Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
А реальность этого близнеца-перевертыша — античастицы — состоит в том, что хотя противоположности притягиваются, частицам и античастицам стоит от этого воздерживаться. Стоит электрону с позитроном вступить в контакт друг с другом — и тут же волшебная формула E = mc 2 превращает их массу в огромное количество энергии.
Какую частицу мы назовем просто «обычной», а какую «анти», в принципе, все равно. В параллельной вселенной, которая полностью состоит из того, что мы называем антивеществом, антилюди наверняка называют свои атомы обычными, а мы для них «анти». И это как раз тот редкий случай, когда все правы — и мы, и они. Вопрос названия.
Я не хочу сказать, что в нашей вселенной нет антивещества. Антивещество непрерывно создается в недрах Солнца, которое рождает позитроны в виде побочного эффекта синтеза гелия из водорода. А поближе к дому мы можем наблюдать всевозможные экзотические античастицы в больших ускорителях вроде Большого Адронного Коллайдера, который расположен во Франции и Швейцарии.
В лабораторных условиях можно даже создавать антиверсии атомов. В 2002 году Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)[17] сумела создать и зарегистрировать буквально тысячи атомов антиводорода с точно такими же качествами, что и у обычного водорода. В 2011 году был побит рекорд массы античастицы: на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов на Лонг-Айленде было создано первое ядро антигелия. Правда, античастицы быстро покидают этот мир. Они быстро распадаются или сталкиваются с обычными частицами и аннигилируют.
Итак, античастицы выглядят точно так же, как и обычные, однако одинаковы ли они на самом деле? Это наша первая официальная симметрия, поэтому я дам ей четкое определение, чтобы вы понимали, насколько это важно.
С-симметрия, она же Зарядовое сопряжение, состоит в том, что физические законы применимы к античастицам точно так же, как и к соответствующим обычным частицам.
И хотя мы даже дали этой симметрии особое название (С-симметрией она названа по первой букве слова «charge» — «заряд»), из нее не обязательно следует, что вещество и антивещество и в самом деле ведут себя в нашей вселенной одинаково. Такой вывод — это, скорее, обоснованная догадка.
Однако поскольку мы не в силах наслать такие чары, чтобы все частицы разом заменились на соответствующие античастицы, нам придется делать кое-какие умозрительные заключения, что и подведет нас к главной тайне вещества и антивещества.
В лаборатории — то есть во всех субатомных реакциях, которые мы так или иначе наблюдали, — невозможно создавать частицы, не создавая одновременно соответствующего числа античастиц. Неуловимые частицы вроде бозона Хиггса мы регистрируем, наблюдая не саму частицу, а ее распад на частицу и античастицу.
А обратная сторона медали такова, что если положить электрон и позитрон в кастрюлю и хорошенько размешать, то оба они будут уничтожены, и высвободится вся энергия, которую пообещал вам Эйнштейн. Именно это постоянно происходит в космическом вакууме. Частицы и античастицы создаются и уничтожаются, и это идеально согласованные процессы.
По крайней мере, сейчас именно это и происходит. Когда-то, в далеком прошлом, обычное вещество одерживало верх. Так было не только в нашем захолустном уголке вселенной — похоже, так было везде. Важная, но еще не вполне осознанная задача современной космологии — разобраться, почему тогда была нарушена нынешняя С-симметрия вселенной, а для этого нам придется заглянуть в прошлое.
В 2001 году НАСА запустило космический аппарат WMAP — Зонд микроволновой анизотропии имени Уилкинсона. Как явствует из сокращенного названия, где ясно видно слово «map» — «карта», задачей аппарата было создать подробную карту реликтового микроволнового излучения, пережитка первых эпох существования вселенной.
Я уже говорил, что свет состоит из частиц под названием фотоны, однако уклонился от ответа на вопрос, чем фотоны отличаются друг от друга. Различия сводятся к энергии. Например, у синего света энергии в пересчете на отдельный фотон больше, чем у красного. При еще более низкой энергии, чем у красного света, за пределами чувствительности глаз, мы обнаруживаем инфракрасное, а если энергия еще ниже — микроволновое излучение. На другом конце спектра, при энергиях, которые высоковаты для наших глаз, находятся ультрафиолетовые фотоны. При энергиях еще выше получается рентгеновское излучение, а при самых высоких — гамма-излучение.
Если вам случалось надевать инфракрасные очки, вы, наверное, заметили, что живые теплокровные существа светятся чуть-чуть ярче, чем их более прохладное окружение. Именно поэтому Хищник так здорово охотится. Все теплые тела испускают излучение, некоторые — особенно сильно, если вы меня понимаете… Раскаленные уголья светятся красным, однако вселенная гораздо холоднее угля, ее температура составляет около 2,7 К, и она светится в микроволновом диапазоне. В глубоком космосе холодно, очень холодно.
Однако стужа царила здесь не всегда. Вселенная расширяется, а это значит, что энергия все сильнее и сильнее рассеивается. На ранних этапах истории вселенной все было упаковано гораздо плотнее, и температуры стояли куда как выше. Например, спустя 14 миллионов лет с момента возникновения вселенной, в ней стояла приятная, комнатная температура в 310 К, и вселенная светилась в инфракрасном диапазоне. Если заглянуть еще дальше, то окажется, что через 1 секунду после Большого взрыва температура вселенной составляла 10 миллиардов градусов, а еще раньше, через 1 микросекунду после него, — более 10 триллионов градусов!
На заре вселенной энергии было просто пруд пруди, и постоянно создавались всевозможные пары «частица-античастица». Два невероятно высокоэнергичных гамма-фотона налетели друг на друга — бац! — и их энергия превратилась в электрон и позитрон или в какую-то другую пару из частицы и античастицы. Видите? Я же говорил, что своим существованием вы обязаны гамма-излучению!
А потом вселенная охлаждалась и в конечном итоге дошла до точки, когда новые пары уже не могли создаваться. Поскольку вселенная уже не могла создавать новое вещество, все частицы и античастицы должны были разыскать друг дружку и аннигилировать.
Вот он, ключ к ответу на великую загадку: если бы вещество и антивещество постоянно создавались и разрушались в равных количествах, сегодня не было бы ни того, ни другого, и все же вот они мы — целиком из вещества, и на первый взгляд это явно противоречит всему, что мы до сих пор наблюдали в лаборатории. Как будто вселенная припрятала козырь в рукаве.
Так откуда же вы взялись? И где все антилюди?
Итак, вещество и антивещество одинаковы, а может быть, и нет
Иногда нам удается получить несколько античастиц в лабораториях или из космических лучей, но они живут недолго. В конечном итоге мы состоим из обычного вещества на 100 процентов. Что же случилось с симметрией, вокруг которой столько шума?
Один вариант — и где-то его уже прорабатывает какой-то писатель-фантаст: на самом деле относительно вещества-антивещества вселенная симметрична. Может быть, половина галактик во вселенной состоит из вещества, а другая половина из антивещества, и просто так вышло, что мы живем в галактике из обычного вещества.
Достойная попытка, Капитан Наука, но нет.
Тут возникает несколько осложнений, не последнее из которых — то, что с астрономической точки зрения подобное четкое и последовательное разделение вещества и антивещества попросту невероятно. Это как будто кофе в вашей чашке с левой стороны вдруг вскипел, а с правой замерз. Каковы шансы такого развития событий? Вероятность того, что по чистой случайности возникнет галактика, состоящая целиком из обычного вещества, при том, что где-то соберется точно такое же количество антивещества, такая же, как вероятность, что монетка упадет решкой вверх, скажем, 1069 раз подряд.
Кроме того, галактики постоянно сталкиваются, а мы никогда не наблюдали внегалактическое столкновение, при котором высвободилась бы такая неукротимая и безбрежная энергия, какой следовало бы ожидать, если бы целая галактика из вещества налетела на галактику из антивещества. Короче говоря, судя по всему, вся видимая вселенная состоит из обычного вещества.
А теперь мне придется открыть вам страшную правду. Мы (то есть физики) не знаем, как объяснить подобный дисбаланс и почему вселенная состоит из обычного вещества. Когда речь заходит о веществе и антивеществе, законы физики становятся как материнская любовь: все мамы говорят, что любят всех своих детей одинаково, но их поступки рисуют совершенно иную картину. В нас есть что-то особенное, что-то такое, что бережет нас от исчезновения вместе с антивеществом. Однако неприглядный факт состоит в том, что вселенная пребывает в состоянии разложения — и, вообще говоря, если частица может распасться на что-то более легкое, то распадется обязательно. Скажем, свободные нейтроны распадаются и превращаются в протоны (которые немного легче) минут через десять. А вот протонам уже не во что распадаться.
