Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Нарушение квантового закона

Нейтрино – призрачная частица, полностью нейтральная и практически безмассовая. Её взаимодействия с веществом могут быть измерены только силами гравитации и слабого взаимодействия. В 1950-х учёные увидели: реакции с участием нейтрино и слабого взаимодействия не воспроизводятся при переходе в зеркальный мир. В 1956 году физики Ли Цундао и Ян Чэньнин предположили, что «зазеркальных» реакций с участием нейтрино в реальной Вселенной просто-напросто не бывает. Вскоре после этого физик-экспериментатор У Чэньшун доказала: это действительно так! В её эксперименте при радиоактивном распаде кобальта нейтрино вылетало в противоположном электрону направлении[29] и исчезало, но электроны У регистрировала. Если бы чётность сохранялась, при большом количестве атомов кобальта электроны рассеивались равномерно по всем направлениям. Но У в своём эксперименте регистрировала электроны, вылетающие только в одну сторону. В нашей Вселенной чётность явно не соблюдалась! Для научного сообщества это стало настоящим шоком: все были уверены, что настоящая Вселенная и Вселенная в зазеркалье полностью симметричны. В математические формулы пришлось внести некоторые изменения.

Симметрия других взаимодействий – гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия, действующего в глубине атомов, – осталась нетронутой: все они оказались идеально математически симметричны. Яркий пример этого – сохранение электрического заряда при электромагнитных взаимодействиях. Мы никогда не наблюдали взаимодействия, при котором изменялся бы полный заряд системы. Учёные придирчиво следили за этим, но ни единой трещинки в здании симметрии не нашли.

Мы не понимаем, почему одни физические законы идеально симметричны, а другие асимметричны. Не знаем ни от чего зависит масштаб нарушений симметрии, ни почему в ранней Вселенной количество частиц вещества превышало число частиц антивещества в пропорции одна частица на миллиард. Почему не одна частица на сто, не одна частица на сто триллионов? И в том, и в другом случае Вселенная в результате была бы абсолютно иной: в ней было бы гораздо больше или меньше вещества, чем мы сейчас видим. Здесь есть о чём задуматься. Выходит, без космического несовершенства нас вообще бы здесь не было.

Откуда взялись химические элементы?

Химические элементы – «строительные кирпичики» Вселенной, 92 природных плюс ещё пара десятков сверхтяжёлых, созданных в лабораториях. Средний человек примерно на 70 процентов состоит из воды, а та складывается из бесчисленного количества одинаковых молекул, в каждой из которых два атома водорода и один атом кислорода, связанных воедино электромагнитной силой. Но, чтобы получился человек, требуется гораздо больше элементов: углерод, сера, фосфор… Они связываются между собой, образуя мириады различных молекулярных структур. Мы уже знаем, что ранняя Вселенная была, в сущности, горячим «супом» из фундаментальных частиц – кварков, электронов и фотонов. Так откуда же взялись все эти многочисленные элементы, необходимые для создания человека?

Вернёмся опять на самые ранние стадии существования Вселенной – спустя миллионную долю секунды после её начала, когда температуры были ещё невероятно высокими. В какой-то момент стало, наконец, достаточно холодно, чтобы кварки начали комбинироваться друг с другом. Есть разные виды кварков, всего их шесть, каждый – с немного отличающимися свойствами. Физики дали им забавные имена, например, странный, очарованный, истинный и прелестный, но для обычного вещества Вселенной, включая то, из которого сделаны мы, имеют значение только два самых лёгких вида кварков – верхний и нижний. Чтобы получился протон, надо взять два верхних кварка и нижний – и склеить вместе. Два нижних кварка и верхний дают нейтрон. А склеивает кварки друг с другом сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие играет ключевую роль в нашем обсуждении происхождения элементов, поэтому давайте поговорим о нём подробнее. Современная концепция атома появилась в 1911 году, когда Эрнест Резерфорд показал, что весь его положительный заряд сосредоточен в крохотной области пространства – атомном ядре.[30] Ядро оказалось в 1000 раз меньше, чем размер орбит электронов. Большая часть атома занята пустым пространством!