Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Если где-то в космосе встречаются частица и ее античастица, происходит аннигиляция[67], при которой обе эти частицы исчезают, а вместо них появляется два или три фотона. Простейшим примером аннигиляции является аннигиляция пары электрон-позитрон. Если их скорости существенно меньше скорости света, то энергия как электрона, так и позитрона будет равна примерно 500 кэВ. Соответственно, если происходит двухфотонная аннигиляция, то энергия каждого из фотонов также будет равна 500 кэВ.

Обнаружив излучение с такой энергией, мы понимаем, что видим результат аннигиляции. Источник подобного излучения зафиксирован, например, в центре нашей Галактики. Но излучение не слишком сильное, из чего видно, что позитроны в нашей Галактике встречаются очень редко. Если бы галактики из вещества и галактики из антивещества – «антигалактики» – встречались во Вселенной, то в области между ними соприкасались бы и аннигилировали межгалактический газ и пыль от галактики с «антигазом» и «антипылью» от «антигалактики». Но поскольку таких мощных источников, связанных с аннигиляцией, найти не удалось, приходится признать, что в видимой части Вселенной антивещество практически отсутствует.

В чем же причина этой асимметрии между частицами и античастицами? Почему первых много, а вторых мало? Неужели Вселенная образовалась так, что в ней было больше вещества, чем антивещества? Можно предложить другой ответ. Эксперименты на ускорителях показали, что в природе нет полной симметрии между частицами и античастицами. В частности, нарушается четность[68] при слабых взаимодействиях.

Даже если в момент образования Вселенной в ней не было ни частиц, ни античастиц, они вскоре появились в процессах образования пар частица – античастица при столкновении фотонов. Частицы и античастицы заполняли Вселенную. Они взаимодействовали друг с другом, образуя новые частицы. Но за счет нарушения четности число частиц и античастиц могло слегка отличаться. Предположим, что частиц было на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. При расширении и остывании Вселенной практически все античастицы проаннигилировали с частицами, а из оставшейся одной миллиардной части образовалась вся материя, которую мы можем наблюдать.

Андрей Сахаров выдвинул гипотезу о том, что обсуждаемая асимметрия могла возникнуть из-за сочетания трех факторов: нарушения СР-симметрии, несохранения барионного заряда (т. е. барион может распадаться на лептоны[69]), а также расширения Вселенной, которое препятствует установлению теплового равновесия.

Существуют и другие возможные объяснения. Согласно одному из них, предполагается, что существует одинаковое количество материи и антиматерии, но они почему-то разнесены в пространстве. Однако оно не подкреплено какими-либо эмпирическими данными.

Глава 4 Темная материя

4.1. Революция приближается

За века своего существования физика нарисовала картину мира. Тела состоят из молекул, те – из атомов, атомы имеют компактное ядро, окруженное электронным облаком. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, скрепленных вместе мезонами. Но за два последних десятилетия неожиданно выяснилось, что 95 % того, чем заполнена Вселенная, не состоит ни из молекул, ни из атомов, ни из нуклонов. Иными словами, все это время физики изучали лишь 5 % нашей Вселенной. Предвещающий революцию «залп Авроры» произошел внезапно, и не все физики поняли его важность. Если 30 лет на вопрос: «Чего во Вселенной больше всего?» правильным ответом считалось: «Водорода», то сейчас правильным ответом считается: «Темной энергии и темной материи». Само по себе изменение ответа несущественно – в физике не раз бывали подобные ситуации. Гораздо хуже то, что на вопрос: «Что такое водород?» мы можем долго и уверенно отвечать с демонстрацией опытов. На вопросы же «Что такое темная энергия?» и «Что такое темная материя?», положив руку на сердце, мы должны ответить: «Не знаем». Фактически все, что мы о них знаем, – это сам факт их существования (да и то некоторые в нем сомневаются) и кое-какие свойства этих загадочных сущностей.

Физика уже сталкивалась с новым полем деятельности, с новыми явлениями, которые надо было исследовать и объяснить. Но каждый раз эти явления лежали «внутри физики» и для их исследования использовали стандартный подход, приносивший успех в течение столетий. Проводили опыты, выдвигали гипотезы, строили теории, основанные на математическом аппарате, сравнивали их с результатами опытов и, наконец, вырабатывали новые парадигмы. Вызов, брошенный физике сейчас, не вписывается в привычную схему. Дело в том, что о существовании темной энергии мы знаем только из космологии, а о существовании темной материи – из астрономии и космологии. Совершенно непонятно, каким образом можно ставить опыты по изучению темной энергии.