Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
В физике такое случается нередко. Вспомним, например, о теплороде, которому посвятили столько работ физики XVIII в. Сегодня каждый школьник знает, что тепло связано с движением молекул и атомов, и никакого теплорода не существует. Но когда о молекулярном строении вещества еще не было известно, теплород был очень удобным физическим образом для того, чтобы наглядно представлять себе механизм передачи тепла. С его помощью французский инженер Сади Карно открыл основные законы термодинамики. Наглядные модели типа теплорода, упругих силовых линий в электродинамике, летучего флогистона в химии и тому подобного — это своего рода леса вокруг строящегося здания теории. Время идет, и сослужившие свою службу модели и идеи становятся лишь достоянием истории.
Исключить из теории ненаблюдаемые отрицательные энергии удалось после того, как физики стали более глубоко понимать свойства вакуума. Сегодня нам известно, что вакуум — это не абсолютная пустота,
Вакуум в его современном понимании заменил менее точную и устаревшую «морскую» картину Дирака. В отличие от дираковского моря вакуум — наблюдаемый объект. Он взаимодействует с погруженными в него атомами и молекулами, он изменяет их свойства. О его собственных свойствах и особенностях пойдет речь в следующей главе.
А теперь самое время вернуться к исходному вопросу: если все физические законы, управляющие частицами и античастицами, совершенно одинаковы, как об этом свидетельствуют и эксперимент, и теория, то почему же тогда ни на Земле, ни в космосе мы не встречаем антивещества? Почему все атомы в окружающем нас мире устроены так, что их ядро непременно состоит протонов и нейтронов, а оболочка — из электронов?
Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны существовать и просто в природе? Разве невозможны целые планеты из антивещества, звезды, даже галактики? Где же находится этот антимир?
В 50-х годах многие физики и астрономы были убеждены, что вещество и антивещество распределены во Вселенной вперемежку: большие и малые острова и архипелаги, разделенные океаном космической пустоты. Так как по внешнему виду области, заполненные веществом и антивеществом, не отличаются ничем, некоторые ученые предполагали, что антимиры расположены совсем рядом — может быть, даже в соседних созвездиях. В нескольких странах, в том числе и в СССР, были разработаны специальные исследовательские программы по поиску следов аннигиляционного излучения от случайно залетевших в атмосферу нашей планеты «антиметеоритов» — оторвавшихся и блуждающих в пространстве кусочков антивещества. На автоматических шарах-зондах и высотных самолетах в стратосферу поднимались чувствительные детекторы излучений. Специальные телескопы-спектрографы тщательно анализировали яркие вспышки метеоров в ночном небе.
К сожалению, эта теория не подтвердилась. Самые тщательные поиски аннигиляционного излучения, которое должно было бы рождаться в космосе на границе зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц, не привели к успеху. Ни разу не удалось обнаружить следов аннигиляции и в спектрах излучения сгоревших метеоритов. Дал отрицательные результаты, наконец, и анализ состава космических лучей. Эти лучи на 96 процентов состоят из протонов, остальное — альфа-частицы и немного ядер тяжелых элементов. Если бы острова вещества и антивещества были распределены в космосе более или менее равномерно, то в космических лучах должна была быть значительная примесь антипротонов и антиядер. Правда, очень небольшое число антипротонов (сотые доли процента) все-таки было там замечено, но расчеты показывают, что они образовались в ядерных реакциях при столкновениях высокоэнергетических протонов и ядер с веществом межзвездной пыли и газа.
Можно, конечно, предположить, что Вселенная лишь в целом сбалансирована по числу частиц и античастиц, а в пространственном отношении она неоднородна, и антимиры существуют и находятся где-то далеко — за пределами видимости наших приборов. А коли так, то открытие антимиров — лишь вопрос времени.
В пользу этой гипотезы, казалось бы, говорят и данные космологии. Когда 15—20 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, разлетевшееся во все стороны правещество было не только сверхплотным, но и чрезвычайно раскаленным. Что происходило в первые мгновения этого взрыва, нам трудно даже себе представить. Однако когда аморфное вещество расширилось и несколько остыло, из него стали выделяться частицы — сначала очень тяжелые, для рождения которых требуется много энергии, а потом все более и более легкие. Вселенная стала своеобразным «кварковым супом», где кварки, антикварки и окружающий их глюонный бульон слипались в адроны и тут же под действием огромных температур снова распадались. А когда плотность вещества снизилась до уровня атомных ядер образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось всего через одну десятитысячную долю секунды после начала Большого взрыва. Диаметр Вселенной не превышал в то время 30 километров. Большая часть образовавшегося тогда вещества сгорела в пламени аннигиляционных процессов и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное
Остается, однако, загадкой, каким образом в бурном океане Биг Бэнга могли образоваться и удерживаться обширные неоднородности с «перекосом» в сторону вещества (или антивещества). Не так давно была выдвинута гипотеза о том, что образование неоднородностей связано с микроскопическими черными дырами. Гравитационная энергия этих дыр интенсивно переходит в энергию испускаемых, «разбрызгиваемых» потоков частиц и античастиц, а это означает, что каждая из них является мощной фабрикой антивещества. Расчет показывает, что если черная дыра вращается, то частицы и античастицы должны разлетаться в противоположных направлениях. Не будем пока объяснять, почему так происходит; поверим теории. Заметим только, что это связано с асимметрией микропроцессов по отношению к правому и левому. Для нас сейчас важен сам факт асимметричного вылета частиц и античастиц. Он-то и создает условия для пространственного разделения вещества и антивещества. На современном этапе эволюции Вселенной микроскопических черных дыр, видимо, недостаточно для того, чтобы вырабатывать значительное количество антивещества. Но на ранних стадиях, когда плотность расширяющегося сгустка материи была очень велика, достаточно было небольшого случайного ее увеличения, чтобы произошло замыкание в черную дыру. Выработка антивещества тогда совершалась в огромных масштабах, причем тут же происходило разделение частиц и античастиц. Тогда-то и могли образоваться разделенные зоны вещества и антивещества.
Могли — если только не было какого-то дополнительного перемешивания. А это опять предположение, которое требует обоснования. И по-прежнему остается загадкой «перекос» Вселенной в сторону вещества. Почему его больше? Как могло случиться, что частицы рождались чаще античастиц, если они всегда появляются парами?
Вспомним теорию «великого объединения», которая предсказывает распад протона. Такой же радиоактивной частицей является и антипротон. Время их жизни фантастически велико — в миллиард триллионов раз больше нынешнего возраста самой Вселенной. Однако так было не всегда. В первые доли секунды после Большого взрыва, чрезвычайно высокая температура вещества способствовала распадам частиц и античастиц. Они быстро распадались и так же быстро восстанавливались. Существовало равновесие. Но температура снижалась, восстановление все больше отставало от распада, и число тяжелых частиц уменьшалось. Правда, одновременно снижалась и скорость распадов, поэтому мало-помалу снова установилось равновесие — на уровне, близком к современному.
И вот теперь мы подходим к самому главному. Оказывается, скорость накопления вещества и антивещества во взорвавшемся сгустке первичной материи были различны. И это приводило к тому, что, охлаждаясь, Вселенная становилась асимметричной по содержанию в ней вещества и антивещества. Частиц в среднем рождалось несколько больше, чем античастиц.
Хотя сами по себе, по своим свойствам частицы и античастицы симметричны, некоторое различие между ними все же есть. Они чуть-чуть различаются по особенностям своих распадов. Лет 20 назад американские физики наблюдали распад странных частиц, К-мезонов, который указывал на несколько различное поведение частиц и античастиц. Правда, распады с нарушенной симметрией происходят крайне редко и только у К-мезонов, во всех других случаях частицы и античастицы ведут себя совершенно одинаково. Идея о том, что симметрия частиц и античастиц должна сильно нарушаться в условиях сверхвысоких температур и давлений, пока чисто теоретическая. Она следует из моделей «великого объединения», которые предсказывают небольшой перевес вещества над антивеществом. Когда спустя много времени после Большого взрыва установилось равновесие, все частицы аннигилировали — превратились в нейтрино и электромагнитное излучение. Осталась лишь небольшая часть некомпенсированного античастицами вещества. Но из этой части и образовались все атомы нашей Вселенной.
Если такая картина верна, то антимиров просто нет — они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции. В крайнем случае отдельные острова антивещества могли уцелеть где-нибудь на краешке Вселенной, среди других осколков Большого взрыва. Что вероятнее? Скорее всего, первый вариант: у Вселенной нет частей, состоящих из антивещества. Жаль, конечно расставаться с красивой мечтой о зарядовом зазеркалье, об антимире, отделенном от нас стеной аннигиляционного огня, но и теория, и опыт говорят за то, что античастицы в современном мире — лишь редкие гости, рождающиеся в ядерных реакциях.