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

на миллиард.

Такие виды асимметрии играли роль не только в ранней Вселенной. Они есть и сегодня. Несовершенство проявляется, например, в результатах экспериментов в физике частиц, когда симметрия почти идеальна, но всё же не совсем. Значит, величины, которые мы считали сохраняющимися во Вселенной, на деле не таковы! Немного ниже мы ещё познакомимся с призрачным нейтрино, частицей, которая почти не взаимодействует с другими частицами. Так вот, эксперименты показали, что эта частица нарушает один из фундаментальных законов Вселенной: закон чётности.

Чтобы уяснить смысл чётности, представьте, что вы смотрите очень старый фильм в очень старом кинотеатре. Откуда вы знаете, не показывает ли вам подвыпивший киномеханик плёнку, заправленную не той стороной, так, что вы видите зеркальное изображение? Если на экране бытовая драма, вы быстро заметите разницу по необычно большому числу левшей среди персонажей или по мелькнувшему в кадре написанному тексту. Асимметрия внутренне присуща человеческой цивилизации.

Ну, а если вы смотрите на какой-нибудь пейзаж, на кувыркающихся в океане китов, на орла, парящего над вершинами гор? Тогда вам будет гораздо труднее решить, какой стороной киномеханик заправил плёнку. Разве что вы знаток китов или орлов и что-то в их движениях покажется вам странным. Но виды гор или океанских просторов уж точно будут выглядеть в зеркальном изображении совершенно так же, как и в обычном. Это относится и к законам физики. Любое взаимодействие – то, что происходит, например, когда электрон отскакивает от другого электрона под воздействием электромагнитной силы, – выглядит физически одинаковым в обычном и зеркальном мире. То же самое верно и для гравитации, и для сильного ядерного взаимодействия – но, что интересно, не для последней из сил, силы слабого взаимодействия.

Нарушение квантового закона

Нейтрино – призрачная частица, полностью нейтральная и практически безмассовая. Её взаимодействия с веществом могут быть измерены только силами гравитации и слабого взаимодействия. В 1950-х учёные увидели: реакции с участием нейтрино и слабого взаимодействия не воспроизводятся при переходе в зеркальный мир. В 1956 году физики Ли Цундао и Ян Чэньнин предположили, что «зазеркальных» реакций с участием нейтрино в реальной Вселенной просто-напросто не бывает. Вскоре после этого физик-экспериментатор У Чэньшун доказала: это действительно так! В её эксперименте при радиоактивном распаде кобальта нейтрино вылетало в противоположном электрону направлении[29] и исчезало, но электроны У регистрировала. Если бы чётность сохранялась, при большом количестве атомов кобальта электроны рассеивались равномерно по всем направлениям. Но У в своём эксперименте регистрировала электроны, вылетающие только в одну сторону. В нашей Вселенной чётность явно не соблюдалась! Для научного сообщества это стало настоящим шоком: все были уверены, что настоящая Вселенная и Вселенная в зазеркалье полностью симметричны. В математические формулы пришлось внести некоторые изменения.

Симметрия других взаимодействий – гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия, действующего в глубине атомов, – осталась нетронутой: все они оказались идеально математически симметричны. Яркий пример этого – сохранение электрического заряда при электромагнитных взаимодействиях. Мы никогда не наблюдали взаимодействия, при котором изменялся бы полный заряд системы. Учёные придирчиво следили за этим, но ни единой трещинки в здании симметрии не нашли.

Мы не понимаем, почему одни физические законы идеально симметричны, а другие асимметричны. Не знаем ни от чего зависит масштаб нарушений симметрии, ни почему в ранней Вселенной количество частиц вещества превышало число частиц антивещества в пропорции одна частица на миллиард. Почему не одна частица на сто, не одна частица на сто триллионов? И в том, и в другом случае Вселенная в результате была бы абсолютно иной: в ней было бы гораздо больше или меньше вещества, чем мы сейчас видим. Здесь есть о чём задуматься. Выходит, без космического несовершенства нас вообще бы здесь не было.

Откуда взялись химические элементы?

Химические элементы – «строительные кирпичики» Вселенной, 92 природных плюс ещё пара десятков сверхтяжёлых, созданных в лабораториях. Средний человек примерно на 70 процентов состоит из воды, а та складывается из бесчисленного количества одинаковых молекул, в каждой из которых два атома водорода и один атом кислорода, связанных воедино электромагнитной силой. Но, чтобы получился человек, требуется гораздо больше элементов: углерод, сера, фосфор… Они связываются между собой, образуя мириады различных молекулярных структур. Мы уже знаем, что ранняя Вселенная была, в сущности, горячим «супом» из фундаментальных частиц – кварков, электронов и фотонов. Так откуда же взялись все эти многочисленные элементы, необходимые для создания человека?

Вернёмся опять на самые ранние стадии существования Вселенной – спустя миллионную долю секунды после её начала, когда температуры были ещё невероятно высокими. В какой-то момент стало, наконец, достаточно холодно, чтобы кварки начали комбинироваться друг с другом. Есть разные виды кварков, всего их шесть, каждый – с немного отличающимися свойствами. Физики дали им забавные имена, например, странный, очарованный, истинный и прелестный, но для обычного вещества Вселенной, включая то, из которого сделаны мы, имеют значение только два самых лёгких вида кварков – верхний и нижний. Чтобы получился протон, надо взять два верхних кварка и нижний – и склеить вместе. Два нижних кварка и верхний дают нейтрон. А склеивает кварки друг с другом сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие играет ключевую роль в нашем обсуждении происхождения элементов, поэтому давайте поговорим о нём подробнее. Современная концепция атома появилась в 1911 году, когда Эрнест Резерфорд показал, что весь его положительный заряд сосредоточен в крохотной области пространства – атомном ядре.[30] Ядро оказалось в 1000 раз меньше, чем размер орбит электронов. Большая часть атома занята пустым пространством!

Атомное ядро состоит из смеси двух видов нуклонов: электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Протоны тесно упакованы в мельчайшем объёме ядра, а это значит, что электромагнитное отталкивание между ними должно быть огромным. Какая же сила мешает атомным ядрам разлетаться в разные стороны? Эта сила должна быть гораздо больше электромагнитной! Физики назвали её попросту сильным взаимодействием.

Природа сильного взаимодействия довольно сложна. В соответствии со стандартной моделью физики частиц, которая предлагает что-то вроде набора рецептов взаимодействий между фундаментальными частицами с указанием действующих при этом сил, сильное взаимодействие связывает не сами протоны и нейтроны, а составляющие их кварки. Каждый кварк испытывает такое взаимодействие в результате обмена особыми частицами – глюонами, которые как раз и склеивают («клей» по-английски «glue») кварки друг с другом. Три кварка, находящиеся внутри каждого протона и нейтрона, в бешеном темпе обмениваются глюонами, которые тесно скрепляют их.

Каким же образом сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре? Когда протоны и нейтроны оказываются достаточно близко, кварки в одном нуклоне «чувствуют» присутствие кварков в другом – и тоже начинают обмениваться глюонами. Получается, сильное взаимодействие, связывающее ядро в