Темная материя и число ω: Почему вещество, а не антивещество?

Пока что мы не знаем ни о том, какие конкретно частицы могли существовать на самых первых стадиях развития Вселенной, ни о том, сколько из них могли пережить эти стадии. В случае, если, как я считаю, основной вклад в значение числа Ω вносят новые виды частиц, наша космическая непритязательность продвинется еще на ход вперед. Мы привыкли к укоренившейся по окончании Коперника мысли о том, что не занимаем особенного, центрального места в космосе, но сейчас нам кроме этого направляться отвергнуть и «шовинизм частиц». Атомы, из которых состоят наши тела, и все видимые звезды и галактики являются просто вторичным материалом во Вселенной, где структуры Большого масштаба управляются какими-то совсем иными (и невидимыми) субстанциями. Мы видим, что называется, всего лишь пену на гребнях волн, а не сами огромные волны. Мы должны допустить возможность того, что нашим космическим соседом окажется тьма, складывающаяся из фактически малоизвестного материала.

Простые атомы, по всей видимости, составляют во Вселенной «меньшинство». Их окружают рои частиц разных видов, переживших первые мгновения Большого взрыва. Но куда более таинственным есть вопрос: по какой причине по большому счету имеется какие-то атомы – по какой причине наша Вселенная не состоит только из чёрной материи?

Для каждого вида частиц существует соответствующая античастица. Имеется протоны (складывающиеся из трех кварков) и антипротоны (складывающиеся из трех антикварков). Противоположностью электрона есть позитрон. Античастицы аннигилируют при встрече с простыми частицами, и их энергия (mc2) преобразовывается в излучение. Никакая антиматерия не существует много ни в Земли, ни на поверхности. Крупицы ее смогут быть взяты в ускорителях, где частицы разбиваются приятель о приятеля с энергией, достаточной для создания дополнительных пар частиц и античастиц. Антивещество было бы совершенным горючим для ракет. В то время, когда оно аннигилирует, вся его энергия массы спокойствия высвобождается, в отличие от малой доли ε = 0,007 для ракет, приводимых в движение термоядерной реакцией. Антивещество должно быть запрятано от простой материи, в противном случае оно выдаст себя замечательным гамма-излучением при аннигиляции. Мы можем быть уверены, что вся наша Галактика – все ее звезды и газ – складывается из вещества, а не из антивещества. Ее содержимое неизменно перемешивается и перерабатывается при рождении и смерти звезд, и если бы сначала половину ее составляла материя, а вторую – антиматерия, то на данный момент не осталось бы ничего. Но в более больших масштабах это сочетание возможно другим: к примеру, мы не можем опровергнуть предположение о том, что сверхскопления галактик состоят вперемежку из вещества и антивещества. Тогда по какой причине существует видимое смещение в сторону одного вида материи?

В замечаемой нами Вселенной содержится 1078 атомов (в основном это атомы водорода, любой из которых складывается из протона и электрона), но антиатомов в ней, по всей видимости, не так много. Самая несложная вселенная, какую лишь возможно представить, начнется с частиц и античастиц, перемешанных в равной пропорции. К счастью, наша Вселенная не такая, в противном случае все протоны аннигилировали бы с антипротонами на первых стадиях, в то время, когда плотность была высока. Все бы закончилось громадным числом излучения и чёрной материи, но ни атомы, ни звезды, ни галактики не появились.

По какой причине появляется такая асимметрия? Целых 1078 «лишних» атомов могли быть тут сначала, но такое количество думается неестественно огромным, дабы его возможно было принять просто как часть «первоначальных условий». Русский физик Андрей Дмитриевич Сахаров, известный своей ролью в создании водородной бомбы, а в последние годы существования СССР как инакомыслящий, привнес кое-какие провидческие идеи в космологию. В 1967 г. он задумался, могла ли маленькая асимметрия, появившаяся сразу после Большого взрыва, «дать предпочтение» частицам перед античастицами. Это неравновесие могло создать маленький излишек кварков если сравнивать с антикварками (что в итоге вылилось в перевес протонов если сравнивать с антипротонами).

Мысль Сахарова очевидно требует некоторого отклонения от совершенной симметрии между антивеществом и веществом. Подтверждение для того чтобы явления нашли в 1964 г. два американских физика – Джеймс Кронин и Вал Фитч, что стало необычным событием в то время. Они изучали распад нестабильных частиц, каковые называются К-мезонами. Ученые поняли, что эта частица и ее античастица не являются совершенными зеркальными отражениями друг друга, но распадаются с маленьким расхождением в скорости. (Это указывает, что, в случае, если мы случайно установим контакт с инопланетными физиками, каковые смогут рассказать нам об опытах, проведенных в другой галактике, мы сможем сказать, состоят ли они из материи либо антиматерии, – было бы весьма осмотрительно это уточнить, перед тем как планировать встречу!) Распад К-мезонов затрагивает лишь так именуемое «не сильный сотрудничество» (которое руководит радиоактивностью и нейтрино), а не сильное ядерное сотрудничество. Однако в объединенной теории сотрудничеств данный тип асимметрии поставил одну силу над другой, подведя базу под идею Сахарова.

Предположим, что для каждой из 109 пар «кварк – антикварк» такая асимметрия додаёт один лишний кварк. На протяжении охлаждения Вселенной антикварки будут аннигилировать с кварками, испуская кванты излучения. Сейчас оно, остыв до низких температур, объясняет 2,7-градусное фоновое излучение, заполняющее межгалактическое пространство. Но на любой миллиард кварков, каковые аннигилировали с антикварками, один остался, в силу того, что не отыскал себе пары для аннигиляции. Во Вселенной в действительности более чем в 1 млрд раза больше квантов излучения (фотонов), чем протонов (на 1 м3 приходится 412 млн фотонов и 0,2 протона), и все существующие во Вселенной атомы могли остаться в следствии маленького перевеса вещества над антивеществом. Быть может, мы и вся видимая Вселенная около нас существуем лишь благодаря отличию в девятом символе между количеством антикварков и кварков.

Наша Вселенная содержит атомы, а не антиатомы, из-за маленького «преимущества», которое существовало на весьма ранней стадии ее развития. Это, само собой разумеется, подразумевает, что протоны (либо составляющие их кварки) смогут время от времени появляться либо исчезать без того, дабы то же самое происходило с антипротонами. Тут все происходит не так, как в результирующем электрическом заряде: там соотношение сохраняется точно, исходя из этого в случае, если Вселенная внезапно начнет разряжаться, то в любой момент будет сберигаться равенство положительных и отрицательных зарядов.

Атомы не существуют всегда, не смотря на то, что скорость их распада есть очень низкой: наиболее точные расчеты показывают, что время жизни атома образовывает приблизительно 1035 лет. Это указывает, что в резервуаре, наполненном 1000 т воды, в среднем будет распадаться один атом в год. Опыты, проводимые в таких же огромных подземных резервуарах, как те, каковые проводятся для обнаружения нейтрино, не дают таковой чувствительности, но из них мы уже точно выяснили, что срок жизни атома по крайней мере превосходит 1033 лет.

В отдаленном будущем все звезды превратятся в холодные белые карлики, нейтронные звезды либо черные дыры (The Black Hole). Но и сами белые карлики и нейтронные звезды разрушатся, в то время, когда распадутся атомы, из которых они состоят. В случае, если это разрушение займет 1035 лет, то тепло, выделившееся при таком долгом распаде, вынудит каждую звезду излучать, как бытовой электрический обогреватель. В далеком будущем, в то время, когда все звезды истощат свои запасы ядерной энергии, эти не сильный излучатели будут единственными источниками тепла, если не считать случайных вспышек, появляющихся при столкновении звезд.