Вселенная вместо ничто

Красивый вопрос о том, почему вообще все существует, будто бы относится к разряду философских — но это, в определенном смысле, дело формулировок. Физики же вместо того, чтобы вопрошать о том, «почему вообще есть сущее, а не наоборот, ничто», предпочитают использовать словосочетание «барионная асимметрия», за которым стоит заметное преобладание вещества над антивеществом в видимой части Вселенной. Одна из ключевых статей, посвященная этому вопросу, принадлежит Андрею Сахарову, имя которого обычно ассоциируется совсем с другими вещами: правозащитной деятельностью и созданием водородной бомбы. В этом материале мы попробуем объяснить, в чем была суть этой работы и почему ее считают значимой, а какие последствия она имела для космологии и физики элементарных частиц, мы попросили прокомментировать физика Валерия Рубакова.

Попробуем теперь аккуратнее разобраться с отдельными словами. Барионы — это семейство тяжелых элементарных частиц, к которому, в частности, относятся протоны и нейтроны. Все барионы состоят из трех кварков, они участвуют в сильном взаимодействии и именно из них состоят атомные ядра.

Второй вопрос — о какой асимметрии мы тут говорим. Барион, как и любая квантовая частица, описывается набором числовых квантовых параметров, которые полностью характеризуют его физические свойства. В данном контексте наиболее важный из них — это так называемый барионный заряд — квантовая характеристика, которая определяется через число кварков и антикварков в системе. Именно знак барионного заряда кварков (плюс) отличает вещество от антивещества (у него знак барионного заряда — минус). Если бы частиц с противоположными знаками заряда во Вселенной было поровну, то вещества было бы ровно столько же, сколько и антивещества. В этом случае они бы проаннигилировали, и Вселенная действительно превратилась бы в ничто. Но почему-то Вселенная развивалась так, что вещества в ней сейчас значительно больше, чем антивещества (подробнее о нем вы можете прочитать в нашем материале «C точностью до наоборот»).

Если мы проведем над частицей операцию зарядового сопряжения (то есть поменяем знак заряда на противоположный), превратив тем самым вещество в антивещество, и она после этого будет подчиняться тем же законам физики, что и до преобразования, то ее в таком случае называют C-симметричной. Такое свойство характерно для электромагнитного и сильного взаимодействия элементарных частиц. Аналогичные преобразования можно провести не только с зарядом, но и с другими категориями: если физические законы, действующие на систему, продолжат выполняться после зеркальной инверсии пространства, это мы будем называть P-симметрией (или симметрией относительно «четности» системы), а такое же сохранение законов после обращения времени вспять — Т-симметрией.

При этом зеркалить таким образом физическую систему можно и относительно нескольких категорий одновременно: тогда мы будем говорить о CP-, TP- или CPT-симметрии. Выполнение симметрии приводит к инвариантности физической системы относительно выбранных категорий (этот термин нам тоже понадобится позже).

Кроме барионов, нам для разговора о том, почему материя в нашей Вселенной вообще существует, понадобится еще несколько элементарных частиц: лептоны (электрически заряженные легкие частицы с полуцелым спином, которые не участвуют в сильном взаимодействии, — это отрицательно заряженные электроны и менее стабильные мюоны, — а также нейтрино — незаряженные легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии) и их античастицы.

Почему Вселенная

В 1964 году Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсдон Фитч показали, что в мироздании действительно есть «трещинка для сущего», и в некоторых случаях слабого взаимодействия CP-инвариантность может нарушаться (в 1980 году за это открытие им присудили Нобелевскую премию). Поскольку для электромагнитного и сильного взаимодействий CP-инвариантность выполняется всегда, то почему она может не выполняться для слабого, было непонятно. Не до конца понятными были и последствия этого нарушения для космологических теорий и теорий взаимодействия элементарных частиц.

Во-вторых, тогда уже казалось очевидным, что антивещества во Вселенной практически нет. В какой момент развития Вселенной вещество выиграло у антивещества? И почему? Казалось бы, частицы не имеют какого-то преимущества перед античастицами по набору своих характеристик и наоборот. Поэтому в момент образования современной Вселенной их должно было быть поровну. Однако очевидно, что по какой-то причине равновесие сместилось в сторону обычного вещества — иначе бы Вселенная в ее современной форме просто не образовалась.

Именно работа Сахарова стала первой, где вопрос о причинах возникновения этой асимметрии был поставлен явным образом.

Одна из сложностей при объяснении этого явления — фантастическая устойчивость протонов. По современным экспериментальным данным, время жизни протона в нынешних условиях составляет не меньше, чем 10³³ лет — это хотя и не вечность, но на много порядков больше возраста самой Вселенной.

Стабильность протона как раз и объясняется сохранением барионного заряда (или, что то же самое, барионного числа) во всех наблюдаемых физических процессах. Согласно современным представлениям, это число остается постоянным для всех типов взаимодействий, а чтобы барионная асимметрия возникла — оно должно перестать сохраняться. Какие условия и причины для этого нужны — абсолютно непонятно.

Условия Сахарова

Частицы, из которых сейчас состоят атомные ядра, фантастически стабильны — и значит, асимметрия между веществом и антивеществом не могла медленно развиваться при взрослении Вселенной. То есть она либо заложена в каких-то фундаментальных принципах, по которым Вселенная построена, либо стала результатом какого-то процесса в условиях сильной неустойчивости в «младенчестве» Вселенной, когда энергии были совсем другие.

Сахаров выбрал сочетание этих двух идей и описал сценарий, в котором барионная асимметрия рождается в условиях очень ранней Вселенной из-за нарушения CP-симметрии. Очень высокие температура и плотность частиц принципиальным образом изменили механизм взаимодействия барионов между собой и фактически включили в игру какие-то новые взаимодействия.

В первой части статьи ученый сформулировал три базовых правила, выполнение которых необходимо, чтобы материи во Вселенной оказалось больше, чем антиматерии. Сегодня их называют условиями Сахарова.

Условие #1. Барионное число в этой Вселенной должно изменяться.

Сахаров предположил, что «вечные» в наше время протоны могли распадаться при расширении горячей Вселенной, которое происходило нестационарно (то есть его динамика со временем менялась). В таких условиях кварки в составе протонов могли превращаться в мюоны — ученый счел, что это происходило по механизму трехбозонного взаимодействия (то есть кроме кварка и мюона в реакции должен участвовать еще один бозон) — соответственно, барионное число во Вселенной менялось.

По оценкам Сахарова, заметная сила у этого взаимодействия может быть только на сверхплотной стадии Вселенной — когда плотность частиц составляет примерно 10⁹⁸ частиц в одном кубическом сантиметре и бозоны находятся очень близко друг к другу (например сейчас на поверхности Земли плотность частиц примерно на 77 порядков ниже).

Условие #2. C- и CP-инвариантность в этой Вселенной должны нарушаться.

Чтобы возникла барионная асимметрия, необходимо то или иное нарушение инвариантности относительно инверсии заряда элементарных частиц. Про нарушение P-симметрии (относительно четности) для слабого взаимодействия было известно довольно давно, но этот эффект пространственный и решить проблему, связанную с барионным зарядом, не очень помогает. А вот открытое Кронином и Фитчем нарушение CP-инвариантности вводит в игру и заряд. Еще одним подтверждением возможности такого нарушения для Сахарова стала теоретическая работа Сусумо Окубо 1958 года, в которой описывался распад сигма-гиперонов.

И именно нарушение CP-инвариантности приводит к возникновению C-асимметрии, которую ученый даже оценил качественно, предположив, что для нейтрино она должна составлять от 10^-10 до 10^-8.

Условие #3. Во Вселенной во время генерации барионной асимметрии не должно быть теплового равновесия.

Третье условие Сахарова — отсутствие теплового равновесия на сверхплотной стадии расширения горячей Вселенной (то есть присутствие нестационарных процессов). К нему приводит распад тяжелых частиц, и в результате нестационарность становится причиной движения в сторону асимметрии, а не наоборот, как было бы в условиях стационарности.

Эти условия оказались сформулированы очень точно: затем они подтвердились многочисленными теоретическими работами. И заметно повлияли на дальнейшее развитие как космологических теорий, так и теорий взаимодействия элементарных частиц.

Полвека спустя

Не все идеи Сахарова, изложенные им для журнала «Письма в ЖЭТФ», сохранили актуальность. Трехчастичный механизм распада барионов с обязательным превращением бозона в мюон, который предложил ученый, оказался, видимо, не совсем точным: сейчас более вероятным считаются другие механизмы. А некоторые рассуждения Сахарова не опровергались, но потеряли со временем свою актуальность. В частности, идея связать нарушение термодинамического равновесия в ранней Вселенной с образованием максимонов — квазичастиц с максимально возможной массой — развития не получила, и к данному моменту нашлись более правдоподобные гипотезы.

Как и любая научная статья, работа Сахарова по барионной асимметрии не могла иметь такого резонанса, как его общественная деятельность или работа над водородной бомбой. Не было у нее и какой-то явной прикладной ценности, как у его работ по исследованию плазмы и управляемого термоядерного синтеза. Возможно, даже ее фундаментальную значимость оценили не все и не сразу. Однако с развитием Стандартной модели и созданием теорий Великого объединения, связывающих между собой теории электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий, появились достоверные теории, допускающие нарушение барионного числа. Это произошло примерно через восемь лет после публикации статьи. Тогда на нее (как и на независимо проведенную работу Вадима Кузьмина 1970-го года) обратили внимание. Так сформулированные ученым тезисы оказали заметное влияние на космологические теории.

В условиях обычной физики — той, которую мы наблюдаем во Вселенной сейчас, процессы с нарушением барионного числа просто невозможны. Оно сохраняется всегда с очень высокой точностью. А условия, которые, согласно теоретическим предсказаниям, могли бы привести к нарушению этого правила, пока реализовать на Земле не удается. Для экспериментальной проверки этих гипотез нужны такие энергии столкновения частиц, такие массы этих частиц и такие температуры, которые намного выше доступных сейчас на современных коллайдерах.