материи.
Способ действительно остроумный и очень привлекательный, не будь в его основании изначально ложного допущения в том, что частицы простой и зеркальной материи могут между собой взаимодействовать, притягиваться и составлять некое родство с нашими. А они — не могут, значит, и взять их, увы, невозможно. В образце почвы мы поднимем только наше вещество, зеркальное, как призрак, так на земле и останется, абсолютно к нашим усилиям равнодушное. Более того, непонятно, что может удержать гипотетические частицы от проваливания сквозь землю под действием силы тяжести. Так что лежать на поверхности Земли и ждать, пока их взвесит австралийский физик, зеркальные обломки не будут. С помощью мизерного взаимодействия зеркальной материи и нашей через некие промежуточные нейтрино сегодня пытаются объяснить возникновение гигантских гамма-всплесков, и здесь, в отличие от случая с Тунгусским метеоритом, все построения выглядят вполне реалистично.

Тайна темной материи
Одна из самых интригующих загадок, доставшаяся XXI веку в наследство от века XX, — это, конечно, природа темной материи, или, как ее еще называют, скрытой массы (об этом ВС подробно писал в № 11 2003 года). В самом деле, тот факт, что во Вселенной есть некая невидимая материя, которая явно имеет массу, но которую никакими доступными способами ученые пока зафиксировать не могут, сомнений не вызывает. Не будь таковой, не только звездное небо выглядело бы совершенно иначе, но, возможно, звезд, планет и самой жизни к настоящему времени не было бы. Доказательств тому, что во Вселенной существуют объекты, представляющие собой области с повышенной плотностью неизвестного вещества, причем явно тяжелого — гравитирующего, набралось к настоящему времени предостаточно. И они, эти доказательства, все появляются.

Обнаружены скопления звезд и галактик, которые удерживает друг около друга непонятная, вероятнее всего, гравитационная сила. Расчеты показывают, что удержать это скопление в видимой нам конфигурации может материя, простирающаяся за видимые границы скопления, — так называемое темное гало. Есть и явления гравитационного линзирования и микролинзирования, когда скрытая масса обнаруживает себя, искажая изображения источников излучения или меняя их интенсивность, благодаря чему светящиеся космические объекты как бы «подмигивают» нам.

Сомнений в том, что Вселенная более или менее равномерно заполнена невидимой для нас материей, у астрономов нет. Эта ненаблюдаемая масса, по расчетам, выполненным на основании данных о материи наблюдаемой, составляет более 90% всей массы во Вселенной. Сделаны и другие расчеты, в том числе на основе данных по линзированию и микролинзированию, которые позволили создать карту темной материи, где указана плотность скрытой массы в различных участках Вселенной, в том числе и в нашей Галактике. На долю же материи, которую мы наблюдаем, приходится меньше 10% массы Вселенной. Из чего же сделано все остальное?

На этот вопрос ответа до сих пор нет. Зато есть масса гипотез, среди которых и гипотеза о том, что темная материя, во всяком случае, часть ее, может быть зеркальной.