Страница:
Характер вещества во Вселенной на этой стадии резко отличался от всего, что нам удается непосредственно наблюдать. При столь высокой плотности адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты. Вещество представляло собой « кварковую жидкость», в которой кварки двигались более или менее независимо. Кроме того, при этих энергиях не было никакого различия между слабым и электромагнитным взаимодействиями, а природа кварков и лептонов проявлялась весьма своеобразно. Такие известные нам частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде. Свойства фотонов, а также W- и Z-частиц оказались безнадежно перемешанными. Если бы нам удалось сдвинуться вспять во времени вплоть до этого момента, то нам предстало бы совершенно неизвестное состояние материи, когда частицы еще не приобрели той формы, к которой привыкли специалисты в области физики элементарных частиц.
Ключ к пониманию природы этой странной высокотемпературной фазы материи лежит в нарушении симметрии. В гл. 8 было показано, каким образом спонтанное нарушение калибровочной симметрии может наделить частицы массой и создать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Существует общее правило природы, согласно которому высокие температуры стремятся восстановить симметрию. Хорошим примером проявления этого правила могут служить две фазы воды — жидкая и твердая (лед). В кристалле льда обнаруживаются выделенные направления — направления вдоль ребер кристаллической решетки. При таянии льда кристаллическая структура разрушается. У возникшей вместо кусочка льда капли воды уже нет никаких выделенных направлений в пространстве — она симметрична. Таким образом, повышение температуры привело к восстановлению изначальной пространственной симметрии, которая была спонтанно нарушена у кристалла льда. При увеличении температуры до 10^16 К происходит фазовый переход, аналогичный переходу лед-вода. Однако в этом случае восстанавливается калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия.
Как видим, картина Вселенной в момент, соответствующий 1пс , весьма примечательна. Вселенная заполнена таинственной жидкостью, в последующие времена уже нигде не встречающейся, и населена неведомыми нам частицами. Однако вещество не может продолжительно существовать в столь странной фазе. Падение температуры вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Столь же внезапно возникают и известные нам частицы — электроны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы. Калибровочная симметрия нарушена, а электромагнитное взаимодействие отделилось от слабого .
Если проследить за дальнейшей эволюцией космического вещества, то мы станем свидетелями еще одного фазового перехода, который произойдет спустя 1 мс (миллисекунда) после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся кварков внезапно конденсируется, образуя адроны с вполне определенными свойствами. В этом море частиц можно различить отдельные протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы, в которых кварки объединены в четкие группы — попарно или по три. По мере дальнейшего падения температуры все оставшиеся античастицы (например, позитроны) аннигилируют, создавая интенсивное гамма-излучение. В результате вещество превращается в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, и открывается прямой путь для синтеза гелия, который начинается спустя несколько секунд после Большого взрыва.
Попытка изучить эволюцию Вселенной начиная с 10^-12 с привела нас к новому замечательному представлению о природе вещества. Мы убедились, что протоны и нейтроны — эти «кирпичики» мироздания — существовали не всегда, а «выморозились» из кваркового бульона спустя примерно 10^-3 с после Большого взрыва. Поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Еще более удивителен тот факт, что лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, обрели свою индивидуальность лишь спустя примерно 10^-12 с; таким образом, они являются реликтами первой пикосекунды.
Постепенно начинает вырисовываться систематическая картина эволюции Вселенной. Происхождение элементов можно проследить до отдаленных эпох возникновения звезд и нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной. Протоны и нейтроны, служащие материалом для создания ядер, образовались еще раньше, тогда как лептоны и кварки, лежащие в основе ядерных частиц, являются реликтами первой триллионной доли (10^-12 ) секунды существования Вселенной. Однако остается главная загадка, которая возвращает нас к значительно более ранней эпохе — эпохе Великого объединения.
О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии известно в течение нескольких десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 10^50 т. Загадка заключается в том, как все это вещество могло возникнуть без равного количества антивещества (мы уже упоминали об этой проблеме в гл.2). В лабораторных условиях возникновение вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между ними, по-видимому, заложена в законах физики. Неизбежен вопрос: куда же девалось все антивещество?
Прежде всего следует убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества, и посмотрев на них, мы не отличили бы их друг от друга. Тем не менее существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Даже тоненькая струйка газа антивещества вызвала бы бурную реакцию — интенсивное гамма-излучение. Мы, несомненно, можем быть уверены, что Земля на 100% состоит из вещества.
Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько мы можем судить — да. Если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения. Столь высокий уровень гамма-излучения, безусловно, был бы зарегистрирован; пока же, по имеющимся у астрономов данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли. Если исключить единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах, то в целом Галактика, по-видимому, состоит только из вещества.
Можно предположить, что некоторые галактики, напротив, состоят только из антивещества (с очень небольшой добавкой вещества). Однако время от времени даже галактики сталкиваются друг с другом, причем в прошлом они находились значительно ближе друг к другу. Гамма-излучение, возникшее в результате таких столкновений, наблюдалось бы и сегодня. Более того, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла когда-то разделиться и попасть в удаленные друг от друга области пространства. Основываясь на этих наблюдениях, большинство космологов считают, что Вселенная построена в основном из вещества, и эта асимметрия была заложена в самые ранние этапы эволюции Вселенной.
Еще десять лет назад предлагалось единственное объяснение первичного нарушения баланса между веществом и антивеществом — считалось, что асимметрия присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва возникла диспропорция между веществом и антивеществом. Подобное объяснение, основанное на искусственно подобранных начальных условиях, разумеется, не может быть удовлетворительным, ибо оно ведет по замкнутому логическому кругу. Такие «объяснения» нельзя считать научными. С их помощью можно описать любое начальное соотношение вещества и антивещества. Они ничего не говорят о том, почему наблюдаемая асимметрия столь мала или столь велика. По-видимому, не существует веских причин, по которым, например, количество вещества не могло бы оказаться в два, а возможно, и в миллион раз больше.
Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО). Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.
Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО, т.е. сместиться во времени еще на двадцать порядков относительно эры электрослабого взаимодействия, о которой мы говорили в предыдущем разделе. Это означает попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10^-32 с! В этот момент космос был бы заполнен «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных; плотность «супа» составляла по оценкам около 10^73 кг/м^3 , а температура — около 10^28 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона.
Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в ТВО, так называемые Х-частицы, о которых упоминалось в гл.8. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. Дело в том, что при распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3представляют собой вещество, и лишь на 1/3— антивещество. Точное значение такой асимметрии зависит от принятой формы ТВО. Но в любом случае распад Х-частицы ведет к преобладанию вещества над антивеществом.
Следует, однако, учитывать еще одно обстоятельство. Первичный «суп» содержит наряду с Х-частицами и их античастицы, обозначаемые обычно X' .Напомним, что мы предполагаем исходную симметрию Вселенной, а это означает, естественно, равенство чисел Х- и X' -частиц. Но тогда при распаде Х асимметрия должна быть обратной, т.е. 2/3должно составлять антивещество, и лишь 1/3— вещество.
Для выхода из этого тупика теоретики предположили, что должно существовать фундаментальное различие скоростей распада Х- и X' -частиц. В таком случае распады Х не полностью компенсируют распады X', причем различие в пользу Х составит, повидимому, не более одной стомиллионной доли, что приведет к соответствующему преобладанию вещества над антивеществом.
Насколько разумно подобное предположение? Физики бывают проницательными историками, особенно когда дело касается предмета их исследований. Они никогда не забывают уроков истории, если вопрос идет о создании новых теорий. Один из таких уроков был преподнесен в 1956 г. Два американских физика китайского происхождения Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг произвели переворот в существовавших представлениях, заявив, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся «неприкосновенным» свойство природы, известное как зеркальная симметрия. До этого момента физики полагали, что силы природы не различают «правого» и «левого». Разумеется, в природе существует много объектов с «врожденной» спиральностью; наиболее известный пример — молекула ДНК. Эта молекула по форме сходна с винтовой лестницей, закрученной вправо. И хотя в природе нет левовинтовых молекул ДНК, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает их существования. Тот факт, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовых молекул ДНК, скорее всего говорит о том, что первые способные к самовоспроизводству молекулы оказались именно такой формы. Это хороший пример спонтанного нарушения симметрии: реальная структура асимметрична, тогда как лежащие в ее основе физические взаимодействия симметричны.
Когда физик утверждает, что существующие в природе взаимодействия зеркально симметричны, он подразумевает, что вызванные этими взаимодействиями фундаментальные процессы в зеркале выглядят столь же реально, как и при непосредственном наблюдении. Представим, например, что мы запечатлели на кинопленку распад частицы, а затем зарядили в проектор перевернутую пленку. Если вызывающие распад взаимодействия обладают свойством зеркальной симметрии, то ни один физик не заметит подвоха.
Долгое время предполагалось, что субатомные частицы не отличают «правого» от «левого», и это даже не считали нужным проверять на опыте. Но вот явились Ли и Янг со своим предположением, а американка китайского происхождения мисс Ч. С. By вскоре поставила нужный эксперимент, и тогда ко всеобщему изумлению выяснилось, что Ли и Янг были правы. Слабое взаимодействие действительно нарушает зеркальную симметрию. Опыт By, в котором отдельно измерялось число электронов, испускаемых влево и вправо точно ориентированными ядрами радиоактивного кобальта, ознаменовал поворотный пункт в физике. После этого опыта ни одной из симметрий уже не гарантировалась неприкосновенность!
В 1964 г. последовало новое потрясение. Большой интерес вызывало загадочное поведение особой частицы, называемой нейтральным К-мезоном, или каоном. Представление о нарушении зеркальной симметрии к этому времени стало общепризнанным, однако считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. (Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц.) Если бы это было всегда справедливо, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица. Особенности нейтрального К-мезона, представляющего собой некий гибрид частицы и античастицы, дали возможность проверить справедливость этих представлений.
Решающий эксперимент провели В. Л. Фитч и Дж. У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Они установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени — по крайней мере для нейтральных К-мезонов. Здесь также наблюдалось совсем небольшое, но исключительно важное нарушение симметрии, отражающее фундаментальный разбаланс сил природы, ответственных за некоторые распады частиц; тем самым было найдено конкретное экспериментальное подтверждение асимметрии между веществом и антивеществом.
В конце 70-х годов теоретики приступили к созданию модели фазы ТВО в Большом взрыве на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО. По оценкам асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (10^9+1):10^9 . Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. «Почти», а не целиком, — поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот крошечный остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из которого построено все, включая нас самих. Итак, мы пришли к тому, что всевещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10^-32 с с момента рождения Вселенной.
Если доверять проведенному анализу, то следует считать, что подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, исчезла до истечения нескольких первых секунд — а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. Теперь мы знаем, почему во Вселенной так мало антивещества. Однако, исчезнув, оно оставило о себе память в виде энергии. В результате аннигиляции вещества с антивеществом возникало около миллиарда гамма-квантов на каждый уцелевший электрон или протон. К настоящему времени в результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав так называемое фоновое тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Помимо энергии, заключенной в веществе, значительная часть энергии Вселенной приходится на фоновое тепловое излучение. Таким образом, мы располагаем теорией, которая не только объясняет происхождение вещества, но и указывает правильное соотношение количества вещества и энергии во Вселенной.
До создания ТВО не удавалось объяснить температуру космического фонового теплового излучения. Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним произвольным параметром, характеризующим Вселенную «от рождения». Оставалось непонятным, почему температура этого излучения не может быть равной, скажем, 0,3 или 30К , а должна составлять именно 3К. ТВО позволили объяснить это значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового излучения, равная 3К , соответствует примерно 10^9 фотонам на каждый электрон или протон во Вселенной (В 1967 г. А. Д. Сахаров высказал идею о том, что это отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который обусловлен распадом протона и нарушением симметрии), что хорошо согласуется с превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 10^9 ), предсказываемым ТВО. Таким образом, величину одного из фундаментальных параметров космологии можно объяснить на основе физических процессов, происходивших в эру ТВО. Именно в этот невообразимо ранний момент существования Вселенной и обозначились основы ее современного строения.
12. Чем вызван Большой взрыв?
По существу в этом вопросе в завуалированной форме содержится два вопроса. Во-первых, нам хотелось бы знать, почему развитие Вселенной началось со взрыва и чем в первую очередь был вызван этот взрыв. Но за чисто физической проблемой скрывается другая, более глубокая проблема философского характера. Если Большой взрыв знаменует начало физического существования Вселенной, включая возникновение пространства и времени, то в каком смысле можно говорить о том, что вызвалоэтот взрыв?
С точки зрения физики внезапное возникновение Вселенной в результате гигантского взрыва представляется в какой-то степени парадоксальным. Из четырех управляющих миром взаимодействий только гравитация проявляется в космическом масштабе, причем, как показывает наш опыт, гравитация имеет характер притяжения. Однако для взрыва, ознаменовавшего рождение Вселенной, по-видимому, нужна была сила отталкивания невероятной величины, которая смогла, в клочья разорвать космос и вызвать его расширение, продолжающееся и по сей день.
Это кажется странным, поскольку, если во Вселенной господствуют силы гравитации, то ей следовало бы не расширяться, а сжиматься. Действительно, гравитационные силы притяжения заставляют физические объекты сжиматься, а не взрываться. Например, очень плотная звезда теряет способность противостоять собственному весу и коллапсирует, образуя нейтронную звезду или черную дыру. Степень сжатия вещества в очень ранней Вселенной была значительно выше, чем у самой плотной звезды; поэтому нередко возникает вопрос, почему первичный космос с самого начала не сколлапсировал в черную дыру.
Обычно на это отвечают, что первичный взрыв следует просто принимать за начальное условие. Такой ответ явно не удовлетворителен и вызывает недоумение. Безусловно, под влиянием гравитации скорость космического расширения с самого начала непрерывно уменьшалась, однако в момент рождения Вселенная расширялась бесконечно быстро. Взрыв не был вызван какой-либо силой — просто развитие Вселенной началось с расширения. Если бы взрыв оказался менее сильным, гравитация очень скоро воспрепятствовала бы разлету вещества. В результате расширение сменилось бы сжатием, которое приняло бы катастрофический характер и превратило Вселенную в нечто подобное черной дыре. Но в действительности взрыв оказался достаточно «большим», что дало возможность Вселенной, преодолев собственную гравитацию, либо продолжать вечно расширяться за счет силы первичного взрыва, либо по крайней мере просуществовать на протяжении многих миллиардов лет, прежде чем подвергнуться сжатию и уйти в небытие.
Недостаток этой традиционной картины состоит в том, что она ни в коей мере не объясняет Большого взрыва. Фундаментальное свойство Вселенной вновь просто трактуется как начальное условие, принятое ad hoc(на данный случай); по существу, здесь только утверждается, что Большой взрыв имел место. По-прежнему остается непонятным, почему сила взрыва была именно такой, а не иной. Почему взрыв не был еще более сильным, чтобы Вселенная расширялась сейчас значительно быстрее? Можно также спросить, почему Вселенная в настоящее время не расширяется значительно медленнее или вообще не сжимается. Разумеется, если бы взрыв не имел достаточной силы, Вселенная вскоре коллапсировала бы и некому было бы задавать подобные вопросы. Вряд ли, однако, подобные рассуждения можно принять за объяснение.
При более детальном анализе оказывается, что парадокс происхождения Вселенной в действительности еще более сложен, чем описано выше. Тщательные измерения показывают, что скорость расширения Вселенной очень близка к критическому значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и расширяться вечно. Будь эта скорость чуть меньше — и произошел бы коллапс Вселенной, а будь она чуть больше — космическое вещество давно бы полностью рассеялось. Интересно выяснить, насколько точно скорость расширения Вселенной попадает в этот очень узкий допустимый интервал между двумя возможными катастрофами. Если бы в момент времени, соответствующий 1 с , когда картина расширения уже четко определилась, скорость расширения отличалась бы от своего реального значения более чем на 10^-18 , этого оказалось бы достаточно для полного нарушения тонкого баланса. Таким образом, сила взрыва Вселенной с почти невероятной точностью соответствует ее гравитационному взаимодействию. Большой взрыв, таким образом, это не просто какой-то далекий взрыв — это был взрыв совершенно определенной силы. В традиционном варианте теории Большого Взрыва приходится принимать не только сам факт взрыва, но и то, что взрыв произошел чрезвычайно прихотливым образом. Иными словами, начальные условия оказываются исключительно специфическими.
Скорость расширения Вселенной — лишь одна из нескольких очевидных космических загадок. Другая связана с картиной расширения Вселенной в пространстве. По данным современных наблюдений. Вселенная в больших масштабах чрезвычайно однородна, что касается распределения вещества и энергии. Глобальная структура космоса почти одинакова как при наблюдении с Земли, так и из отдаленной галактики. Галактики рассеяны в пространстве с одинаковой средней плотностью, и из каждой точки Вселенная выглядит одинаково по всем направлениям. Заполняющее Вселенную первичное тепловое излучение падает на Землю, имея во всех направлениях одну и ту же температуру с точностью не ниже 10-4 . Это излучение на пути к нам проходит в пространстве миллиарды световых лет и несет на себе отпечаток любого встречающегося ему отклонения от однородности.
Ключ к пониманию природы этой странной высокотемпературной фазы материи лежит в нарушении симметрии. В гл. 8 было показано, каким образом спонтанное нарушение калибровочной симметрии может наделить частицы массой и создать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Существует общее правило природы, согласно которому высокие температуры стремятся восстановить симметрию. Хорошим примером проявления этого правила могут служить две фазы воды — жидкая и твердая (лед). В кристалле льда обнаруживаются выделенные направления — направления вдоль ребер кристаллической решетки. При таянии льда кристаллическая структура разрушается. У возникшей вместо кусочка льда капли воды уже нет никаких выделенных направлений в пространстве — она симметрична. Таким образом, повышение температуры привело к восстановлению изначальной пространственной симметрии, которая была спонтанно нарушена у кристалла льда. При увеличении температуры до 10^16 К происходит фазовый переход, аналогичный переходу лед-вода. Однако в этом случае восстанавливается калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия.
Как видим, картина Вселенной в момент, соответствующий 1пс , весьма примечательна. Вселенная заполнена таинственной жидкостью, в последующие времена уже нигде не встречающейся, и населена неведомыми нам частицами. Однако вещество не может продолжительно существовать в столь странной фазе. Падение температуры вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Столь же внезапно возникают и известные нам частицы — электроны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы. Калибровочная симметрия нарушена, а электромагнитное взаимодействие отделилось от слабого .
Если проследить за дальнейшей эволюцией космического вещества, то мы станем свидетелями еще одного фазового перехода, который произойдет спустя 1 мс (миллисекунда) после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся кварков внезапно конденсируется, образуя адроны с вполне определенными свойствами. В этом море частиц можно различить отдельные протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы, в которых кварки объединены в четкие группы — попарно или по три. По мере дальнейшего падения температуры все оставшиеся античастицы (например, позитроны) аннигилируют, создавая интенсивное гамма-излучение. В результате вещество превращается в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, и открывается прямой путь для синтеза гелия, который начинается спустя несколько секунд после Большого взрыва.
Попытка изучить эволюцию Вселенной начиная с 10^-12 с привела нас к новому замечательному представлению о природе вещества. Мы убедились, что протоны и нейтроны — эти «кирпичики» мироздания — существовали не всегда, а «выморозились» из кваркового бульона спустя примерно 10^-3 с после Большого взрыва. Поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Еще более удивителен тот факт, что лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, обрели свою индивидуальность лишь спустя примерно 10^-12 с; таким образом, они являются реликтами первой пикосекунды.
Постепенно начинает вырисовываться систематическая картина эволюции Вселенной. Происхождение элементов можно проследить до отдаленных эпох возникновения звезд и нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной. Протоны и нейтроны, служащие материалом для создания ядер, образовались еще раньше, тогда как лептоны и кварки, лежащие в основе ядерных частиц, являются реликтами первой триллионной доли (10^-12 ) секунды существования Вселенной. Однако остается главная загадка, которая возвращает нас к значительно более ранней эпохе — эпохе Великого объединения.
Происхождение вещества
Первоначальный вариант теории Большого взрыва не давал убедительного объяснения того, каким образом в ходе первичного взрыва возникло вещество. Космологам не оставалось ничего другого, как предположить, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала. Ни один из известных физических процессов не мог объяснить возникновение вещества. В настоящее время новая космология дает очень правдоподобное объяснение происхождению вещества, основанное на действии суперсилы .О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии известно в течение нескольких десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 10^50 т. Загадка заключается в том, как все это вещество могло возникнуть без равного количества антивещества (мы уже упоминали об этой проблеме в гл.2). В лабораторных условиях возникновение вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между ними, по-видимому, заложена в законах физики. Неизбежен вопрос: куда же девалось все антивещество?
Прежде всего следует убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества, и посмотрев на них, мы не отличили бы их друг от друга. Тем не менее существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Даже тоненькая струйка газа антивещества вызвала бы бурную реакцию — интенсивное гамма-излучение. Мы, несомненно, можем быть уверены, что Земля на 100% состоит из вещества.
Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько мы можем судить — да. Если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения. Столь высокий уровень гамма-излучения, безусловно, был бы зарегистрирован; пока же, по имеющимся у астрономов данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли. Если исключить единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах, то в целом Галактика, по-видимому, состоит только из вещества.
Можно предположить, что некоторые галактики, напротив, состоят только из антивещества (с очень небольшой добавкой вещества). Однако время от времени даже галактики сталкиваются друг с другом, причем в прошлом они находились значительно ближе друг к другу. Гамма-излучение, возникшее в результате таких столкновений, наблюдалось бы и сегодня. Более того, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла когда-то разделиться и попасть в удаленные друг от друга области пространства. Основываясь на этих наблюдениях, большинство космологов считают, что Вселенная построена в основном из вещества, и эта асимметрия была заложена в самые ранние этапы эволюции Вселенной.
Еще десять лет назад предлагалось единственное объяснение первичного нарушения баланса между веществом и антивеществом — считалось, что асимметрия присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва возникла диспропорция между веществом и антивеществом. Подобное объяснение, основанное на искусственно подобранных начальных условиях, разумеется, не может быть удовлетворительным, ибо оно ведет по замкнутому логическому кругу. Такие «объяснения» нельзя считать научными. С их помощью можно описать любое начальное соотношение вещества и антивещества. Они ничего не говорят о том, почему наблюдаемая асимметрия столь мала или столь велика. По-видимому, не существует веских причин, по которым, например, количество вещества не могло бы оказаться в два, а возможно, и в миллион раз больше.
ТВО приходит на помощь
Более естественно предполагать изначально полную симметрию между веществом и антивеществом, нежели считать, что преобладание вещества во Вселенной «от бога», и лишь затем в силу тех или иных причин оно обозначилось и закрепилось. В этом случае уже нет необходимости доверять произвольно выбранным начальным условиям; состояние, в котором существует точное равенство количеств вещества и антивещества, единственно. Наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом можно было бы количественно объяснить на основе физической теории.Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО). Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.
Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо вернуться к так называемой эре ТВО, т.е. сместиться во времени еще на двадцать порядков относительно эры электрослабого взаимодействия, о которой мы говорили в предыдущем разделе. Это означает попытку описать Вселенную в возрасте всего лишь 10^-32 с! В этот момент космос был бы заполнен «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных; плотность «супа» составляла по оценкам около 10^73 кг/м^3 , а температура — около 10^28 К. Вселенная в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный миллиардной доле поперечника протона.
Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в ТВО, так называемые Х-частицы, о которых упоминалось в гл.8. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества. Дело в том, что при распаде Х-частицы образуется много дочерних частиц, которые, например, на 2/3представляют собой вещество, и лишь на 1/3— антивещество. Точное значение такой асимметрии зависит от принятой формы ТВО. Но в любом случае распад Х-частицы ведет к преобладанию вещества над антивеществом.
Следует, однако, учитывать еще одно обстоятельство. Первичный «суп» содержит наряду с Х-частицами и их античастицы, обозначаемые обычно X' .Напомним, что мы предполагаем исходную симметрию Вселенной, а это означает, естественно, равенство чисел Х- и X' -частиц. Но тогда при распаде Х асимметрия должна быть обратной, т.е. 2/3должно составлять антивещество, и лишь 1/3— вещество.
Для выхода из этого тупика теоретики предположили, что должно существовать фундаментальное различие скоростей распада Х- и X' -частиц. В таком случае распады Х не полностью компенсируют распады X', причем различие в пользу Х составит, повидимому, не более одной стомиллионной доли, что приведет к соответствующему преобладанию вещества над антивеществом.
Насколько разумно подобное предположение? Физики бывают проницательными историками, особенно когда дело касается предмета их исследований. Они никогда не забывают уроков истории, если вопрос идет о создании новых теорий. Один из таких уроков был преподнесен в 1956 г. Два американских физика китайского происхождения Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг произвели переворот в существовавших представлениях, заявив, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся «неприкосновенным» свойство природы, известное как зеркальная симметрия. До этого момента физики полагали, что силы природы не различают «правого» и «левого». Разумеется, в природе существует много объектов с «врожденной» спиральностью; наиболее известный пример — молекула ДНК. Эта молекула по форме сходна с винтовой лестницей, закрученной вправо. И хотя в природе нет левовинтовых молекул ДНК, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает их существования. Тот факт, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовых молекул ДНК, скорее всего говорит о том, что первые способные к самовоспроизводству молекулы оказались именно такой формы. Это хороший пример спонтанного нарушения симметрии: реальная структура асимметрична, тогда как лежащие в ее основе физические взаимодействия симметричны.
Когда физик утверждает, что существующие в природе взаимодействия зеркально симметричны, он подразумевает, что вызванные этими взаимодействиями фундаментальные процессы в зеркале выглядят столь же реально, как и при непосредственном наблюдении. Представим, например, что мы запечатлели на кинопленку распад частицы, а затем зарядили в проектор перевернутую пленку. Если вызывающие распад взаимодействия обладают свойством зеркальной симметрии, то ни один физик не заметит подвоха.
Долгое время предполагалось, что субатомные частицы не отличают «правого» от «левого», и это даже не считали нужным проверять на опыте. Но вот явились Ли и Янг со своим предположением, а американка китайского происхождения мисс Ч. С. By вскоре поставила нужный эксперимент, и тогда ко всеобщему изумлению выяснилось, что Ли и Янг были правы. Слабое взаимодействие действительно нарушает зеркальную симметрию. Опыт By, в котором отдельно измерялось число электронов, испускаемых влево и вправо точно ориентированными ядрами радиоактивного кобальта, ознаменовал поворотный пункт в физике. После этого опыта ни одной из симметрий уже не гарантировалась неприкосновенность!
В 1964 г. последовало новое потрясение. Большой интерес вызывало загадочное поведение особой частицы, называемой нейтральным К-мезоном, или каоном. Представление о нарушении зеркальной симметрии к этому времени стало общепризнанным, однако считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в противоположном смысле по сравнению с частицами. (Как правило, античастицы проявляют свойства, противоположные свойствам частиц.) Если бы это было всегда справедливо, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась античастица. Особенности нейтрального К-мезона, представляющего собой некий гибрид частицы и античастицы, дали возможность проверить справедливость этих представлений.
Решающий эксперимент провели В. Л. Фитч и Дж. У. Кронин в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Они установили, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной степени — по крайней мере для нейтральных К-мезонов. Здесь также наблюдалось совсем небольшое, но исключительно важное нарушение симметрии, отражающее фундаментальный разбаланс сил природы, ответственных за некоторые распады частиц; тем самым было найдено конкретное экспериментальное подтверждение асимметрии между веществом и антивеществом.
В конце 70-х годов теоретики приступили к созданию модели фазы ТВО в Большом взрыве на основе предположения, что указанная выше асимметрия действительно присуща силе, господствующей в ТВО. По оценкам асимметрия между веществом и антивеществом характеризуется отношением (10^9+1):10^9 . Это означает, что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта оказалось, что он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. «Почти», а не целиком, — поскольку имеется избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот крошечный остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из которого построено все, включая нас самих. Итак, мы пришли к тому, что всевещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10^-32 с с момента рождения Вселенной.
Если доверять проведенному анализу, то следует считать, что подавляющая часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, исчезла до истечения нескольких первых секунд — а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. Теперь мы знаем, почему во Вселенной так мало антивещества. Однако, исчезнув, оно оставило о себе память в виде энергии. В результате аннигиляции вещества с антивеществом возникало около миллиарда гамма-квантов на каждый уцелевший электрон или протон. К настоящему времени в результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав так называемое фоновое тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Помимо энергии, заключенной в веществе, значительная часть энергии Вселенной приходится на фоновое тепловое излучение. Таким образом, мы располагаем теорией, которая не только объясняет происхождение вещества, но и указывает правильное соотношение количества вещества и энергии во Вселенной.
До создания ТВО не удавалось объяснить температуру космического фонового теплового излучения. Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним произвольным параметром, характеризующим Вселенную «от рождения». Оставалось непонятным, почему температура этого излучения не может быть равной, скажем, 0,3 или 30К , а должна составлять именно 3К. ТВО позволили объяснить это значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового излучения, равная 3К , соответствует примерно 10^9 фотонам на каждый электрон или протон во Вселенной (В 1967 г. А. Д. Сахаров высказал идею о том, что это отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который обусловлен распадом протона и нарушением симметрии), что хорошо согласуется с превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 10^9 ), предсказываемым ТВО. Таким образом, величину одного из фундаментальных параметров космологии можно объяснить на основе физических процессов, происходивших в эру ТВО. Именно в этот невообразимо ранний момент существования Вселенной и обозначились основы ее современного строения.
12. Чем вызван Большой взрыв?
Парадокс возникновения
Ни одна из лекций по космологии, которые мне доводилось читать, не обходилась без вопроса о том, чем же был вызван Большой взрыв? Еще несколько лет назад я не знал истинного ответа; сегодня, полагаю, он известен.По существу в этом вопросе в завуалированной форме содержится два вопроса. Во-первых, нам хотелось бы знать, почему развитие Вселенной началось со взрыва и чем в первую очередь был вызван этот взрыв. Но за чисто физической проблемой скрывается другая, более глубокая проблема философского характера. Если Большой взрыв знаменует начало физического существования Вселенной, включая возникновение пространства и времени, то в каком смысле можно говорить о том, что вызвалоэтот взрыв?
С точки зрения физики внезапное возникновение Вселенной в результате гигантского взрыва представляется в какой-то степени парадоксальным. Из четырех управляющих миром взаимодействий только гравитация проявляется в космическом масштабе, причем, как показывает наш опыт, гравитация имеет характер притяжения. Однако для взрыва, ознаменовавшего рождение Вселенной, по-видимому, нужна была сила отталкивания невероятной величины, которая смогла, в клочья разорвать космос и вызвать его расширение, продолжающееся и по сей день.
Это кажется странным, поскольку, если во Вселенной господствуют силы гравитации, то ей следовало бы не расширяться, а сжиматься. Действительно, гравитационные силы притяжения заставляют физические объекты сжиматься, а не взрываться. Например, очень плотная звезда теряет способность противостоять собственному весу и коллапсирует, образуя нейтронную звезду или черную дыру. Степень сжатия вещества в очень ранней Вселенной была значительно выше, чем у самой плотной звезды; поэтому нередко возникает вопрос, почему первичный космос с самого начала не сколлапсировал в черную дыру.
Обычно на это отвечают, что первичный взрыв следует просто принимать за начальное условие. Такой ответ явно не удовлетворителен и вызывает недоумение. Безусловно, под влиянием гравитации скорость космического расширения с самого начала непрерывно уменьшалась, однако в момент рождения Вселенная расширялась бесконечно быстро. Взрыв не был вызван какой-либо силой — просто развитие Вселенной началось с расширения. Если бы взрыв оказался менее сильным, гравитация очень скоро воспрепятствовала бы разлету вещества. В результате расширение сменилось бы сжатием, которое приняло бы катастрофический характер и превратило Вселенную в нечто подобное черной дыре. Но в действительности взрыв оказался достаточно «большим», что дало возможность Вселенной, преодолев собственную гравитацию, либо продолжать вечно расширяться за счет силы первичного взрыва, либо по крайней мере просуществовать на протяжении многих миллиардов лет, прежде чем подвергнуться сжатию и уйти в небытие.
Недостаток этой традиционной картины состоит в том, что она ни в коей мере не объясняет Большого взрыва. Фундаментальное свойство Вселенной вновь просто трактуется как начальное условие, принятое ad hoc(на данный случай); по существу, здесь только утверждается, что Большой взрыв имел место. По-прежнему остается непонятным, почему сила взрыва была именно такой, а не иной. Почему взрыв не был еще более сильным, чтобы Вселенная расширялась сейчас значительно быстрее? Можно также спросить, почему Вселенная в настоящее время не расширяется значительно медленнее или вообще не сжимается. Разумеется, если бы взрыв не имел достаточной силы, Вселенная вскоре коллапсировала бы и некому было бы задавать подобные вопросы. Вряд ли, однако, подобные рассуждения можно принять за объяснение.
При более детальном анализе оказывается, что парадокс происхождения Вселенной в действительности еще более сложен, чем описано выше. Тщательные измерения показывают, что скорость расширения Вселенной очень близка к критическому значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и расширяться вечно. Будь эта скорость чуть меньше — и произошел бы коллапс Вселенной, а будь она чуть больше — космическое вещество давно бы полностью рассеялось. Интересно выяснить, насколько точно скорость расширения Вселенной попадает в этот очень узкий допустимый интервал между двумя возможными катастрофами. Если бы в момент времени, соответствующий 1 с , когда картина расширения уже четко определилась, скорость расширения отличалась бы от своего реального значения более чем на 10^-18 , этого оказалось бы достаточно для полного нарушения тонкого баланса. Таким образом, сила взрыва Вселенной с почти невероятной точностью соответствует ее гравитационному взаимодействию. Большой взрыв, таким образом, это не просто какой-то далекий взрыв — это был взрыв совершенно определенной силы. В традиционном варианте теории Большого Взрыва приходится принимать не только сам факт взрыва, но и то, что взрыв произошел чрезвычайно прихотливым образом. Иными словами, начальные условия оказываются исключительно специфическими.
Скорость расширения Вселенной — лишь одна из нескольких очевидных космических загадок. Другая связана с картиной расширения Вселенной в пространстве. По данным современных наблюдений. Вселенная в больших масштабах чрезвычайно однородна, что касается распределения вещества и энергии. Глобальная структура космоса почти одинакова как при наблюдении с Земли, так и из отдаленной галактики. Галактики рассеяны в пространстве с одинаковой средней плотностью, и из каждой точки Вселенная выглядит одинаково по всем направлениям. Заполняющее Вселенную первичное тепловое излучение падает на Землю, имея во всех направлениях одну и ту же температуру с точностью не ниже 10-4 . Это излучение на пути к нам проходит в пространстве миллиарды световых лет и несет на себе отпечаток любого встречающегося ему отклонения от однородности.