Kad mēs skatāmies uz Visumu, uz visām tā planētām un zvaigznēm, galaktikām un kopām, gāzi, putekļiem, plazmu, mēs visur redzam vienādus parakstus. Mēs redzam atomu absorbcijas un emisijas līnijas, mēs redzam, ka matērija mijiedarbojas ar citām matērijas formām, mēs redzam zvaigžņu veidošanos un zvaigžņu nāvi, sadursmes, rentgenstarus un daudz ko citu. Ir acīmredzams jautājums, kas jāpaskaidro: kāpēc mēs to visu redzam? Ja fizikas likumi diktē simetriju starp matēriju un antimateriālu, visumam, kuru novērojam, nevajadzētu pastāvēt.
Bet mēs esam šeit, un neviens nezina, kāpēc.
Kāpēc Visumā nav antimateriāla?
Padomājiet par šiem diviem šķietami pretrunīgajiem faktiem:
- katru reizi, kad mēs izveidojam kvarku vai leptonu, mēs izveidojam arī antikvarku un antileptonu;
- katru reizi iznīcinot kvarku vai leptonu, tiek iznīcināta arī antikvarka vai antileptons;
- radītajiem vai iznīcinātajiem leptoniem un antileptoniem jābūt līdzsvarā visā vasarāju saimē, un katru reizi, kad kvarks vai leptons mijiedarbojas, saduras vai sabrūk, kopējam kvarku un leptonu skaitam reakcijas beigās (kvarki mīnus antikvari, leptoni mīnus antileptoni) vajadzētu būt un būs tāds pats kā tas bija sākumā.
Vienīgais veids, kā mainīt vielas daudzumu Visumā, bija arī mainīt antimateriāla daudzumu par tādu pašu daudzumu.
Un tomēr ir vēl viens fakts.
Bet mēs neredzam nekādas pazīmes, ka antimateriāls iznīcinātu matēriju. Mēs neredzam pazīmes, ka dažas no zvaigznēm, galaktikām vai planētām, kuras mēs novērojam, būtu izgatavotas no antimatērijas. Mēs neredzam raksturīgos gamma starus, kādus varētu sagaidīt, ja antimateriāls saduras ar matēriju un tiek iznīcināts. Tā vietā mēs visur redzam tikai matēriju.
Reklāmas video:
Un tas šķiet neiespējami. No vienas puses, nav zināms veids, kā padarīt vairāk matērijas nekā antimatērija, aplūkojot daļiņas un to mijiedarbību Visumā. No otras puses, viss, ko mēs redzam, noteikti ir izgatavots no matērijas, nevis no antimateriāla.
Faktiski mēs esam novērojuši matērijas un antimatērijas iznīcināšanu dažos galējos astrofiziskos apstākļos, bet tikai pie hiperenerģētiskiem avotiem, kas matēriju un antimatēriju rada vienādos daudzumos - piemēram, melnos caurumus. Kad antimatērija saduras ar matēriju Visumā, tā rada ļoti specifisku frekvenču gamma starus, kurus mēs pēc tam varam noteikt. Starpzvaigžņu starpgalaktiskā vide ir pilna ar materiālu, un pilnīga šo gamma staru neesamība ir spēcīgs signāls tam, ka nekad vairs nebūs daudz vairāk antimateriāla daļiņu, jo tad tiktu atklāts antimateriālas vielas paraksts.
Ja jūs mūsu galaktikā iemetīsit vienu antimateriāla daļiņu, tas izturēs apmēram 300 gadus, pirms to iznīcinās matērijas daļiņa. Šis ierobežojums mums saka, ka Piena ceļā antimatērijas daudzums nedrīkst pārsniegt 1 daļiņu uz kvadriljonu (1015) attiecībā pret kopējo vielas daudzumu.
Lielā mērogā - satelītu galaktiku mērogā, lielās Piena ceļa lielās galaktikās un pat galaktiku klasteros - ierobežojumi ir mazāk stingri, taču joprojām ir ļoti spēcīgi. Novērojot attālumus, sākot no dažiem miljoniem gaismas gadu līdz trim miljardiem gaismas gadu, mēs esam novērojuši rentgenstaru un gamma staru trūkumu, kas varētu norādīt uz matērijas un antimatērijas iznīcināšanu. Pat lielā kosmoloģiskā mērogā 99,999% no tā, kas eksistē mūsu Visumā, noteikti pārstāvēs matērija (tādi, kādi mēs esam), nevis antimateriāls.
Kā mēs nonācām tādā situācijā, ka Visums sastāv no liela daudzuma matērijas un praktiski nesatur antimateriālu, ja dabas likumi ir absolūti simetriski starp matēriju un antimateriālu? Nu, ir divas iespējas: vai nu Visums ir dzimis ar vairāk matēriju, nevis antimateriālu, vai arī kaut kas notika agrīnā stadijā, kad Visums bija ļoti karsts un blīvs, un tas izraisīja matērijas un antimatērijas asimetriju, kuras sākotnēji nebija.
Pirmo ideju nevar zinātniski pārbaudīt, neatkārtojot visu Visumu, bet otrā ir ļoti pārliecinoša. Ja mūsu Visums kaut kādā veidā izveidoja matērijas un antimatērijas asimetriju tur, kur tas sākotnēji nebija, tad noteikumi, kas toreiz darbojās, šodien paliks nemainīgi. Ja mēs esam pietiekami gudri, mēs varam izstrādāt eksperimentālus testus, kas atklāj matērijas izcelsmi mūsu Visumā.
Sešdesmito gadu beigās fiziķis Andrejs Saharovs identificēja trīs nosacījumus, kas nepieciešami baroģenēzei vai vairāk baronu (protonu un neitronu) radīšanai nekā antiarioni. Šeit tie ir:
- Visumam ir jābūt bez līdzsvara sistēmai.
- Tam jābūt C un CP pārkāpumam.
- Jābūt mijiedarbībai, kas pārkāpj baronu skaitli.
Pirmo ir viegli novērot, jo paplašinošais un dzesējošais Visums ar nestabilām daļiņām tajā (un antidaļiņām) pēc definīcijas būs ārpus līdzsvara. Otrais ir arī vienkāršs, jo C-simetrija (aizstājot daļiņas ar antidaļiņām) un CP-simetrija (aizstājot daļiņas ar spekulāri atstarotām daļiņām) ir salauzta daudzās vājās mijiedarbībās, kurās iesaistīti dīvaini, apburoši un skaisti kvarki.
Paliek jautājums, kā sadalīt baronu skaitli. Eksperimentāli esam novērojuši, ka kvarku un antikvāru un leptonu un antileptonu līdzsvars ir skaidri saglabāts. Bet daļiņu fizikas standarta modelī nevienam no šiem daudzumiem atsevišķi nav skaidru saglabāšanas likumu.
Baryona pagatavošanai nepieciešami trīs kvarki, tāpēc katriem trim kvarkiem mēs piešķiram baronu skaitli (B) 1. Tāpat katrs leptons saņems leptona skaitli (L) 1. Antikvariem, antiarioniem un antileptoniem būs negatīvi B un L skaitļi.
Bet saskaņā ar standarta modeļa noteikumiem paliek tikai atšķirība starp baroniem un leptoniem. Pareizajos apstākļos jūs varat izveidot ne tikai papildu protonus, bet arī elektronus. Precīzi apstākļi nav zināmi, taču lielais sprādziens deva viņiem iespēju to realizēt.
Visus pirmos Visuma pastāvēšanas posmus raksturo neticami augstas enerģijas: pietiekami augstas, lai lielos daudzumos izveidotu visas zināmās daļiņas un antidaļiņas saskaņā ar Einšteina slaveno formulu E = mc2. Ja daļiņu radīšana un iznīcināšana darbojas tā, kā mēs domājam, agrīnais Visums būtu jāpiepilda ar vienādu skaitu matēriju un antimateriāla daļiņām, kas savstarpēji pārveidojās savā starpā, jo pieejamā enerģija palika ārkārtīgi augsta.
Kad Visums paplašinās un atdziest, nestabilas daļiņas, kas izveidotas pārpilnībā, sabruks. Ja tiek izpildīti pareizie nosacījumi - jo īpaši trīs cukura nosacījumi -, tas var izraisīt vielas pārsniegumu virs antimatērijas, pat ja sākotnēji tādu nebija. Fiziku izaicinājums ir izveidot dzīvotspējīgu scenāriju, kas saskanētu ar novērojumiem un eksperimentiem, kas var dot jums pietiekami daudz liekā materiāla pār antimatēriju.
Pastāv trīs galvenās iespējas šim matērijas pārmērīgajam saturam virs antimateriāla:
- Jaunā fizika elektrisko signālu skalā varētu ievērojami palielināt C un CP pārkāpumu daudzumu Visumā, kas novedīs pie asimetrijas starp matēriju un antimateriālu. SM mijiedarbība (caur sphalerona procesu), kas atsevišķi sadala B un L (bet saglabā B - L), var radīt vajadzīgos baronu un leptonu tilpumus.
- Jaunā augstas enerģijas neitrīno fizika, uz kuru atsaucas Visums, varētu radīt fundamentālu leptonu asimetriju: leptoģenēzi. Sphalerons, kas saglabā B - L, varētu izmantot leptona asimetriju, lai izveidotu baronu asimetriju.
- Vai arī baryogenesis lielās apvienošanās skalā, ja jaunā fizika (un jaunas daļiņas) eksistē grandiozajā apvienošanās skalā, kad elektriskās strāvas spēks tiek apvienots ar spēcīgo.
Šiem scenārijiem ir kopīgi elementi, tāpēc apskatīsim pēdējo, tikai piemēra labad, lai saprastu, kas varētu būt noticis.
Ja grandiozā apvienošanās teorija ir pareiza, ir jābūt jaunām, ļoti spēcīgām daļiņām, kuras sauc par X un Y, kurām ir gan baronam, gan leptonam līdzīgas īpašības. Jābūt arī viņu partneriem no antimatērijas: anti-X un anti-Y, ar pretējiem B-L skaitļiem un pretējiem lādiņiem, bet ar vienādu masu un kalpošanas laiku. Šos daļiņu un daļiņu pārus var radīt lielos daudzumos ar enerģijām, kas ir pietiekami augstas, lai pēc tam sabruktu.
Tātad mēs piepildām Visumu ar viņiem, un tad viņi sadalās. Ja mums ir C un CP pārkāpumi, var būt nelielas atšķirības daļiņu un antidaļiņu (X, Y un anti-X, anti-Y) sabrukšanas procesā.
Ja X daļiņai ir divi ceļi: sadalīšanās divos kvarkos uz augšu vai divos pret leju vērstā kvarkā un pozitronā, tad anti-X jāiet divos atbilstošos ceļos: divos pret-kvarkos vai leju kvarkā un elektronā. Ir būtiska atšķirība, kas pieļaujama, sadaloties C- un CP: X var būt lielāka varbūtība sadalīties divos kvarkos uz augšu, nekā anti-X divos pret-up kvarkos, savukārt anti-X ir vairāk ticams, ka sadalās kvarkos un elektronos nekā X - anti-up kvarkā un pozitronā.
Ja jums ir pietiekami daudz pāru un šādā veidā sadalās, jūs viegli varat iegūt barjonu pārpalikumu virs antiarioniem (un leptoniem virs antileptoniem), kur iepriekš tāda nebija.
Šis ir tikai viens piemērs, kas ilustrē mūsu izpratni par notikušo. Mēs sākām ar pilnīgi simetrisku Visumu, ievērojot visus zināmos fizikas likumus, un ar karstu, blīvu, bagātu stāvokli, kas vienādās daļās piepildīts ar matēriju un antimateriālu. Izmantojot mehānismu, kas mums vēl nav jānosaka, ievērojot Saharova trīs nosacījumus, šie dabiskie procesi galu galā radīja matērijas pārmērību virs antimatērijas.
Tas, ka mēs esam un ir veidoti no matērijas, nav noliedzams; jautājums ir iemesls, kāpēc mūsu Visums satur kaut ko (matēriju) un nevis neko (galu galā matērija un antimateriāla tika sadalīti vienādi). Varbūt šajā gadsimtā mēs atradīsim atbildi uz šo jautājumu.
Iļja Khel