Борис Штерн - Прорыв за край мира

Б. Ш.:Ну, давай предположим, что все-таки великое объединение есть, тем более, что оно нам дальше потребуется для конкретизации понятий. Значит, где-то при температуре 10 16ГэВ и времени от Начала 10 -36с был еще один фазовый переход, ну или кроссовер, бог с ним. При этом- изменилась физика: сильные взаимодействия стали резко отличаться от электрослабых. Мой главный вопрос вот в чем. «Электрослабый» фазовый переход имел предопределенное конечное состояние — бозон Хиггса один. А при великом объединении тоже всё было предопределено или физика в конечном состоянии могла оказаться разной, как направление намагниченности домена ферромагнетика?

В. Р.:Там требуется несколько скалярных полей и, возможно, есть вырождение по их комбинации. Поэтому вполне возможно, что там действительно какие-то симметрии нарушаются недетерминированным образом, и некоторые константы и массы оказываются случайными.

Б. Ш.:А не могло ли произойти еще что-то интересное выше, т.е. раньше великого объединения?

В. Р.:Там уже до планковского масштаба осталось всего три порядка. Так что вряд ли.

Что такое CP-инвариантность и ее нарушение

(ТрВ № 79, 4 мая 2011 года, В. Рубаков, Б. Штерн, http://trv-science.ru/2011/07/19/masshtabnaya-linejka-vselennoj/)

Допустим, физики двух удаленных миров во Вселенной связались друг с другом по некому мгновенному каналу связи (в рамках этого мысленного эксперимента махнем рукой на специальную теорию относительности) и научились понимать друг друга. Одни спрашивают: что такое левая резьба в вашей документации? Тут нельзя обойтись изображением, переданным по каналу связи, поскольку всё равно встанет вопрос, как разворачивать картинку: слева направо, но как объяснить, что такое левое и правое? Оказывается, физикам объяснить можно:

Возьмите обмотку с током и такой-то радиоактивный изотоп. Ядра в магнитном поле, создаваемым обмоткой, будут поляризованы. Смотрите, в какую сторону полетит больше электронов от бета-распада ядер. Направьте отвертку в этом направлении и вращайте ее в ту сторону, куда текут электроны в вашей обмотке. При этом отвертка будет завинчивать болт с левой резьбой.

Такое объяснение возможно потому, что в мире на уровне законов физики нарушена симметрия между правым и левым. Это нарушение невелико, поэтому для объяснения пришлось привлекать довольно тонкие эффекты. Такая симметрия называется Р-инвариантностью. На таком же уровне нарушена симметрия между миром и антимиром, которая называется зарядовой, или С-инвариантностью. В антимире позитроны полетят в противоположном направлении, и отвертка антифизиков в таком случае будет закручивать правый болт. Поэтому, если физики двух миров не уверены, что они не в антимирах по отношению друг к другу, то вышеизложенная инструкция не работает.

Такая асимметрия между миром и антимиром достаточно тривиальна и компенсируется заменой правого на левое. Понятно, что если отличие только в этом, то никакого перекоса между барионами и антибарионами в ранней Вселенной не получить. Если мир и антимир одинаковы при замене правого на левое, то это называется CP-инвариантностью. Было время, когда считалось, что СР-инвариантность выполняется точно. Но в первой половине 1960-х было экспериментально обнаружено нарушение CP-симметрии. А это уже более существенное различие между миром и антимиром, хотя и выраженное очень слабо.

В свете нарушения CP-инвариантности физики разных миров уже могут понять, одинаковы или противоположны их миры в зарядовом отношении. Соответствующая инструкция может выглядеть следующим образом:

Возьмите нейтральные долгоживущие К-мезоны. Они могут распадаться на три частицы, одна из которых-либо электрон, либо позитрон (а две другие — заряженный π-мезон и антинейтрино или нейтрино). Мы, земляне, называем позитроном такую частицу, которая чаще рождается в этих распадах. Если ваши атомы содержат позитроны, то вы сделаны из антивещества. Встреча с вами нам противопоказана!

Проблема барионной асимметрии Вселенной

Среди космологических фактов есть два, касающихся барионов (протонов с нейтронами) и требующих объяснения.

1. Во Вселенной есть барионы и практически нетантибарионов.

2. Число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз больше числа кварков, составляющих протоны и нейтроны. При огромных температурах в ранней Вселенной происходило интенсивное рождение и уничтожение кварк-антикварковых пар, и количество кварков и антикварков было примерно равным количеству фотонов. Кварки рождались и уничтожались в парах с антикварками, поэтому на каждый миллиард кварк-антикварковых пар приходился один «лишний» кварк. При остывании Вселенной кварки проаннигилировали с антикварками, а лишний кварк себе пары не нашел и дожил до наших дней. Вопрос: как получилось, что во Вселенной появилось такое неравенство между кварками и антикварками — очень маленькое, но крайне важное для нашего с вами существования?

Эту проблему впервые поставил А.Д. Сахаров в работе 1967 года. Там же он сформулировал необходимые условия для того, чтобы такой перекос смог образоваться:

1. Барионное число, то есть разность между числом кварков и антикварков должно нарушаться (как следствие, протон должен распадаться, хотя и за огромное время), кварки не всегда рождаются в паре с антикварками. Экспериментально такое нарушение не зарегистрировано, но нет никаких глубоких причин, почему его не может быть. В случае электрического заряда закон его сохранения связан с безмассовостью фотона.

2. Должна нарушаться СР-инвариантность (см. врезку выше).

3. При образовании перекоса Вселенная должна временно выйти из состояния термодинамического равновесия.

Общепринятого конкретного сценария образования барионной асимметрии до сих пор нет, хотя разработан ряд возможных моделей.

После открытия конечной толщины льда и шарообразности Мира космология европиан стала более самосогласованной. Всё очевидным образом решилось с силой тяготения: она универсальна, направлена к центру Мира, действует и на воду, и на лёд, держит Мир единым — скрепляет его от разлета в окружающую пустоту. А также создает огромное давление среды и выталкивающую силу, действующую в воде. Благодаря экспериментам в вакуумных камерах, их теория тяготения была доведена до состояния, тождественного нашей ньютоновской теории гравитации.

Вместе с тем стало ясно, что картина мира катастрофически неполна. Что там, в пустоте за ледяным панцирем? Если нет ничего, и Мир является единственной сущностью, то почему он вращается? Ведь вращение говорит о какой-то вторичности, о том, что Мир не есть центр всего сущего. Так что же там?