Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

Обычные атомы, по всей видимости, составляют во Вселенной «меньшинство». Их окружают рои частиц различных видов, переживших первые мгновения Большого взрыва. Но куда более загадочным является вопрос: почему вообще есть какие-то атомы – почему наша Вселенная не состоит исключительно из темной материи?

Для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Есть протоны (состоящие из трех кварков) и антипротоны (состоящие из трех антикварков). Противоположностью электрона является позитрон. Античастицы аннигилируют при встрече с обычными частицами, и их энергия (mc 2) превращается в излучение. Никакая антиматерия не существует в больших количествах ни внутри Земли, ни на поверхности. Крупицы ее могут быть получены в ускорителях, где частицы разбиваются друг о друга с энергией, достаточной для создания дополнительных пар частиц и античастиц. Антивещество было бы идеальным топливом для ракет. Когда оно аннигилирует, вся его энергия массы покоя высвобождается, в отличие от малой доли ε = 0,007 для ракет, приводимых в движение термоядерной реакцией. Антивещество должно быть спрятано от обычной материи, иначе оно выдаст себя мощным гамма-излучением при аннигиляции. Мы можем быть уверены, что вся наша Галактика – все ее звезды и газ – состоит из вещества, а не из антивещества. Ее содержимое постоянно перемешивается и перерабатывается при рождении и смерти звезд, и если бы вначале половину ее составляла материя, а вторую – антиматерия, то сейчас не осталось бы ничего. Но в более крупных масштабах это сочетание может быть другим: например, мы не можем опровергнуть предположение о том, что сверхскопления галактик состоят вперемежку из вещества и антивещества. Тогда почему существует видимое смещение в сторону одного вида материи?

В наблюдаемой нами Вселенной содержится 10 78атомов (в основном это атомы водорода, каждый из которых состоит из протона и электрона), но антиатомов в ней, по всей видимости, не так много. Самая простая вселенная, какую только можно представить, начнется с частиц и античастиц, перемешанных в равной пропорции. К счастью, наша Вселенная не такая, иначе все протоны аннигилировали бы с антипротонами на первых стадиях, когда плотность была высока. Все бы закончилось большим количеством излучения и темной материи, но ни атомы, ни звезды, ни галактики не появились.

Почему возникает такая асимметрия? Целых 10 78«лишних» атомов могли быть здесь с самого начала, но такое количество кажется неестественно огромным, чтобы его можно было принять просто как часть «первоначальных условий». Русский физик Андрей Дмитриевич Сахаров, известный своей ролью в создании водородной бомбы, а в последние годы существования СССР как диссидент, привнес некоторые провидческие идеи в космологию. В 1967 г. он задумался, могла ли небольшая асимметрия, возникшая сразу после Большого взрыва, «отдать предпочтение» частицам перед античастицами. Это неравновесие могло создать небольшой излишек кварков по сравнению с антикварками (что в итоге вылилось в перевес протонов по сравнению с антипротонами).

Идея Сахарова явно требует некоторого отклонения от идеальной симметрии между веществом и антивеществом. Доказательство такого явления нашли в 1964 г. два американских физика – Джеймс Кронин и Вал Фитч, что стало удивительным событием в то время. Они изучали распад нестабильных частиц, которые называются К-мезонами. Ученые обнаружили, что эта частица и ее античастица не являются идеальными зеркальными отражениями друг друга, но распадаются с небольшим расхождением в скорости. (Это означает, что, если мы случайно установим контакт с инопланетными физиками, которые смогут рассказать нам об экспериментах, проведенных в другой галактике, мы сможем сказать, состоят ли они из материи или антиматерии, – было бы очень осмотрительно это уточнить, прежде чем планировать встречу!) Распад К-мезонов затрагивает только так называемое «слабое взаимодействие» (которое управляет радиоактивностью и нейтрино), а не сильное ядерное взаимодействие. Тем не менее в объединенной теории взаимодействий этот тип асимметрии поставил одну силу над другой, подведя основу под идею Сахарова.

Предположим, что для каждой из 10 9пар «кварк – антикварк» такая асимметрия добавляет один лишний кварк. Во время охлаждения Вселенной антикварки будут аннигилировать с кварками, испуская кванты излучения. Теперь оно, остыв до очень низких температур, объясняет 2,7-градусное фоновое излучение, заполняющее межгалактическое пространство. Но на каждый миллиард кварков, которые аннигилировали с антикварками, один остался, потому что не нашел себе пары для аннигиляции. Во Вселенной в самом деле более чем в 1 млрд раз больше квантов излучения (фотонов), чем протонов (на 1 м 3приходится 412 млн фотонов и 0,2 протона), и все существующие во Вселенной атомы могли остаться в результате крошечного перевеса вещества над антивеществом. Возможно, мы и вся видимая Вселенная вокруг нас существуем только благодаря разнице в девятом знаке между количеством кварков и антикварков.