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

сути, такая недоделанная звезда есть и в нашей Солнечной системе – это планета Юпитер. Она образовалась не совсем так, как коричневые карлики, но физика здесь та же самая. Плотность в недрах Юпитера примерно вдвое ниже плотности в центре Солнца, но температура ниже в 600 с лишним раз.

Эти условия недостаточно экстремальны для термоядерного горения, но дальнейший коллапс ядра Юпитера невозможен из-за эффектов квантовой механики.

Остановитесь и подумайте об этом, когда заметите великолепный Юпитер на холодном и ясном ночном небе.

Вечна ли материя?

Через несколько сотен триллионов лет последние звёзды погаснут, и Вселенная снова погрузится во тьму. Она будет полна мёртвых звёзд, излучающих остатки своего тепла в пустоту и продолжающими остывать, приближаясь к абсолютному нулю температуры. Возможно, таким и будет конец Вселенной, её окончательное состояние, в котором она будет пребывать вечно. Но, как мы вскоре увидим, законы квантовой механики указывают, что и само вещество может в конечном счёте раствориться во тьме.

Жизнь – непрерывная битва с распадом. Без постоянного восстановления и поддержания в рабочем состоянии всё ломается – машина, дом, ваше собственное тело. Распад неизбежен. Но для Вселенной на её самом базовом уровне распад – иллюзия.

Когда разлагается пища или ржавеет железо, химические связи образуются и разрушаются, но атомы, которые образуют молекулы и кристаллы и составляют основу материи, остаются неизменными. Если мы будем ломать и разрушать всё, в конце концов у нас останутся индивидуальные атомы, из которых и состоит всё вещество во Вселенной.

Но, хоть атомы и кажутся вечными и постоянными, мы знаем: на деле это не так. Элементы образовались в ранней Вселенной и в недрах звёзд, и некоторые из них могут разрушаться вследствие радиоактивности. Но некоторые атомы и вправду оказываются устойчивыми, невосприимчивыми к ней, и действительно в целости и сохранности доживут до долгого и тёмного будущего Вселенной.

А как же протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов? Насколько устойчивы они? Казалось бы, коль скоро некоторые атомы оказываются полностью устойчивыми, а их ядра состоят из протонов и нейтронов, последние, выходит, тоже должны быть устойчивы. Но если взять отдельный нейтрон и предоставить его самому себе, то примерно через 15 минут он исчезнет.

Нейтрон может распадаться, так как он немного более массивный, чем протон. Различие в массах между ними невелико, всего 0,1 %, но это значит, что у нейтрона достаточно энергии, чтобы превратиться в протон, электрон, почти безмассовое нейтрино и ещё чуть-чуть энергии (большая часть которой уходит на движения электрона и нейтрино). Здесь, конечно, работает знаменитый закон сохранения энергии: она не может быть создана или уничтожена, её можно только превратить из одного вида в другой. Если исходить из этого, общее количество энергии должно быть одним и тем же и до, и после распада нейтрона – не больше и не меньше.

А как же единичный протон? Распадается ли он таким же образом? Раз протон легче, он не может распадаться с образованием нейтрона – это было бы нарушением закона сохранения энергии. У протона просто-напросто недостаточно энергии, чтобы превратиться в нейтрон.

Ну и прекрасно, скажете вы. Почему же протон не распадается на что-то другое, менее массивное, чтобы закон сохранения энергии не нарушался? Протон мог бы распасться на 1000 электронов, и осталось бы ещё много неиспользованной энергии. Вот только, сколько учёные ни дожидаются, наблюдая поведение индивидуальных протонов, те всё никак не хотят распадаться ни на 1000 электронов, ни на 100, ни даже на 10 – даром что все эти возможности разрешены законом сохранения энергии.

Квантовая бухгалтерия

Протонам не даёт распадаться что-то другое. Здесь вступают в игру другие законы сохранения, совместимые с законами квантовой механики. Здесь начинается особая квантовая бухгалтерия: теперь мы должны отслеживать параметр, называемый барионным числом. Это тоже сохраняющаяся величина: мы должны наблюдать одно и то же барионное число и до, и после реакции.

Хотя выражение «барионное число» кажется ещё одним примером странного жаргона современных физиков, на деле это довольно простая вещь: барионное число системы частиц – разность количества составляющих их кварков и количества антикварков, делённая на три. Почему именно на три? Главным образом, из соображений удобства. Почти всё вещество во Вселенной состоит из протонов и нейтронов, а каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх кварков. Выходит, каждый нуклон имеет барионное число 1 (3 делённое на 3), а у кварков оно равно ⅓. Барионное число всех остальных фундаментальных частиц – нулевое. Античастица имеет отрицательное барионное число, равное по модулю числу сопряжённой с нею частицы: например, у антикварка барионное число —⅓, а у антипротона –1.

Вселенная в целом тоже имеет барионное число. Оно большое. И оно осталось неизменным со времён ранней Вселенной. Мы уже побывали в той эпохе, когда пытались ответить на вопрос «откуда взялось всё это вещество?» – другими словами, «откуда взялись барионы?». Тогда мы не употребляли этого термина, но вообще-то момент, когда вещество начало преобладать над антивеществом – когда кварков стало больше, чем антикварков – называется бариогенезисом. Звучит великолепно! Мы, конечно, точно не знаем, что происходило ещё раньше, во времена, куда наш взгляд уже не может проникнуть, – а как было бы замечательно, если бы можно было непосредственно тестировать теории ранней Вселенной! Но мы подозреваем, что симметрия между веществом и антивеществом была нарушена, из-за чего у нас и осталось больше кварков, чем антикварков, и мы получили огромное барионное число Вселенной. Это спонтанное нарушение симметрии очень странно даже само по себе, но вдобавок оказывается, что на сегодняшний день симметрия восстановлена: ведь ни один эксперимент не выявил каких-либо признаков несохранения барионного числа. Вопрос только в том, как долго продлится царство этой симметрии?

Точно так же, как мы принимаем принципы сохранения энергии и заряда, мы можем принять и идею сохранения массы. В школьных учебниках так и написано: вещество не может быть ни создано, ни уничтожено. Откуда взялось это правило? Конечно, из квантовой физики! В рамках представлений о четырёх фундаментальных силах и описывающей их стандартной модели у частиц нет никаких возможностей взаимодействовать так, чтобы при этом менялось барионное число системы. Другими словами, как когда-то учила Эмми Нётер, математические законы обладают симметрией, которая не позволяет барионному числу меняться: оно сохраняется. И это опять заставляет нас обратиться к загадке бариогенезиса, которая не укладывается в наши нынешние физические законы, построенные на сохранении барионного числа.

Сохранение барионного числа – вещь невероятно полезная. Оно позволяет охотиться за новыми частицами в физических экспериментах стоимостью в миллиарды долларов, в ходе которых при столкновениях образуются целые каскады частиц. Да и делать домашние задания по квантовой физике оно