Суперсила

Происхождение вещества 
Первоначальный вариант теории Большого взрыва не давал убедительного объяснения того, каким образом в ходе первичного взрыва возникло вещество. Космологам не оставалось ничего другого, как предположить, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала. Ни один из известных физических процессов не мог объяснить возникновение вещества. В настоящее время новая космология дает очень правдоподобное объяснение происхождению вещества, основанное на действии суперсилы.
О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии известно в течение нескольких десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 10^50 т. Загадка заключается в том, как все это вещество могло возникнуть без равного количества антивещества (мы уже упоминали об этой проблеме в гл.2). В лабораторных условиях возникновение вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между ними, по-видимому, заложена в законах физики. Неизбежен вопрос: куда же девалось все антивещество?
Прежде всего следует убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества, и посмотрев на них, мы не отличили бы их друг от друга. Тем не менее существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Даже тоненькая струйка газа антивещества вызвала бы бурную реакцию – интенсивное гамма-излучение. Мы, несомненно, можем быть уверены, что Земля на 100% состоит из вещества.
Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько мы можем судить – да. Если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения. Столь высокий уровень гамма-излучения, безусловно, был бы зарегистрирован; пока же, по имеющимся у астрономов данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли. Если исключить единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах, то в целом Галактика, по-видимому, состоит только из вещества.
Можно предположить, что некоторые галактики, напротив, состоят только из антивещества (с очень небольшой добавкой вещества). Однако время от времени даже галактики сталкиваются друг с другом, причем в прошлом они находились значительно ближе друг к другу. Гамма-излучение, возникшее в результате таких столкновений, наблюдалось бы и сегодня. Более того, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла когда-то разделиться и попасть в удаленные друг от друга области пространства. Основываясь на этих наблюдениях, большинство космологов считают, что Вселенная построена в основном из вещества, и эта асимметрия была заложена в самые ранние этапы эволюции Вселенной.
Еще десять лет назад предлагалось единственное объяснение первичного нарушения баланса между веществом и антивеществом – считалось, что асимметрия присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва возникла диспропорция между веществом и антивеществом. Подобное объяснение, основанное на искусственно подобранных начальных условиях, разумеется, не может быть удовлетворительным, ибо оно ведет по замкнутому логическому кругу. Такие «объяснения» нельзя считать научными. С их помощью можно описать любое начальное соотношение вещества и антивещества. Они ничего не говорят о том, почему наблюдаемая асимметрия столь мала или столь велика. По-видимому, не существует веских причин, по которым, например, количество вещества не могло бы оказаться в два, а возможно, и в миллион раз больше.
 
ТВО приходит на помощь 
Более естественно предполагать изначально полную симметрию между веществом и антивеществом, нежели считать, что преобладание вещества во Вселенной «от бога», и лишь затем в силу тех или иных причин оно обозначилось и закрепилось. В этом случае уже нет необходимости доверять произвольно выбранным начальным условиям; состояние, в котором существует точное равенство количеств вещества и антивещества, единственно. Наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом можно было бы количественно объяснить на основе физической теории.
Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО). Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.
Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО, т.е. сместиться во времени еще на двадцать порядков относительно эры электрослабого взаимодействия, о которой мы говорили в предыдущем разделе. Это означает попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10^-32 с! В этот момент космос был бы заполнен «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных; плотность «супа» составляла по оценкам около 10^73 кг/м^3, а температура – около 10^28 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона.
Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные частицы – переносчики взаимодействия в ТВО, так называемые Х-частицы, о которых упоминалось в гл.8. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. Дело в том, что при распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3 представляют собой вещество, и лишь на 1/3 – антивещество. Точное значение такой асимметрии зависит от принятой формы ТВО. Но в любом случае распад Х-частицы ведет к преобладанию вещества над антивеществом.
Следует, однако, учитывать еще одно обстоятельство. Первичный «суп» содержит наряду с Х-частицами и их античастицы, обозначаемые обычно X'. Напомним, что мы предполагаем исходную симметрию Вселенной, а это означает, естественно, равенство чисел Х– и X' -частиц. Но тогда при распаде Х асимметрия должна быть обратной, т.е. 2/3 должно составлять антивещество, и лишь 1/3 – вещество.
Для выхода из этого тупика теоретики предположили, что должно существовать фундаментальное различие скоростей распада Х– и X' -частиц. В таком случае распады Х не полностью компенсируют распады X', причем различие в пользу Х составит, повидимому, не более одной стомиллионной доли, что приведет к соответствующему преобладанию вещества над антивеществом.
Насколько разумно подобное предположение? Физики бывают проницательными историками, особенно когда дело касается предмета их исследований. Они никогда не забывают уроков истории, если вопрос идет о создании новых теорий. Один из таких уроков был преподнесен в 1956 г. Два американских физика китайского происхождения Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг произвели переворот в существовавших представлениях, заявив, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся «неприкосновенным» свойство природы, известное как зеркальная симметрия. До этого момента физики полагали, что силы природы не различают «правого» и «левого». Разумеется, в природе существует много объектов с «врожденной» спиральностью; наиболее известный пример – молекула ДНК. Эта молекула по форме сходна с винтовой лестницей, закрученной вправо. И хотя в природе нет левовинтовых молекул ДНК, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает их существования. Тот факт, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовых молекул ДНК, скорее всего говорит о том, что первые способные к самовоспроизводству молекулы оказались именно такой формы. Это хороший пример спонтанного нарушения симметрии: реальная структура асимметрична, тогда как лежащие в ее основе физические взаимодействия симметричны.