Lustrzany świat
Dlaczego lustro zamienia lewą rękę na prawą, a nie głowę z nogami?
Operacja odbicia nie preferuje Ŝadnych punktów, traktuje je równo – naprzeciwko kaŜdego jest jego odbicie
(Rys. 1).
Rys.1.
My jednak postaramy się nałoŜyć figurę ABCDE na A’B’C’D’E’. W tym celu trzeba dokonać jej obrotu
wokół osi pionowej S
1
lub poziomej S
2
. Spowoduje to, ze za pierwszym razem D przejdzie w D’, a B w B’,
ale A w C’, a C w A’. Kiedy stajemy przed lustrem jedyny sposób nałoŜenia naszego ciała na obraz w
lustrze polega na przejściu po podłodze i obrocie wokół osi pionowej. Takie przekształcenie nie zamienia
głowy z nogami.
Rys.2
Gdybyśmy wyobrazili obrót wokół osi poziomej, zamieniłaby się głowa z nogami, a prawa i lewa strona
ciała nie zostałyby zamienione (Rys.3).
Zatem to nie odbicie w lustrze ma taką dziwną właściwość, Ŝe wie, gdzie jest góra i dół, tylko obrót wokół
pionowej osi wyróŜnia kierunek góra dół.
Czy moŜna rozpoznać, Ŝe zdjęcie wykonano w lustrze?
Przykładowo mamy dwa zdjęcia ulicy. Gdy w polu widzenia są napisy, to zazwyczaj rozpoznamy bez
problemu, które jest odbiciem lustrzanym.
Gorzej jeśli zobaczymy takie słowo jak.
.
bo bywa róŜnie pisane.
Wtedy podpowiedź da sposób usytuowania guzików na połach płaszczy przechodniów, obrączek ślubnych
na palcach, kierownic w samochodach. Podstawę stanowią tu konwencje panujące w danym kraju.
RozróŜnienie prawego od lewego, to nie tylko kwestia umowy między ludźmi. Sama przyroda rozróŜnia
obie strony lokując ludziom serca po lewej stronie i dając nie do końca symetryczne twarze. Jest to poniekąd
dzieło przypadku. Są organy niesymetryczne, są nieparzyste. Właściwe upchanie ich w ciele wymaga odejścia
od symetrii. Przyrodzie jest obojętne, gdzie mamy serca
Gdyby na oba zdjęcia popatrzył ktoś z innej planety, ktoś kto oczami prześwietlałby ludzi na wylot, widział
ich wnętrzności, lecz nie znał realiów ziemskich, byłby w kropce.
1.
Czy prawa fizyki dają podstawy do odróŜniania lewego od prawego?
Wyobraźmy zatem sobie nie pojedyncze zdjęcie, a film z doświadczenia.
Widzimy, Ŝe na filmie wykonanym w lustrze (na lewo) na przewód działałaby siła przeciwnie niŜ w znanej
nam regule, ale sposób malowania biegunów jest sprawą umowną. Temu doświadczeniu powinno towarzyszyć
inne ustalające w sposób naukowy rodzaj biegunów. Który jest N, a który S, wiemy dzięki temu, Ŝe magnes
biegunem N chce się skierować ku Arktyce. Niestety kiedyś nastąpi przemagnesowanie Ziemi, więc nie
wiedząc kiedy film był nagrywany nie uzyskamy pewnego określenia biegunów. Lepiej zastąpmy magnesy
zwojnicami.
Teraz musimy sami ustalić bieguny, co czynimy w oparciu o kierunek prądu.
Odkrywamy, Ŝe tym razem obraz w lustrze zachowuje się prawidłowo!
Ustalając kierunek płynięcia prądu zasugerowaliśmy się znakami plus i minus odbitymi w lustrze. Znaki
ładunków oraz kierunek przepływu prądu są konwencją. Osoba nie zaznajomiona z ziemską umową, nie
chciałaby sugerować się oznaczeniami. Raczej zajrzałaby (jeśli to moŜliwe) do wnętrza przewodu, by
stwierdzić, w którą stronę poruszają się elektrony.
Na poniŜszym rysunku usunęliśmy wszystkie podpowiedzi związane z ziemskimi oznaczeniami.
Uwidoczniliśmy za to obok poruszające się w przewodach cząsteczki - elektrony.
I co? Nie zmienia to faktu, Ŝe obraz za lustrem jest zgodny z prawami fizyki.. Czyli to doświadczenie
sugeruje, Ŝe obraz lustrzany pod względem praw fizyki nie róŜni się od rzeczywistego.
Oprócz zwykłej materii istnieje antymateria. Oprócz dobrze nam znanych ujemnych elektronów, zwanych
fachowo negatonami, istnieją elektrony dodatnie, zwane pozytonami. W naszym świecie pozytony pojawiają
się dość wyjątkowo, a i tak zaraz znikają w kontakcie z pospolitymi elektronami czyli negatonami.
Oprócz dodatnich antyelektronów wykryto teŜ ujemne antyprotony, nawet antyneutrony, choć te nie mają
ładunku. Kiedy cząstka i antycząstka spotkają się, powstaje tylko błysk promieniowania elektromagnetycznego.
Z antyprotonów i antyneutronów oraz pozytonów udało się wytworzyć antyatomy. Na pierwszy rzut oka są
identyczne jak zwykłe atomy, bo identycznie reagują ze światłem.
W innych częściach Wszechświata to nasza materia moŜe być w mniejszości. Tam w antymiedzianych
przewodach płyną pozytony. Co ciekawe, ktoś, kto tam Ŝyje, widząc film z naszego doświadczenia wcale by się
nie kapnął, Ŝe obserwuje inną materię od swojej.
Istnieją dwa rodzaje fotonów - prawoskrętne i lewoskrętne. Kiedy foton leci, obraca się jak kula
wystrzelona z nagwintowanej lufy. Zazwyczaj światło przedstawia się jako falę spolaryzowaną płasko, czyli z
wektorem pola elektrycznego drgającym cały czas w jednym kierunku. PoniŜej mamy lecące w naszą stronę
fotony wyobraŜone na dwa sposoby - jako pociski rotujące wokół swych osi symetrii i jako fale spolaryzowane
kołowo, tzn. o wektorze pola elektrycznego wirującym wokół kierunku przemieszczania się fali.
foton prawoskrętny foton lewoskrętny
Zajmijmy się teraz rozpadami beta. W rozpadach beta plus powstają pozytony, w rozpadach beta minus –
negatony. Wraz z elektronami kreowane są w pierwszym przypadku neutrina elektronowe, w drugim
antyneutrina elektronowe.
Neutrina są zawsze lewoskrętne, a antyneutrina – prawoskrętne. Skąd to wiemy, skoro neutrina są
niezwykle trudne do wykrycia? Z analizy ruchu wirowego pozostałych cząstek. Czy neutrina mogą nam
pomóc w określeniu, co jest rzeczywiste, a co odbite w lustrze?
Na powyŜszym rysunku przedstawiono rozpad beta minus jądra trytu. Właśnie powstało jądro Helu3. Co
widzimy w lustrze? Czy jest tam sytuacja, która moŜe zajść w Ŝyciu? Neutrino w lustrze kręci się przeciwnie
niŜ po naszej stronie, więc to neutrino, nie antyneutrino. Skoro tak, to zakładając, Ŝe w lustrze ma być sytuacja
realna musimy uznać, Ŝe lustro pokazuje nam antymaterię, antyhel i pozyton. Świat odbity w lustrze jest więc
antymaterią.
To kaŜe nam wrócić do doświadczenia z siłą elektrodynamiczną działającą na przewód w polu
magnetycznym dwu zwojnic. Gdyby wszystkie przewody były wykonane z metalu beta-promieniotwórczego,
po kierunku rotacji neutrin w lustrze wiedzielibyśmy, Ŝe świat w lustrze jest wykonany z antymaterii. Uzbrojeni
w nową wiedzę dopiszmy znaki do cząstek poruszających się po obu stronach lustra i wynikające stąd znaki
biegunów baterii podłączonych do przewodów oraz wytworzone bieguny magnetyczne.
Czy obraz w lustrze przeczy tym razem prawom fizyki? Znowu nie.
Ale jest znana cząstka elementarna zwana kaonem
0
L
K , której antycząstka jest z nią identyczna (Skąd to
wiadomo? Pewnie jak się spotkają, to anihilują)
Cząstka ta rozpada się według dwu schematów.
ν
+
π
+
→
−
+
e
K
0
L
(pozyton, mezon pi minus, neutrino elektronowe)
ν
+
π
+
→
+
−
~
e
K
0
L
(negaton, mezon pi plus, antyneutrino elektronowe)
W 1964 r. zauwaŜono, Ŝe drugi z tych rozpadów występuje o 1‰ rzadziej. Wśród produktów milionów
rozpadów tych kaonów w rzeczywistym świecie przewaŜają neutrina oraz pozytony.
Na rysunku poniŜej widzimy neutrina i antyneutrina lecące w górę powstałe w rozpadach kaonów. Kaony
po obu stronach lustra są identyczne (ich spin jest zerowy). Tym razem bez trudu rozpoznajemy, która sytuacja
jest rzeczywista. Oczywiście rysunek jest tylko ilustracją idei. Faktyczny układ doświadczalny wymagałby
opisania na kilku stronach.
Wniosek:
Przyrodzie na najgłębszych poziomach nie jest obojętne, która strona jest prawa, a która lewa (a
zatem na kaŜdym poziomie). Jest teŜ zjawisko, które odróŜnia świat w lustrze od realnego. Świat w
lustrze nie jest zbudowany z antymaterii - jest światem nieistniejącym.
Pojawia się pytanie. Czy efekt doświadczenia zaleŜy od tego, w której części wszechświata się znajdujemy
– tej z przewagą materii czy tej z przewagą antymaterii? PoniewaŜ nie mamy szansy tego sprawdzić, uznano,
Ŝ
e nie zaleŜy.
Prowadzi nas ono do następnego problemu. Czy w ogóle istnieją takie części Wszechświata, w których
dominuje antymateria? Dotąd brak sposobów na stwierdzenie czy którakolwiek ze znanych galaktyk z tego
rodzaju materii jest zbudowana.
Być moŜe ktoś juŜ teoretyczne uzasadnił, dlaczego w przyrodzie prawoskrętność i lewoskrętność nie są
równowaŜne, równie wykorzystywane. Takie uzasadnienie powinna zawierać teoria oddziaływań słabych,
połączona juŜ nawet z teorią elektromagnetyzmu w teorię oddziaływań elektrosłabych. (Oddziaływania słabe,
to te, które odpowiadają za rozpady beta. Są teŜ oddziaływania silne, które odpowiadają za rozpady alfa.)
Przy obecnym stanie wiedzy obowiązuje definicja:
Ładunkiem dodatnim nazywamy ładunek elektryczny, którym częściej są obdarzone elektrony
pojawiające się podczas rozpadu cząstki
0
L
K
.