Spegelbilder och symmetrier

Finns det något sätt att förklara för någon annan vad som "vänster"?. Man får säga vad man vill till åhörarna, be dem genomföra vilket experiment som helst, men på ett villkor: Det får inte finnas något asymmetriskt föremål eller struktur som både de och vi kan observera tillsammans.
Martin Gardners bok "Skapelsens symmetri" [1] var mitt första möte med "OZMA-problemet" som han valde att kalla det. Gardner berättar bl.a. om Pasteurs undersökningar av vinsyra och hur han associerade asymmetriska molekyler med liv. I sökandet efter livets hemlighet försökte Pasteur syntetisera molekyler i starka magnetfält. Ørstedts upptäckt av hur en kompassnål beter sig över en strömförande ledare kan tyckas vara att bra fenomen för att definiera höger och vänster. Resultatet för Pasteur var dock negativt. Varför? Trots "högerregeln" för elektromagnetisk växelverkan är denna spegelsymmetrisk - för varje fysikalisk effekt behöver vi använda två högerregler och kunde alltså precis lika gärna har använt två vänsterregler. Symmetrin framgår också om vi betraktar vi kompassnålen som en elektromagnet. Jämför vi med spegelbilden inser vi att den röda färgen inte räcker för att bilda en nordpol. Magneter kan alltså inte användas för att lösa OZMA-problemet. Finns det någon annat fundamentalt fenomen som kan skilja höger från vänster?

I en artikel från 1950 [2] påpekar Norman Ramsey

The argument against electric dipoles raises directly from the question of parity. A nucleus with an electric dipole moment would show an asymmetry between left- and right-handed coordinate systems. In one system the dipole moment would be parallel to the angular momentum and in the other anti-parallel. ... the question of a possible existence of an electric dipole moment of a nucleus or of an elementary particle [...] becomes a purely experimental matter
Detta verkar vara det första publicerade arbetet som ifrågasatte att naturens alla fundamentala växelverkingar uppfyller paritetvillkoret. Norman Ramsey har berättat hur han skulle förbereda en föreläsning om elektromagnetiska moment. Plötsligt började han bli osäker på argumentet om spegelsymmetri, som utesluter t.ex. att neutronen kan ha ett elektriskt dipolmoment. Eftersom kollegan Ed Purcell ofta kom och lyssnade tyckte Norman Ramsey att det var bättre att fråga honom i förväg. Tillsammans började de gå igenom litteraturen och söka efter experiment som kunde visa att naturen var spegelsymmetrisk och upptäckte att de flesta experiment som utförts inte varit känsliga för avvikelser från spegelsymmetri. Att fundamentala växelverkningar skulle vara spegelsymmetriska var något som inte ifrågasatts. Norman Ramsey började redan då experiment för att sätta gränser för neutronens elektriska dipolmoment (EDM), även om resultaten inte publicerades [3] förrän i samband med "Paritetsrevolutionen" 1956-1957, som beskrivs i Stacey Sorensens och Indrek Martinssons artikel om Mme Wu och om det klassiska experimentet som visade att det radioaktiva sönderfallet i kobolt-60 skiljer sig från sin spegelbild. Axel Lindroth presenterar moderna experiment som studerar svag växelverkan och "svag magnetism".
Andra symmetrier
Pariteten var den första symmetrin som föll. Med den föll även symmetri under laddningskonjugering, C, medan symmetrin under CP föreföll bevarad: Spegelbilden av ett asymmetriskt experiment skulle svara mot utfallet av ett verkligt experiment med antipartiklar. Om symmetrin CPT skall vara bevarad, krävs då att naturen är symmetrisk under tidsinversion, T. (Det är lättare att tänka sig att vända alla rörelseriktningar.) Ett EDM hos en partikel skulle bryta mot såväl P som T. 1964 föll även CP [4] i sönderfallet av de neutrala K-mesonerna. Indirekt föll då även T. Trots att 40 år gått har CP brott bara observerats för detta system. Upptäckten av CP brott ledde till en intensiv utveckling av teorier som kunde förklara observationerna. Många av dem har efter hand fått överges under "Ramsey-trycket" - de allt lägre experimentella gränserna för bl.a. neutronens EDM. Jag frågade 1987 Norman Ramsey om han trodde att neutronen hade något EDM. Han svarade att det borde finnas "Unless Nature is malevolent against Norman Ramsey". Däremot såg han det som mer tveksamt om man skulle hitta det under hans livstid. Han fortsätter sökandet, tillsammans med en del av den stora generation yngre fysiker han fostrat.
Materia och antimateria
Bland forskare som söker efter olika slag av övre gränser finns också de som jämför materia och antimateria. Under våren gästades flera av våra universitet av Jerry Gabrielse som är "spokesperson" för ATRAP-kollaborationen [5]. Under många år har man arbetat för att kunna fånga in först positroner och sedan antiprotoner i fällor, sedan kyla ned dem och fått dem att bilda antiväte. Antimateria fascinerar, liksom möjligheten att kunna studera antimateria i ett jordiskt laboratorium och inte bara i tankeexperiment.

I sin text om "Symmetry of Physical Law" [6] diskuterar Richard Feynman Ozma-problemet och låter oss anta att vi beskrivit för en utomjording hur man genomför experiment för att skilja på höger och vänster, att vi också beskrivit vår vana att skaka hand och att vi bestämt träff i den tomma rymden halvvägs mellan våra hem. "If he puts out his left hand, watch out."

Men nu är det sommar. Snart blommar kaprifolen på vänsterskruvad stam. Njut!

The fragrant Honeysuckle spirals clockwise to the sun
And many other creepers do the same.
But some climb counter-clock-wise, the Bindweed does,for one
or Convolvulus to give her proper name
[7]

Referenser

  1. M. Gardner, The New Ambidextrous Universe (1990) (Freeman, New York), "Skapelsens symmetri" (1966)
  2. E. M. Purcell och N. F. Ramsey, Phys. Rev. 78 807 (1950),
  3. J. H. Smith, E. M. Purcell, and N. F. Ramsey Phys. Rev. 108, 120-122 (1957)
  4. J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, and R. Turlay, Phys. Rev. 140, B74-B84 (1965) (Nobelpris i fysik 1980)
  5. Antriproton trap, ATRAP, http://hussle.harvard.edu/~atrap/
  6. "Symmetry in Physical Laws", Kapitel 52 in Feynman Lectures in Physics I, (Addison-Wesley Redwood City, Ca, 1963), även i "Six not-so-easy pieces:<" Einstein's relativity, symmetry, and space-time>" (Helix Books, Reading, Mass., 1997)
  7. Michael Flanders citerad i Gardner, ref 1, s 56
Ann-Marie Pendrill, redaktör för Fysikaktuellt, utnämndes 1997 till Fellow i APS för "for her contributions to the development and use of atomic many-body methods to explore relativistic effects and parity non-conservation in heavy atoms".