После визита профессора Ли я глубоко задумалась. Для физика, изучающего
бета-распад, это было великолепной возможностью провести решающий экс-
перимент, и, конечно же, я не могла ее упустить. Той весной мы с моим мужем
Чиа-Лью Юань планировали посетить конференцию в Женеве, а затем от-
правиться на Дальний Восток. Мы оба покинули Китай в 1936 году, ровно
двадцать лет назад. Билеты на рейс Королевы Елизаветы были уже заброни-
рованы, но внезапно я осознала, что обязана провести эксперимент немедлен-
но, до того как его значимость станет очевидной физическому сообществу
и кто-нибудь меня опередит. Поэтому я попросила Чиа-Лью позволить мне
остаться и отправиться в поездку без меня.
Сразу же по завершении весеннего семестра, в конце мая, я начала с энтузиаз-
мом готовиться к эксперименту. В середине сентября я наконец-то поехала
в Вашингтон на первую встречу с доктором Аблером… В перерывах между
экспериментами в Вашингтоне мне приходилось то и дело возвращаться
в Колумбийский университет — я продолжала преподавать, а также должна
была заниматься исследованиями. В канун Рождества я добралась до Нью-
Йорка на последнем поезде; аэропорт был закрыт из-за сильных снегопадов.
Там я рассказала профессору Ли о замеченной асимметрии — она не только
была огромной, но и оказалась воспроизводимой. Параметр асимметрии со-
ставлял почти –1. Профессор Ли отметил, что это замечательный резуль-
тат. Именно тот результат, которого следовало ожидать для двухкомпо-
нентной теории нейтрино.19
Супруг и возвращение в дом детства подождут — наука зовет! В 1957 году
Ли и Янгу была присуждена Нобелевская премия; в число награждаемых надо
было включить и Ву, однако этого не произошло .
Вскоре после того, как выяснилось, что слабое взаимодействие нарушает
четность, ученые заметили, что эксперименты вроде бы подтверждают инва-
риантность относительно комбинации преобразований — когда к четности
добавляется зарядовое сопряжение C, заменяющее частицы античастицами . 
Глава 7 . Время, назад!
189
Более того, что-то подобное предсказывали теоретические модели, популярные
в то время . Таким образом, люди, которых неприятно поразило открытие
асимметрии четности в реальном мире, нашли некоторое утешение в мысли
о том, что комбинация C и P является хорошей симметрией .
Тем не менее это было ошибкой . В 1964 году Джеймс Кронин и Вал Фитч
совместно провели исследование, объектом которого выступил наш старый
друг нейтральный каон . Они обнаружили, что четность нарушается не только
при распаде каона, но и при распаде антикаона, только во втором случае это
происходит несколько иным образом . Другими словами, комбинация преоб-
разований C и P не является симметрией природы .20 Нобелевскую премию
Кронину и Фитчу присудили в 1980 году .
Долго ли, коротко ли, но обнаружилось, что природа нарушает не только
все потенциальные симметрии — C, P и T, но и комбинацию любых двух
преобразований . Очевидным следующим шагом стала проверка комбинации
всех трех: CPT . Если взять какой-либо процесс природы, заменить все части-
цы античастицами, поменять местами лево и право и изменить направление
времени на обратное, то будет ли получившийся процесс подчиняться законам
физики? С учетом того, что нам уже известно про комбинации двух преоб-
разований, логично ожидать, что и комбинация CPT также не будет инвари-
антной .
Однако и здесь мы ошибаемся! (Хорошо, что и задаем вопросы, и отвеча-
ем на них мы сами .) Пока что все проведенные эксперименты подтверждают,
что преобразование CPT является симметрией реального мира . Более того,
сделав некоторые обоснованные предположения про законы физики, можно
доказать, что преобразование CPT обязано быть симметрией, — это утверж-
дение неудивительным образом называется «CPT-теоремой» . Разумеется,
даже обоснованные предположения могут оказываться ошибочными, так что
ни физики-экспериментаторы, ни теоретики не чураются исследовать воз-
можное нарушение CPT-инвариантности . Но насколько можно судить, эта
симметрия пока что не собирается сдавать позиции .
Ранее я говорил, что для того, чтобы получить преобразование, применение
которого не нарушает законов природы, может оказаться необходимым «по-
чинить» операцию обращения времени . В случае стандартной модели физики
элементарных частиц в список преобразований также добавляются зарядовое
сопряжение и четность . Большинство физиков полагают, что следует разделять
гипотетический мир, в котором C, P и T инвариантны по отдельности, и реаль-
ный мир, в котором инвариантностью обладает лишь комбинация CPT . Это
позволяет заявлять, что реальный мир не инвариантен относительно изменения
190
Часть III . Энтропия и ось времени
направления времени . Однако необходимо все время помнить, что существует
возможность дополнить инверсию времени другими операциями так, чтобы
результат отвечал всем требованиями симметрии реального мира .
Сохранение информации
Мы убедились, что обращение времени включает в себя не только изменение
направления эволюции системы, то есть воспроизведение естественной по-
следовательности состояний в обратную сторону, но также требует применения
определенных преобразований к самим состояниям . Это может быть изменение
импульса на противоположный, зеркальное отражение строки на шахматной
доске или что-то более изысканное, например замена частиц античастицами .
Однако если это так, то можно ли утверждать, что каждый осмысленный
набор физических законов инвариантен относительно той или иной формы
«усложненного обращения времени»? Всегда ли возможно найти такие пре-
образования состояний, после применения которых движение «в обратную
сторону по времени» все так же будет подчиняться законам физики?
Нет . Возможность определить обращение времени таким образом, чтобы
законы физики относительно данной операции оставались инвариантными, за-
висит от одного критически важного предположения: предположения о сохранении
информации. Это всего лишь означает, что два разных состояния в прошлом
всегда переходят в два разных состояния в будущем — пути их эволюции не
могут пересечься в одном и том же состоянии . Если это выполняется, то мы го-
ворим, что «информация сохраняется», так как зная состояние в будущем,
можно понять, каким было соответствующее состояние в прошлом . Физические
законы, в которых заложена такая особенность, считаются обратимыми, и в таком
случае можно утверждать, что существуют какие-то (возможно, очень сложные)
преобразования, которые можно применять к состояниям таким образом, что
инвариантность относительно обращения времени сохранится .21
Для того чтобы посмотреть, как это работает на деле, давайте снова вер-
немся в шахматный мир . Шахматная доска D, показанная на рис . 7 .9, выглядит
довольно просто . Серые квадратики на ней образуют несколько диагональных
линий и один вертикальный столбец . Но здесь происходит нечто интересное,
что нам еще не доводилось наблюдать в предыдущих примерах: разные линии
серых квадратиков «взаимодействуют» друг с другом, а именно создается
впечатление, что диагональные линии могут подходить к вертикальному столб-
цу справа или слева, но в месте соприкосновения с вертикальным столбцом
диагональные линии неизменно обрываются .
Глава 7 . Время, назад!
191
D
Рис . 7 .9 . Шахматная доска с необратимой динамикой .
Информация о прошлом не сохраняется в будущем
Казалось бы, правило довольно простое, и его можно считать отличным
«набором законов физики» . Но между шахматной доской D и предыдущими
шахматными мирами существует кардинальное отличие: на этой доске проис-
ходящее необратимо . Пространство состояний, как и раньше, представляет
собой простое перечисление белых и серых квадратиков вдоль каждой строки
(с дополнительной информацией о том, является квадратик частью диагонали,
движущейся направо, диагонали, движущейся налево, или вертикального
столбца) . Имея на руках такую информацию, мы без труда можем предсказать
развитие «вперед во времени» — мы точно знаем, как будет выглядеть следу-
ющая строка и строка сразу за ней, и так далее .
Однако, зная состояние одной строки, мы не можем прокрутить развитие
системы в обратную сторону . Мы сможем продолжить существующие диаго-
нальные линии, но с точки зрения прокрутки времени в обратную сторону
новые диагонали могут отпочковываться от вертикального столбца в абсолют-
но случайных точках (соответствующих точкам «столкновения» диагоналей
с вертикальным столбцом при развитии вперед во времени) . Когда мы говорим,
что физический процесс необратим, мы имеем в виду, что невозможно вос-
становить прошлое состояние, отталкиваясь от знания о текущем состоянии,
и эта шахматная доска служит прекрасным примером .
|
192
Часть III . Энтропия и ось времени
В подобных ситуациях информация теряется . Даже зная о состоянии мира
в какой-то момент времени, мы не можем сказать с уверенностью, в каких со-
стояниях он пребывал в прошлом . У нас есть пространство состояний — опи-
сания строчек из белых и серых квадратиков с дополнительными метками на
серых, сообщающими направление движения: вверх и вправо, вверх и влево
или строго вверх . Это пространство состояний со временем не меняется:
каждая строка остается членом одного и того же пространства состояний
и в каждой конкретной строке может наблюдаться любое из допустимых со-
стояний . Необычно в шахматной доске D то, что двум разным строкам может
соответствовать одно и то же состояние в будущем . Когда мы оказываемся
в этом будущем состоянии, мы уже не можем восстановить информацию о том,
какая прошлая конфигурация стала предшественницей этого состояния; вос-
произвести последовательность смены состояний в обратную сторону не
представляется возможным .
Рис . 7 .10 . Очевидная потеря информации в стакане воды . Состояние в будущем — «стакан
прохладной воды» — может быть следствием любого из двух состояний в прошлом —
«стакан прохладной воды» или «стакан теплой воды с кубиком льда»
В реальном мире постоянно происходит очевидная потеря информации .
Рассмотрим два разных состояния стакана воды . В одном состоянии в стакане
находится только прохладная вода; в другом состоянии в стакан налита теплая
вода и брошен кубик льда . В будущем эти два состояния могут развиться в то, 
|
|
|
Глава 7 . Время, назад!
193
что с нашей точки зрения будет одним и тем же состоянием: стакан прохладной
воды .
Мы уже встречались с этим явлением раньше: это стрела времени . По мере
того как кубик льда тает в теплой воде, энтропия увеличивается; этот процесс
может происходить, но никогда не может быть обращен . Загадка в том, что
движение отдельных молекул, составляющих воду, инвариантно относительно
обращения времени — в этом нет сомнений . И в то же время макроскопическое
описание в терминах льда и жидкости не инвариантно . Для того чтобы понять,
как так получается, что обратимые базовые законы порождают макроскопиче-
скую необратимость, нам необходимо снова вспомнить Больцмана и его идеи
относительно энтропии .
Примечания
1
2
3
4
5