Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

3. Темная материя доминирует в галактиках. То, когда и как сформировались галактики, то, как они собираются в скопления, очевидным образом зависит от того, из чего состоит их гравитационная доминанта и как она ведет себя при расширении Вселенной. Мы можем строить различные предположения по поводу темной материи, рассчитывать результаты каждого из них и смотреть, что лучше подходит к тому, что мы наблюдаем. Такие расчеты (которые будут описаны в главе 8) могут дать непрямые подсказки к разгадке того, чем же все-таки является темная материя.

Пока что мы не знаем ни о том, какие частицы могли существовать на самых первых стадиях развития Вселенной, ни о том, сколько из них могли пережить эти стадии. Если, как я считаю, главный вклад в значение числа Ω вносят новые виды частиц, наша космическая непритязательность продвинется еще на шаг вперед. Мы привыкли к укоренившейся после Коперника мысли о том, что не занимаем особого, центрального места в космосе, но теперь нам также следует отвергнуть и «шовинизм частиц». Атомы, из которых состоят наши тела, и все видимые звезды и галактики являются просто вторичным материалом во Вселенной, где структуры большого масштаба управляются какими-то совсем иными (и невидимыми) субстанциями. Мы видим, что называется, всего лишь пену на гребнях волн, а не сами огромные волны. Мы должны допустить возможность того, что нашим космическим соседом окажется тьма, состоящая из практически неизвестного материала.

Обычные атомы, по всей видимости, составляют во Вселенной «меньшинство». Их окружают рои частиц различных видов, переживших первые мгновения Большого взрыва. Но куда более загадочным является вопрос: почему вообще есть какие-то атомы – почему наша Вселенная не состоит исключительно из темной материи?

Для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Есть протоны (состоящие из трех кварков) и антипротоны (состоящие из трех антикварков). Противоположностью электрона является позитрон. Античастицы аннигилируют при встрече с обычными частицами, и их энергия (mc 2) превращается в излучение. Никакая антиматерия не существует в больших количествах ни внутри Земли, ни на поверхности. Крупицы ее могут быть получены в ускорителях, где частицы разбиваются друг о друга с энергией, достаточной для создания дополнительных пар частиц и античастиц. Антивещество было бы идеальным топливом для ракет. Когда оно аннигилирует, вся его энергия массы покоя высвобождается, в отличие от малой доли ε = 0,007 для ракет, приводимых в движение термоядерной реакцией. Антивещество должно быть спрятано от обычной материи, иначе оно выдаст себя мощным гамма-излучением при аннигиляции. Мы можем быть уверены, что вся наша Галактика – все ее звезды и газ – состоит из вещества, а не из антивещества. Ее содержимое постоянно перемешивается и перерабатывается при рождении и смерти звезд, и если бы вначале половину ее составляла материя, а вторую – антиматерия, то сейчас не осталось бы ничего. Но в более крупных масштабах это сочетание может быть другим: например, мы не можем опровергнуть предположение о том, что сверхскопления галактик состоят вперемежку из вещества и антивещества. Тогда почему существует видимое смещение в сторону одного вида материи?

В наблюдаемой нами Вселенной содержится 10 78атомов (в основном это атомы водорода, каждый из которых состоит из протона и электрона), но антиатомов в ней, по всей видимости, не так много. Самая простая вселенная, какую только можно представить, начнется с частиц и античастиц, перемешанных в равной пропорции. К счастью, наша Вселенная не такая, иначе все протоны аннигилировали бы с антипротонами на первых стадиях, когда плотность была высока. Все бы закончилось большим количеством излучения и темной материи, но ни атомы, ни звезды, ни галактики не появились.

Почему возникает такая асимметрия? Целых 10 78«лишних» атомов могли быть здесь с самого начала, но такое количество кажется неестественно огромным, чтобы его можно было принять просто как часть «первоначальных условий». Русский физик Андрей Дмитриевич Сахаров, известный своей ролью в создании водородной бомбы, а в последние годы существования СССР как диссидент, привнес некоторые провидческие идеи в космологию. В 1967 г. он задумался, могла ли небольшая асимметрия, возникшая сразу после Большого взрыва, «отдать предпочтение» частицам перед античастицами. Это неравновесие могло создать небольшой излишек кварков по сравнению с антикварками (что в итоге вылилось в перевес протонов по сравнению с антипротонами).

Идея Сахарова явно требует некоторого отклонения от идеальной симметрии между веществом и антивеществом. Доказательство такого явления нашли в 1964 г. два американских физика – Джеймс Кронин и Вал Фитч, что стало удивительным событием в то время. Они изучали распад нестабильных частиц, которые называются К-мезонами. Ученые обнаружили, что эта частица и ее античастица не являются идеальными зеркальными отражениями друг друга, но распадаются с небольшим расхождением в скорости. (Это означает, что, если мы случайно установим контакт с инопланетными физиками, которые смогут рассказать нам об экспериментах, проведенных в другой галактике, мы сможем сказать, состоят ли они из материи или антиматерии, – было бы очень осмотрительно это уточнить, прежде чем планировать встречу!) Распад К-мезонов затрагивает только так называемое «слабое взаимодействие» (которое управляет радиоактивностью и нейтрино), а не сильное ядерное взаимодействие. Тем не менее в объединенной теории взаимодействий этот тип асимметрии поставил одну силу над другой, подведя основу под идею Сахарова.

Предположим, что для каждой из 10 9пар «кварк – антикварк» такая асимметрия добавляет один лишний кварк. Во время охлаждения Вселенной антикварки будут аннигилировать с кварками, испуская кванты излучения. Теперь оно, остыв до очень низких температур, объясняет 2,7-градусное фоновое излучение, заполняющее межгалактическое пространство. Но на каждый миллиард кварков, которые аннигилировали с антикварками, один остался, потому что не нашел себе пары для аннигиляции. Во Вселенной в самом деле более чем в 1 млрд раз больше квантов излучения (фотонов), чем протонов (на 1 м 3приходится 412 млн фотонов и 0,2 протона), и все существующие во Вселенной атомы могли остаться в результате крошечного перевеса вещества над антивеществом. Возможно, мы и вся видимая Вселенная вокруг нас существуем только благодаря разнице в девятом знаке между количеством кварков и антикварков.

Наша Вселенная содержит атомы, а не антиатомы, из-за крошечного «преимущества», которое существовало на очень ранней стадии ее развития. Это, конечно, подразумевает, что протоны (или составляющие их кварки) могут иногда появляться или исчезать без того, чтобы то же самое происходило с антипротонами. Здесь все происходит не так, как в результирующем электрическом заряде: там соотношение сохраняется точно , поэтому если Вселенная вдруг начнет разряжаться, то всегда будет сохраняться равенство положительных и отрицательных зарядов.