Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

«Антипартнеров» имеют не только протон, нейтрон и электрон. Они есть у всех элементарных частиц. Некоторые, например не имеющий электрического заряда пи-ноль-мезон π° или квант света фотон, совмещают частицу и античастицу в одном лице. Но таких «двуполых» частиц немного. Как правило, частицы и античастицы сильно различаются по своим свойствам. Получается так, что в природе действует замечательное правило симметрии: природа состоит как бы из двух налагающихся друг на друга половинок—мира и антимира.

Одно обстоятельство, однако, с самого начала вызывало серьезное беспокойство физиков. Введенное Дираком море отрицательных энергий позволяло наглядно трактовать различные процессы с античастицами, но само оставалось принципиально невидимым. Составляющие его частицы с отрицательной энергией, подобно мнимым числам, существовали лишь в теории, на практике же наблюдать их было нельзя, даже косвенно. Закрадывалось подозрение, что это всего лишь приближенный способ описания новых явлений на языке привычных нам физических образов.

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, а скорее, особая среда, состоящая из бесчисленного множества спонтанно рождающихся и тут же исчезающих частиц и античастиц. Под действием внешних сил, получив дополнительную энергию и импульс, они могут оторваться от вакуума и начать жить самостоятельной жизнью. Вот такие оторвавшиеся частицы и описывает уравнение Дирака.

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 излучение, а меньшая, оставшаяся, распалась на ядра и антиядра, сконденсировавшиеся затем в туманности, галактики и прочие космические объекты. Вся сложная цепочка ядерных процессов завершилась за несколько миллионов лет — мгновение по сравнению с 15—20 миллиардами, прошедшими с того времени. И все эти миллиарды лет осколки первичного взрыва разлетались в различных направлениях. Поэтому можно думать, что расстояния, разделяющие миры и антимиры колоссально велики: они сравнимы с размерами Вселенной.

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?