Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Откуда во Вселенной вещество?

Присутствие вещества во Вселенной очевидно. Его много! Оно заключено в звёздах, планетах и камнях, рассеянных между ними. Колоссальное количество вещества распределено между звёздами и галактиками в виде газа – он рассеян по всей Вселенной. Вещество есть повсюду, как бы далеко мы ни заглядывали. Но почему оно здесь? Почему вообще во Вселенной есть вещество?

Вопрос может показаться праздным, бессмысленным. Это же просто очевидно! Не будь во Вселенной вещества, некому было бы и спрашивать. Но для нашего понимания фундаментального устройства Вселенной это – огромная нерешённая проблема. Чтобы понять, почему вещество есть, мы должны задуматься об условиях во Вселенной сразу после её взрывного расширения в ходе инфляции.

Когда инфляция закончилась, её энергия распространилась по Вселенной, вошла в частицы и в излучение, которые составляют основной строительный материал всей материи вокруг нас. Но температуры в то время были так высоки, что нормального, повседневно окружающего нас и знакомого нам вещества не существовало. Были только его фундаментальные кирпичики: кварки, электроны и сверхгорячие фотоны. Наши физические законы, насколько мы можем о них судить, говорят, что этот огненный суп был сбалансированной смесью материи и антиматерии. Наряду с электронами там были их положительно заряженные антидвойники – позитроны.

Существование антивещества предсказал в 1920-х физик-теоретик Поль Дирак.[25] На самом деле, он пытался объединить квантовую механику с эйнштейновской частной теорией относительности, чтобы понять свойства электрона. Однако его уравнения дали два решения: одно с отрицательным зарядом – оно, как он знал, представляло электрон – и ещё одно, идентичное первому, но с положительным зарядом, представившее частицу-двойник. Дирак не вполне понимал, что делать с этим решением, раздумывал, не включил ли случайно в свои уравнения значительно более тяжёлый протон, самую известную положительно заряженную частицу. Но вскоре после этого положительно заряженные электроны, известные теперь как позитроны, были зарегистрированы в экспериментах, и научное сообщество осознало, что у каждой частицы вещества имеется двойник – частица антивещества.

Вещество первоначальной Вселенной состояло из других частиц – кварков (забавное название!) и их античастиц-эквивалентов.[26] Как и электроны, кварки – фундаментальные частицы: их нельзя расщепить на меньшие куски. Но кварки не так знамениты: в отличие от электронов, которые существуют сами по себе, они всегда находятся в связанном состоянии в других частицах. Из них в первую очередь состоят протоны и нейтроны, из которых формируются ядра атомов.

В «супе» из фундаментальных частиц могут происходить интересные вещи. Электроны сталкиваются с позитронами и полностью аннигилируют, создавая вместо себя два фотона излучения. То же самое происходит и с кварками, которые сталкиваются с антикварками: аннигиляция и создание новых фотонов.

Верно и обратное: два сталкивающихся фотона могут создать электронно-позитронную пару или пару кварк-антикварк. А так как энергии очень много, ситуация остаётся равновесной: аннигилирует и превращается в фотоны столько же электрон-позитронных пар, сколько пар фотонов образует электроны и позитроны.

Не забудем, однако, о том, что в этот момент своей истории Вселенная по-прежнему расширялась и охлаждалась. Расширение непрерывно отбирало у фотонов их энергию, и их длины волн по мере старения Вселенной всё увеличивались. Что же творилось со всей материей?

Интересные вещи начали происходить, когда Вселенной было около 10–11 секунд, намного позже, чем закончился период инфляции. По окончании её Вселенная была залита энергией, точнее, «супом» из вещества, антивещества и высокоэнергетического излучения. Но к этому времени фотоны в сверхгорячем «супе» больше не обладали энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновениях создавались частицы. Поэтому равновесие Вселенной нарушилось. Больше не создавалось ни пар «электрон-позитрон», ни пар «кварк-антикварк». Но в смеси ещё оставались частицы как вещества, так и антивещества, и они по-прежнему могли сталкиваться, аннигилировать и создавать фотоны. Очень скоро все электроны столкнулись с позитронами и во мгновение ока преобразовались в фотоны. Пары кварк-антикварк так же быстро аннигилировали и дали ещё больше фотонов. Таким образом, как только Вселенная миновала критическую точку охлаждения, всё вещество уже оказалось преобразованным в излучение, и больше частиц во Вселенной не оставалось. После этого вещество во Вселенной и не должно было появляться.

Ясно, что это совсем не та Вселенная, в которой мы живём. В нашей вещество преобладает, а антивещество, похоже, встречается крайне редко. Оно иногда выделяется из радиоактивных материалов, образуется в экспериментах с элементарными частицами или испускается в ходе некоторых особенно экзотических процессов во Вселенной. Но доминирует, безусловно, вещество.

Мы уже упоминали космический микроволновой фон, излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Это излучение должно было появиться в результате аннигиляции частиц и античастиц. Если сосчитать количество фотонов в космическом микроволновом фоне, то на каждую частицу вещества – протонов и нейтронов во всех атомных ядрах – придётся около миллиарда таких фотонов.

Отсюда, по-видимому, должно следовать, что Вселенная была уже каким-то образом выведена из состояния равновесия прежде, чем произошла окончательная аннигиляция, – и, выходит, не состояла из идеально равных количеств вещества и антивещества, которые потом уничтожили бы друг друга. На каждый миллиард позитронов во Вселенной должно было приходиться одним электроном больше, и после завершения окончательной аннигиляци во Вселенной остались только эти электроны и фотоны. Такая же история должна была произойти с кварками и антикварками: после аннигиляции тоже остались только кварки и фотоны.

Все это довольно странно: физические законы выглядят идентичными или симметричными по отношению к веществу и антивеществу, и в них нет никаких указаний на то, что один из этих видов материи должен преобладать. Но доминирование вещества и отсутствие антивещества во Вселенной противоречит этому. Симметрия должна где-то нарушаться – но где? И может ли ответ на вопрос «почему во Вселенной есть вещество» сводиться к этому?