Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

настолько же запутала ситуацию, насколько прояснила: во-первых, её математический язык был непонятен многим физикам, а во-вторых, было совершенно неясно, каков физический фундамент теории. Многое в ней выглядело разрозненным. Более того, применение квантового подхода ограничивалось классической физикой, а влияние электромагнитных сил не учитывалось. Дирак поставил перед собой задачу модифицировать эти уравнения, чтобы согласовать их с принципами, введёнными Эйнштейном: они должны были обладать подходящей симметрией. Сейчас уравнения Дирака рассматриваются как основа стандартной модели физики частиц – квантово-механического описания частиц и сил (за исключением гравитации!). И, хотя для завершения этой работы потребовалось много десятилетий, некоторые её неожиданные следствия стали очевидны сразу.

Уравнения Дирака содержат первое научное предсказание чего-то, что в природе раньше никогда не наблюдалось. Хотя, выводя свои уравнения, Дирак не имел в виду какой-то конкретной симметрии, уравнения симметричны относительно заряда. Электрический заряд – основное свойство материи, благодаря которому на неё оказывают влияние электрическая и магнитная силы. Количество заряда принято измерять в квантованных дискретных единицах e. Каждый электрон имеет заряд – e, а каждый протон – заряд +e. Выходит, если силой воображения мы изменим заряд электрона с – e на +e, получится протон? Ни в коем случае! Между электронами и протонами, кроме заряда, ещё множество различий: например, протон почти в 2000 раз тяжелее.

Анти-…

Изменить заряд электрона с отрицательного на положительный – всё равно, что перевернуть другой стороной кружок, о котором мы говорили выше. На этот раз, правда, дело обстоит немного иначе – в итоге мы увидим не совсем тот же кружок. Насколько можно видеть из уравнения Дирака, одним из его решений будет частица, идентичная электрону во всех отношениях, но с положительным зарядом +e. Другими словами, уравнение Дирака предугадывало новый вид материи – антивещество. Учёный предсказал существование антиэлектрона, теперь называемого позитроном, в 1928 году. Спустя всего четыре года Карл Андерсон получил решающее доказательство этому в эксперименте, в ходе которого он изучал столкновения частиц из дальнего космоса – космических лучей.

Ясно, что антивещество существует и подчиняется тем же законам физики, что и вещество. Некоторые учёные даже предположили, что из антивещества могут состоять целые галактики! Но здесь есть одна проблема. Когда вещество и антивещество соединяются, они взаимно уничтожают друг друга, аннигилируют, производя гигантские количества энергии в виде гамма-излучения. Антивещество – идеальное горючее из научно-фантастических романов; при аннигиляции оно полностью исчезает, переходя в энергию и приводя в движение космические корабли будущего. Но его очень трудно хранить: как только оно соприкоснётся со стенками ёмкости, в которую вы хотите его поместить, произойдёт аннигиляция и колоссальный выброс энергии. Получается, что, если большие участки Вселенной состоят из антивещества, то в тех местах, где оно будет соприкасаться с обычным веществом, будут замечены яркие вспышки гамма-лучей. У нас нет никаких наблюдательных доказательств того, что это происходит, а значит, во Вселенной, вероятно, нет достаточно протяжённых областей, наполненных антивеществом.

Исходя из принципов симметрии, можно утверждать, что законы физики действовали бы точно так же, изменись заряд всех частиц на противоположный. На бумаге физика не делает различия между веществом и антивеществом, так почему это должна делать природа? Антивещество было порождено квантовой симметрией, но, чтобы объяснить, почему сегодня во Вселенной больше вещества, чем антивещества, нужно кое-что eщё. Необходимо разрушить симметрию, которая создала антивещество, то есть либо найти некоторую асимметрию в существующих физических законах, либо создать новую физику, которая допускает aсимметрию вещества и антивещества.

Но почему вообще мы создаём симметрии только для того, чтобы потом их разрушать? Почему сразу не начать с асимметричного описания природы? Ответом на этот вопрос мы обязаны Эмми Нётер, выдающемуся математику. Она, подобно Эйнштейну, внесла вклад во много областей физики[28] – в частности, доказала, возможно, самую важную теорему о симметрии: что каждый вид симметрии соответствует некоторому закону сохранения.

Для физиков законы сохранения священны. Это исключительно мощные инструменты, на которых основывается всё наше интуитивное понимание Вселенной. Например, в случае круга и его вращательной симметрии из теоремы Нётер следует, что вращающиеся объекты должны иметь сохраняющуюся величину, связанную с их вращением, – мы называем её угловым моментом. Учёные ищут симметрию, когда раздумывают над существующими теориями и создают новые: в обоих случаях симметрия ведет к прекрасной простоте. Так, для описания окружности нам потребуется лишь одно число – диаметр. В природе можно найти множество проявлений симметрии. Искать её всегда полезно: это позволяет нам создавать экономные описания физического мира в терминах простых законов сохранения. Однако есть и другие случаи, такие, например, как с веществом и антивеществом, когда природа асимметрична. Мы никогда не знаем наверняка, когда и где отыщем симметрию: это обычно случается в настоящие «моменты истины», когда учёный ощущает особый трепет открытия.

Там, где симметрия нарушается, нарушается и какой-то из законов сохранения. А там, где нет закона, наступает хаос – спросите любого полицейского! Конечно, это не совсем так. И в общественном, и в физическом мире мы счастливы, только если законы не слишком нас ограничивают. В полностью симметричном мире не было бы совершенно ничего интересного. Именно таким было состояние Вселенной в первый миг Большого Взрыва. Поэтому так важен вопрос о том, куда же подевалось всё антивещество: какой физический процесс нарушил эту симметрию?

Если углубиться в детали стандартной модели, мы увидим, что зарядовая симметрия может быть нарушена. Но, хотя у нас теперь есть экспериментальное подтверждение существующего в природе лёгкого предпочтения вещества, этой асимметрии всё ещё мало для объяснения зияющего расхождения между ним и антивеществом. Нам всё ещё необходим какой-то ломающий симметрию механизм. Большинство предложений сводится к построению новых моделей фазовых переходов, вроде той, что мы обсуждали выше на примере воды и льда. Некоторые авторы считают, что для решения проблемы нужна физика, выходящая за пределы стандартной модели.

Итог на сегодняшний день такой: чтобы во Вселенной могло существовать вещество, законы природы, похоже, должны где-то нарушаться. В идеальной Вселенной, с идеальными и симметричными физическими законами, на каждую частицу приходилась бы своя античастица. Их аннигиляция тоже была бы идеальной – после неё оставалось бы лишь море излучения, и никакого вещества, которое доказывало бы существование aсимметрии.

И хотя подробности этой ситуации всё ещё остаются неопределёнными, учёные убеждены, что это несовершенство содержится где-то в законах физики. Сегодня оно по большей части остаётся скрытым, высовываясь на поверхность явлений настолько редко, что его вполне можно считать невидимкой. Но на самых ранних стадиях истории Вселенной, когда происходило такое количество столкновений и взаимодействий, это несовершенство должно было сыграть свою роль в поистине космическом масштабе, обеспечивая преобладание вещества над антивеществом в пропорции одна часть