logo - Механизмы сознания и существования Механизмы сознания и существования

Суперсила. Поиски единой теории природы.

П.Девис

11. Ископаемые космоса

Происхождение элементов

Солнечным весенним днем 1822 г. молодой сельский врач Гидеон Мантелл навещал пациента неподалеку от своего родного города Льюиса в графстве Сассекс (Англия). В этой поездке доктора Мантелла сопровождала его жена Мэри Энн , которая, пока муж занимался больным, воспользовалась возможностью побродить по сельским улочкам. Проходя мимо груды камней, добытых из карьера для ремонта дороги, миссис Мантелл заметила странный блестящий предмет коричневого цвета. При ближайшем рассмотрении он оказался куском песчаника, содержащим несколько гигантских зубов. Миссис Мантелл показала находку своему мужу, геологу-любителю, и он пришел в сильное возбуждение. Найденные зубы напоминали зубы ящерицы игуаны, и доктор Мантелл сделал смелое предположение, что они когда-то принадлежали огромным травоядным рептилиям, населявшим Землю еще до появления млекопитающих. Он назвал эти существа игуанодонами. Так чета Мантеллов впервые обнаружила и правильно описала останки динозавров.

Случайное открытие миссис Мантелл пришлось на критическое для науки время. По традиции возраст Земли считался равным нескольким тысячам лет, что усиленно поддерживалось библейским мифом о сотворении мира. Однако к концу восемнадцатого столетия геология уже становилась настоящей наукой, и большинство геологов начали осознавать, что такие процессы, как образование осадочных пород или выветривание, имеют затяжной характер и совершаются за огромные промежутки времени. Еще в 1779 г. французский геолог Жорж Лун Леклерк оценил возраст Земли лишь в 75 тыс. лет. Однако к середине XIX в. этот отрезок времени «растянулся» до сотен миллионов (а возможно, и миллиардов) лет. В настоящее время методами радиоактивного датирования возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет.

Найденные Мантеллами останки вскоре были признаны останками вымерших существ, которые населяли Землю 65—200 млн. лет назад. Достойна восхищения мысль» что, изучая современные горные породы, можно кое-что узнать о мире в столь далекие времена; 200 млн. лет — такой гигантский отрезок времени, что не поддается человеческому воображению. Дальнейшие более тщательные поиски привели к открытию останков живых организмов, возраст которых оценивается не менее чем в 3 млрд. лет (а возможно, близко к 4 млрд.).

У большинства людей представление об ископаемых, или реликтах, ассоциируется с застывшими отпечатками некогда существовавших живых организмов. Но имеется немало и других физических объектов, также несущих на себе отпечаток отдаленного прошлого. Например, «рябь» на поверхностях Луны, Марса и Меркурия — это след интенсивных метеоритных бомбардировок планет в период образования Солнечной системы. В определенном смысле все физические объекты являются реликтами. Любой из существующих объектов имеет свою историю и несет информацию об обстоятельствах своего возникновения и развития. Задача, причем весьма нетривиальная, состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию.

Для начала интересно выбрать наиболее знакомый нам объект — наш собственный организм и попытаться выяснить, что он может поведать о прошлом.

Прежде всего отметим, что наш организм содержит биологическую информацию, которая закодирована в генах — отдельных участках молекул ДНК, имеющих характерную структуру. Молекулы ДНК лежат в основе всей жизни на Земле. Поэтому их можно рассматривать как реликт возникновения жизни на Земле около 4 млрд. лет назад. Наша генетическая структура несет на себе бесчисленные отпечатки физических условий, в которых находились наши предки на протяжении многих веков и которые способствовали эволюции человека. Поэтому наш организм — это живой реликт, который в закодированном виде хранит в себе историю нашей планеты.

Биологическая информация определяется тем, какими способами атомы углерода, водорода, кислорода и других элементов, входящих в состав живых организмов, образуют сложные соединения. Ну а что можно сказать о самих атомах, из которых построен наш организм и весь окружающий нас мир?

Согласно современным космологическим представлениям, эти атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образования Земли. Атомы — это ископаемые космос». Как мы видели в гл.2, первооснову космического вещества составляет (Водород, на который вместе с гелием приходится около 10% всех атомов, тогда как на каждый из остальных примерно 90 элементов — лишь малая доля. В нашем организме сконцентрированы многие элементы, которые в космосе встречаются в следовых количествах. Они зарождались в сложных процессах, происходящих внутри звезд.

На начальных стадиях существования Вселенной космическое вещество практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса. Такие элементы — это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд. Ядро звезд, подобных Солнцу, представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Огромная температура внутри Солнца заставляет протоны двигаться столь интенсивно, что, несмотря на мощное электростатическое отталкивание, они время от времени соударяются друг с другом. Если протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия, становится возможным их слияние (синтез). Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но если один из протонов в результате слабого взаимодействия (процесса, обратного бета-распаду) превратится в нейтрон, то образуется устойчивое ядро дейтерия; при этом высвобождается энергия, способствующая поддержанию высокой температуры в недрах звезды. Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий. В старых звездах преобладает синтез более тяжелых ядер из легких. В ходе следующих один за другим процессов синтеза сначала образуется углерод, а затем и все более сложные ядра.

По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура все более напоминает луковицу (мы вновь прибегаем к этой аналогии); последовательные слои «луковицы» состоят из различных химических элементов, и это строение отражает различные стадии в длительном процессе ядерного синтеза Н а протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из почти чистой смеси первичного водорода и гелия в хранилище ядерной «золы», состоящей из тяжелых химических элементов. На заключительном этапе эволюции такая звезда может стать неустойчивой. Слабеющие ядерные реакции уже не в состоянии поддерживать внутри звезды такие значения температуры и давления, которые обеспечивали бы устойчивость огромной звездной массы. В результате гравитация, выйдя из-под контроля, вызывает мгновенное сжатие (коллапс) звезды. Гигантский выброс энергии в виде нейтрино и ударных волн, исходящих из внутренней области звезды, буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство, разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно называют взрывом сверхновой (см. гл.5). Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику ничтожно малыми (следовыми) количествами элементов, столь необходимых для образования планет типа Земли, а в дальнейшем — для зарождения и эволюции населяющих ее форм жизни. Таким образом, наш организм построен из реликтовых осколков когда-то ярких звезд, которые погибли задолго до возникновения Земли и Солнца.

Тяжелые элементы в окружающем нас мире несут на себе отпечаток бурной истории Вселенной; однако от несравненно более неистовой эпохи космической эволюции. Большого взрыва, ведут свое начало легкие элементы — водород и гелий. Возникает вопрос: существовали ли эти элементы «с самого начала» или они являются реликтами какой-то очень ранней фазы?

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной скрыт в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В своем простейшем варианте теория горячей Вселенной предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой тепловой (внутренней) энергией. По мере расширения Вселенной температура падала — сначала быстро, а затем все медленнее — от бесконечно большого значения до довольно низкой величины, при которой возникли условия, благоприятные для образования звезд и галактик. На протяжении около 100 тыс. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов. Таким образом, примерно 100 тыс. лет космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы – это реликты эпохи, наступившей через 100 тыс. лет после Большого взрыва.

Остается, однако, еще более интересный вопрос. Каково происхождение ядер водорода и гелия? Не являются ли они продуктами физических процессов, происходивших в еще более ранние эпохи? В первые несколько минут после Большого взрыва температура космической плазмы превышала 10^6К – этого было вполне достаточно для протекания ядерных реакций. Методом численного моделирования на ЭВМ и с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования Вселенной.

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 10^10К – это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные ядра. Все пространство было тогда заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым излучением). Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии минуты температура упала до 10^8К , а спустя еще несколько минут — ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. Таким образом, в процессе эволюции ранней Вселенной существовал относительно короткий (порядка нескольких минут) промежуток времени, когда протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

Основной ядерной реакцией в тот период было слияние про­тонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве, так что по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Как показывают вычисления, за столь короткое время очень мало что могло произойти. Поэтому образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Эти цифры с вполне удовлетворительной точностью характеризуют наблюдаемое содержание названных элементов в современной Вселенной. Таким образом, гелий — это реликт космического «костра», пылавшего в первые несколько минут после Большого взрыва. К счастью, в первичном веществе был некоторый избыток протонов; именно благодаря остатку несвязанных протонов во Вселенной присутствует водород. Без водорода не светило бы Солнце, а в космосе не было бы воды. Вряд ли при этом могла возникнуть жизнь.

Реликты первой секунды

Возможность установить реликты первых минут существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение астрофизики. Но ученым не свойственно почивать на лаврах — раздвигая границы возможного, они неуклонно стремятся идти к новой цели. В этом — сущность научного поиска. Для объяснения происхождения химических элементов требуется знать, в каком состоянии находилась Вселенная в конце первой секунды. А что было в более ранние моменты, в течение первой секунды?

Приступить к подобному исследованию означает проникнуть в мир «Алисы в Стране Чудес» с его таинственными состояниями вещества и неведомыми силами. Это значит еще больше приблизиться к самой главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Чтобы было легче построить наглядную картину Вселенной в возрасте менее 1с, вообразим, что мы находимся на борту некой машины времени, которая постепенно возвращает нас от момента, соответствующего 1с, к моменту 0с, когда в результате гигантского взрыва возникла Вселенная. Но будем осторожны! Наши представления об этом отрезке времени основаны главным образом на гипотезах и экстраполяциях, которым чрезвычайно сложно дать убедительное подтверждение. То, о чем мы будем говорить в этой и последующих главах, – всего лишь результат теоретического моделирования — процедуры во многом спорной и умозрительной.

Чтобы осмыслить события, вероятно, происходившие в первые мгновения существования Вселенной, необходимо понять природу космической активности. Если бы мы могли путешествовать вспять во времени, начиная с сегодняшнего дня, то заметили бы, что по мере движения назад темп развития ускоряется. Так, изменения Земли в процессе ее эволюции в течение 4,6 млрд. лет происходили очень медленно; поэтому геологические масштабы времени измеряются миллионами лет. Если бы нам удалось вернуться во времена, отстоящие от момента Большого взрыва не на миллиарды, а на миллионы лет, то мы обнаружили бы, что темп развития значительно ускорился. Галактики сформировались в течение нескольких сотен миллионов лет, тогда как звезды — еще быстрее (по-видимому, за несколько десятков миллионов лет).

За рубежом, отстоящим от Большого взрыва на 100 тыс. лет, Вселенная предстает почти лишенной какой-либо структуры — это период горячей плазмы. Темп эволюции здесь можно оценивать по скорости космического расширения и падения температуры. В этот период Вселенная расширялась примерно в 100 тыс. раз быстрее, чем сегодня, а ее температура достигала нескольких тысяч градусов. Еще раньше скорость расширения была много больше, а температура — гораздо выше. В момент 1с размеры Вселенной возрастали вдвое примерно за 1с, а ее температура достигала 10^10 К. Очевидно, в пределах первой секунды темп изменений Вселенной был еще выше, безгранично нарастая по мере приближения к моменту Большого взрыва.

Математически это нарастание темпа активности описывается обратно пропорциональной зависимостью. Если обозначить через время, прошедшее от момента рождения Вселенной — момента Большого взрыва, — то скорость расширения будет пропорциональна 1/t , а температура — 1/sqrt . С уменьшением t обе эти величины возрастают все быстрее, стремясь к бесконечности. Таким образом, поскольку космическая активность неуклонно возрастает по мере приближения к моменту рождения Вселенной, существенные изменения происходят, по-видимому, за все более короткие промежутки времени. Поэтому здесь целесообразно перейти на исчисление времени в долях 10. Так, за промежуток времени 0,1—1с происходит столько же событий, сколько в интервале 0,01—0,1с и т.д. Хотя интервал времени уменьшается последовательно в 10 раз, темп изменений, происходящих в каждом таком интервале, оказывается примерно одинаковым.

Возникает вполне естественный вопрос, как далеко можно экстраполировать нашу модель ранней Вселенной, сохраняя уверенность в ее адекватности. Я вспоминаю, как будучи студентом присутствовал в конце 60-х годов на лекции по космологии, где разговор шел о недавно открытом фоновом тепловом излучении. Лектор был несколько смущен, говоря о расчетах содержания гелия на основе ядерных реакций, происходивших, как предполагалось, в первые минуты существования Вселенной. Большинство аудитории открыто смеялось над этой дерзкой затеей и явно ощущало, что моделирование Вселенной в столь ранние моменты ее эволюции — занятие довольно сомнительное. Сегодня умонастроение резко переменилось. Расчеты содержания гелия стали частью общепризнанного подхода в космологических исследованиях и наше внимание привлекают периоды времени, предшествующие нуклеосинтезу .

У многих вызывает удивление, что экстремальные условия, преобладавшие в первую секунду жизни Вселенной, сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях частиц удается в течение очень короткого времени воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени как 10^-12 с, когда температура достигала 10^16 К, а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. Таким образом, в путешествии вспять во времени в странный мир первозданной Вселенной нашим проводником на части пути может быть эксперимент.

По мере углубления в прошлое мы встречаемся со все более экстремальными физическими условиями. Наиболее важным параметром, позволяющим оценить этот процесс, является энергия. С приближением к моменту рождения Вселенной энергия типичной частицы, «плавающей» в первичной плазме, возрастает все быстрее. Для момента, соответствующего 1мин, характерны энергии рентгеновского диапазона. В момент, соответствующий 1с, господствуют энергии, свойственные некоторым радиоактивным превращениям. В момент, равный 1 мкс (микросекунда), энергия типичной частицы сравнима с энергией, которую удавалось получить на ускорителях начала 50-х годов. Подходя к моменту, соответствующему 1пс (пикосекунда, 10^-12с), мы приближаемся к пределу энергии, достигнутому в настоящее время в физике элементарных частиц. За этим пределом путеводной нитью может служить только теория.

В предыдущих главах мы говорили, что существующие в природе четыре взаимодействия могут рассматриваться как части одной главной силы – Суперсилы. Ошибочное представление о различной природе четырех взаимодействий сложилось потому, что обычно мы имеем дело с миром относительно низких энергий; с увеличением энергии взаимодействия объединяются. Прежде всего объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Это происходит при энергиях, эквивалентных примерно 90 массам протона, что соответствует температуре около 10^15 К. Существующие ускорители как раз позволяют достичь таких значений, при которых происходит рождение W и Z-частиц. Последующее объединение электрослабого и сильного взаимодействий, а в конечном счете и гравитации невозможно, пока не будут получены более высокие энергии. Для этого необходимо достичь масштабов Великого объединения и массы Планка, что в триллионы раз превосходит масштаб электрослабого взаимодействия.

С этой точки зрения ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях. И хотя прямые эксперименты с Суперсилой, вероятно, никогда не станут реальными, мы можем тем не менее обратиться к космологии за разгадкой причин кратковременной активности суперсилы в первые мгновения существования Вселенной.

Спустя 10^-12 с после Большого взрыва температура была столь высока, что тепловая энергия оказалась достаточной для рождения всех известных частиц и античастиц. Вещество и антивещество присутствовали во Вселенной почти в равных количествах. Позднее, когда составлявшие большую часть вещества пары частица-античастица аннигилировали, возник «остаток» вещества. Плотность частиц была столь высока, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно распределялась между всеми видами частиц.

Характер вещества во Вселенной на этой стадии резко отличался от всего, что нам удается непосредственно наблюдать. При столь высокой плотности адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты. Вещество представляло собой « кварковую жидкость», в которой кварки двигались более или менее независимо. Кроме того, при этих энергиях не было никакого различия между слабым и электромагнитным взаимодействиями, а природа кварков и лептонов проявлялась весьма своеобразно. Такие известные нам частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде. Свойства фотонов, а также W- и Z-частиц оказались безнадежно перемешанными. Если бы нам удалось сдвинуться вспять во времени вплоть до этого момента, то нам предстало бы совершенно неизвестное состояние материи, когда частицы еще не приобрели той формы, к которой привыкли специалисты в области физики элементарных частиц.

Ключ к пониманию природы этой странной высокотемпературной фазы материи лежит в нарушении симметрии. В гл. 8 было показано, каким образом спонтанное нарушение калибровочной симметрии может наделить частицы массой и создать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Существует общее правило природы, согласно которому высокие температуры стремятся восстановить симметрию. Хорошим примером проявления этого правила могут служить две фазы воды — жидкая и твердая (лед). В кристалле льда обнаруживаются выделенные направления — направления вдоль ребер кристаллической решетки. При таянии льда кристаллическая структура разрушается. У возникшей вместо кусочка льда капли воды уже нет никаких выделенных направлений в пространстве — она симметрична. Таким образом, повышение температуры привело к восстановлению изначальной пространственной симметрии, которая была спонтанно нарушена у кристалла льда. При увеличении температуры до 10^16 К происходит фазовый переход, аналогичный переходу лед-вода. Однако в этом случае восстанавливается калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия.

Как видим, картина Вселенной в момент, соответствующий 1пс , весьма примечательна. Вселенная заполнена таинственной жидкостью, в последующие времена уже нигде не встречающейся, и населена неведомыми нам частицами. Однако вещество не может продолжительно существовать в столь странной фазе. Падение температуры вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Столь же внезапно возникают и известные нам частицы — электроны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы. Калибровочная симметрия нарушена, а электромагнитное взаимодействие отделилось от слабого .

Если проследить за дальнейшей эволюцией космического вещества, то мы станем свидетелями еще одного фазового перехода, который произойдет спустя 1 мс (миллисекунда) после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся кварков внезапно конденсируется, образуя адроны с вполне определенными свойствами. В этом море частиц можно различить отдельные протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы, в которых кварки объединены в четкие группы — попарно или по три. По мере дальнейшего падения температуры все оставшиеся античастицы (например, позитроны) аннигилируют, создавая интенсивное гамма-излучение. В результате вещество превращается в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, и открывается прямой путь для синтеза гелия, который начинается спустя несколько секунд после Большого взрыва.

Попытка изучить эволюцию Вселенной начиная с 10^-12 с привела нас к новому замечательному представлению о природе вещества. Мы убедились, что протоны и нейтроны — эти «кирпичики» мироздания — существовали не всегда, а «выморозились» из кваркового бульона спустя примерно 10^-3 с после Большого взрыва. Поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Еще более удивителен тот факт, что лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, обрели свою индивидуальность лишь спустя примерно 10^-12 с; таким образом, они являются реликтами первой пикосекунды.

Постепенно начинает вырисовываться систематическая картина эволюции Вселенной. Происхождение элементов можно проследить до отдаленных эпох возникновения звезд и нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной. Протоны и нейтроны, служащие материалом для создания ядер, образовались еще раньше, тогда как лептоны и кварки, лежащие в основе ядерных частиц, являются реликтами первой триллионной доли (10^-12 ) секунды существования Вселенной. Однако остается главная загадка, которая возвращает нас к значительно более ранней эпохе — эпохе Великого объединения.

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.

Когда физик утверждает, что существующие в природе взаимодействия зеркально симметричны, он подразумевает, что вызванные этими взаимодействиями фундаментальные процессы в зеркале выглядят столь же реально, как и при непосредственном наблюдении. Представим, например, что мы запечатлели на кинопленку распад частицы, а затем зарядили в проектор перевернутую пленку. Если вызывающие распад взаимодействия обладают свойством зеркальной симметрии, то ни один физик не заметит подвоха.

Долгое время предполагалось, что субатомные частицы не отличают «правого» от «левого», и это даже не считали нужным проверять на опыте. Но вот явились Ли и Янг со своим предположением, а американка китайского происхождения мисс Ч. С. By вскоре поставила нужный эксперимент, и тогда ко всеобщему изумлению выяснилось, что Ли и Янг были правы. Слабое взаимодействие действительно нарушает зеркальную симметрию. Опыт By, в котором отдельно измерялось число электронов, испускаемых влево и вправо точно ориентированными ядрами радиоактивного кобальта, ознаменовал поворотный пункт в физике. После этого опыта ни одной из симметрий уже не гарантировалась неприкосновенность!

В 1964 г. последовало новое потрясение. Большой интерес вызывало загадочное поведение особой частицы, называемой нейтральным К-мезоном, или каоном. Представление о нарушении зеркальной симметрии к этому времени стало общепризнанным, однако считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. (Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц.) Если бы это было всегда справедливо, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица. Особенности нейтрального К-мезона, представляющего собой некий гибрид частицы и античастицы, дали возможность проверить справедливость этих представлений.

Решающий эксперимент провели В. Л. Фитч и Дж. У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Они установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени — по крайней мере для нейтральных К-мезонов. Здесь также наблюдалось совсем небольшое, но исключительно важное нарушение симметрии, отражающее фундаментальный разбаланс сил природы, ответственных за некоторые распады частиц; тем самым было найдено конкретное экспериментальное подтверждение асимметрии между веществом и антивеществом.

В конце 70-х годов теоретики приступили к созданию модели фазы ТВО в Большом взрыве на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО. По оценкам асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (10^9+1):10^9 . Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. «Почти», а не целиком, — поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот крошечный остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из которого построено все, включая нас самих. Итак, мы пришли к тому, что все вещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10^-32 с с момента рождения Вселенной.

Если доверять проведенному анализу, то следует считать, что подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, исчезла до истечения нескольких первых секунд — а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. Теперь мы знаем, почему во Вселенной так мало антивещества. Однако, исчезнув, оно оставило о себе память в виде энергии. В результате аннигиляции вещества с антивеществом возникало около миллиарда гамма-квантов на каждый уцелевший электрон или протон. К настоящему времени в результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав так называемое фоновое тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Помимо энергии, заключенной в веществе, значительная часть энергии Вселенной приходится на фоновое тепловое излучение. Таким образом, мы располагаем теорией, которая не только объясняет происхождение вещества, но и указывает правильное соотношение количества вещества и энергии во Вселенной.

До создания ТВО не удавалось объяснить температуру космического фонового теплового излучения. Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним произвольным параметром, характеризующим Вселенную «от рождения». Оставалось непонятным, почему температура этого излучения не может быть равной, скажем, 0,3 или 30К , а должна составлять именно 3К. ТВО позволили объяснить это значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового излучения, равная 3К , соответствует примерно 10^9 фотонам на каждый электрон или протон во Вселенной (В 1967 г. А. Д. Сахаров высказал идею о том, что это отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который обусловлен распадом протона и нарушением симметрии), что хорошо согласуется с превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 10^9 ) , предсказываемым ТВО. Таким образом, величину одного из фундаментальных параметров космологии можно объяснить на основе физических процессов, происходивших в эру ТВО. Именно в этот невообразимо ранний момент существования Вселенной и обозначились основы ее современного строения.

Список страниц сайта