Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

В «супе» из фундаментальных частиц могут происходить интересные вещи. Электроны сталкиваются с позитронами и полностью аннигилируют, создавая вместо себя два фотона излучения. То же самое происходит и с кварками, которые сталкиваются с антикварками: аннигиляция и создание новых фотонов.

Верно и обратное: два сталкивающихся фотона могут создать электронно-позитронную пару или пару кварк-антикварк. А так как энергии очень много, ситуация остаётся равновесной: аннигилирует и превращается в фотоны столько же электрон-позитронных пар, сколько пар фотонов образует электроны и позитроны.

Не забудем, однако, о том, что в этот момент своей истории Вселенная по-прежнему расширялась и охлаждалась. Расширение непрерывно отбирало у фотонов их энергию, и их длины волн по мере старения Вселенной всё увеличивались. Что же творилось со всей материей?

Интересные вещи начали происходить, когда Вселенной было около 10–11 секунд, намного позже, чем закончился период инфляции. По окончании её Вселенная была залита энергией, точнее, «супом» из вещества, антивещества и высокоэнергетического излучения. Но к этому времени фотоны в сверхгорячем «супе» больше не обладали энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновениях создавались частицы. Поэтому равновесие Вселенной нарушилось. Больше не создавалось ни пар «электрон-позитрон», ни пар «кварк-антикварк». Но в смеси ещё оставались частицы как вещества, так и антивещества, и они по-прежнему могли сталкиваться, аннигилировать и создавать фотоны. Очень скоро все электроны столкнулись с позитронами и во мгновение ока преобразовались в фотоны. Пары кварк-антикварк так же быстро аннигилировали и дали ещё больше фотонов. Таким образом, как только Вселенная миновала критическую точку охлаждения, всё вещество уже оказалось преобразованным в излучение, и больше частиц во Вселенной не оставалось. После этого вещество во Вселенной и не должно было появляться.

Ясно, что это совсем не та Вселенная, в которой мы живём. В нашей вещество преобладает, а антивещество, похоже, встречается крайне редко. Оно иногда выделяется из радиоактивных материалов, образуется в экспериментах с элементарными частицами или испускается в ходе некоторых особенно экзотических процессов во Вселенной. Но доминирует, безусловно, вещество.

Мы уже упоминали космический микроволновой фон, излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Это излучение должно было появиться в результате аннигиляции частиц и античастиц. Если сосчитать количество фотонов в космическом микроволновом фоне, то на каждую частицу вещества – протонов и нейтронов во всех атомных ядрах – придётся около миллиарда таких фотонов.

Отсюда, по-видимому, должно следовать, что Вселенная была уже каким-то образом выведена из состояния равновесия прежде, чем произошла окончательная аннигиляция, – и, выходит, не состояла из идеально равных количеств вещества и антивещества, которые потом уничтожили бы друг друга. На каждый миллиард позитронов во Вселенной должно было приходиться одним электроном больше, и после завершения окончательной аннигиляци во Вселенной остались только эти электроны и фотоны. Такая же история должна была произойти с кварками и антикварками: после аннигиляции тоже остались только кварки и фотоны.

Все это довольно странно: физические законы выглядят идентичными или симметричными по отношению к веществу и антивеществу, и в них нет никаких указаний на то, что один из этих видов материи должен преобладать. Но доминирование вещества и отсутствие антивещества во Вселенной противоречит этому. Симметрия должна где-то нарушаться – но где? И может ли ответ на вопрос «почему во Вселенной есть вещество» сводиться к этому?

Математика красоты

Нужно глубже понять идею симметрии. Древние греки, к примеру, Пифагор и Платон, считали, что симметричные формы воплощают красоту природы. Аристотель полагал, что небеса построены в виде концентрических сфер, так как сфера – самая симметричная и потому самая прекрасная из форм. Симметрия проявляется во многих исторических контекстах: колёса делались круглыми, спортивные мячи – сферическими, при изготовлении инструментов и оружия важно было положение центра тяжести, и т. д.

В интеллектуальном плане концепция симметрии, вероятно, возникла как мощная эстетическая идея, совпадающая с другими ценностями Возрождения – например, простотой формы. Дикая роза являет нам лишённую гармонии хаотическую смесь форм, тогда как у розы, написанной художником на стене ренессансного собора, очертания стройные и пропорциональные – другими словами, симметричные.