§ 3. Вселенная из вещества и антивещества

До сих пор мы считали, что весь наблюдаемый сегодня мир - звезды, галактики и т. д. - состоит практически только из вещества, но не антивещества.

После открытия античастиц и создания физической теории зарядовой симметрии свойств элементарных частиц идея зарядовой симметрии мира как целого приобрела необычайную привлекательность^*. В чем состоит эта идея? Она высказывалась в разных вариантах применительно к разным масштабам. Наиболее смелым является предположение, что даже в Галактике представлены звезды и антизвезды и в Солнечную систему вторгаются куски антивещества (метеоры,кометы). Наиболее осторожное предположение состоит в том, что одни скопления галактик состоят из вещества, другие - из антивещества.

^* (О зарядовой симметрии элементарных частиц (т. е. одинаковости свойств частиц и античастиц), о нарушении этого свойства в так называемых слабых и сверхслабых взаимодействиях см. Ц. Ли, Ц. By. Слабые взаимодействия. - М.: Мир, 1968.)

Может ли возникнуть такая структура, реальна ли она? Одна из моделей зарядово-симметричной Вселенной была создана в работах Клейна и Альвена. Они предложили весьма остроумный механизм разделения частиц и античастиц магнитным и гравитационным полями. Однако надо подчеркнуть, что исходным состоянием альвеновской модели является плазма малой плотности, не находящаяся в равновесии с излучением. Альвен отказывается от горячей космологической модели с сингулярностью, так что объяснение реликтового излучения в его теории затруднительно.

Особое направление зарядово-симметричной теории развивает Омнес. Возможно, хотя и не доказано, что на самых ранних этапах расширения при очень высокой температуре плазма с большим равновесным содержанием барионов и антибарионов спонтанно распадается на две фазы,- с избытком барионов и с избытком антибарионов. Первоначально размеры соответствующих областей малы, но затем они увеличиваются.

Омнес полагает, что вступает в действие гидродинамический механизм разделения - коалесценция, слияние Областей вещества между собой и, соответственно, слияние областей антивещества. Предполагаемый механизм связан с выделением энергии при аннигиляции на поверхности раздела. При рассмотрении этого вопроса принято вспоминать поведение капель воды на раскаленной плите, их движение под влиянием испарения - феномен Лейденфроста (1745-1794). Если поверхность раздела фаз искривлена, то возникнет разность давлений. Давление сильнее с той стороны, которая охвачена поверхностью. Поверхность раздела будет перемещаться так, что радиус кривизны ее уменьшится. Таким образом, выделение энергии аннигиляции феноменологически действует наподобие поверхностного натяжения, вызывая движение, уменьшающее поверхность раздела вещества и антивещества.

Омнес полагает, что за счет этих механизмов к моменту рекомбинации размеры областей увеличиваются (с учетом также и общего расширения) до 10²²см. Это соответствует обособлению масс около 10¹¹ М - порядка масс больших галактик.

Надежный расчет коалесценции весьма труден. Можно опасаться резкого преувеличения эффекта в расчетах Омнеса; к тому же аннигиляция на предыдущем этапе, до начала движения, по-видимому, проходит глубже, чем предполагает Омнес.

Однако еще важнее трудности, с которыми встречается теория симметричной Вселенной при сопоставлении с наблюдениями.

По формулам Омнеса коалесценция сопровождается выделением энергии аннигиляции, в 20 раз превышающей плотность лучистой энергии в реликтовом излучении к данному моменту. Рассмотрение этого процесса показывает, что выделение в 20Q раз меньшей энергии должно приводить к заметным искажениям спектра реликтового излучения в хорошо исследованной длинноволновой части спектра.

Таким образом, необходимое для теории Омнеса выделение энергии в сотни раз больше верхнего предела, совместимого с наблюдениями.

В любых зарядово-симметричных теориях нельзя избежать аннигиляции там, где перемешиваются вещество и антивещество. При этом должны происходить характерные цепочки реакций р + p = π⁰ + другие частицы, π⁰ → 2γ с энергией гамма-квантов в интервале 50 - 200 Мэв.

Специальные поиски такого гамма-излучения дали отрицательный ответ. Однако расчет ожидаемого фона в различных вариантах зарядово-симметричной теории не прост. Для его проведения нужно задаться еще различными предположениями. Очень серьезным возражением против зарядово-симметричной теории является следующий. В такой теории области, занятые веществом, и области, занятые антивеществом, резко разграничены; на границе равна нулю плотность как вещества, так и антивещества. Это значит, что контраст плотности вещества порядка единицы имеется все время. Конденсация объектов, изолированных друг от друга, начинается сразу после рекомбинации. Но в таком случае плотность объектов должна быть порядка плотности вещества в момент рекомбинации, т. е. р ≈ 10^-20г*см³: Между тем плотность галактик ~ 10^-24г*см³, плотность скоплений галактик порядка 10^-27г*см³.

Подытоживая изложенное о теориях Омнеса, Альвена и других теориях, следует сказать, что все эти остроумные и красивые теории встречаются со столь большими трудностями и противоречиями с наблюдениями, что они, по-видимому, не могут соответствовать реальной Вселенной.

Вселенная, по всей видимости, состоит главным образом из частиц, но не античастиц. Возникает вопрос, почему именно из частиц? Это еще один из нерешенных вопросов. Выдвигались разные гипотезы, пытавшиеся ответить на этот вопрос, но пока убедительного ответа еще нет.