Античастицы во Вселенной

Мир, в котором мы живем, далек от равновесия, и он настолько велик и сложен, что тепловое равновесие в нем никогда не наступит. Удивительно не то, что во Вселенной нет полного равновесия, а то, насколько Вселенная велика и насколько далека она от равновесия.

Одна из загадок Вселенной состоит в том, куда девалось антивещество? Почему во Вселенной есть только протоны и нейтроны и нет никаких признаков существования антипротонов и антинейтронов, кроме тех быстро исчезающих частиц, которые попадаются в космических лучах. Естественно спросить, какие процессы могли привести к практически полному исчезновению античастиц? Можно, конечно, сказать, что Вселенная такой и возникла, и не стоит придумывать, что происходило в очень молодой Вселенной, о которой мы все равно ничего узнать не можем. Именно так и рассуждали раньше, приходя к заключению, что этот вопрос бессмыслен, так как ответ находится за пределами науки. Тем не менее вопрос не исчез, ибо теория утверждала, что молодая Вселенная имела очень высокую температуру, в ней частицы и античастицы должны были быть представлены примерно в одинаковом числе. Это значит, что антинуклоны могли исчезнуть только при охлаждении Вселенной.

Обсуждая эту проблему, физики в Москве пришли к заключению, что должны быть выполнены три условия. Как в русской сказке, чтобы получить полцарства (нуклоны без антипуклонов), надо было решить три загадки.

Начнем с первой. Развиваясь, молодая Вселенная уходила все дальше и дальше от равновесия и избавлялась от антинуклонов. Отсюда первое условие: Вселенная должна быть неравновесной, ее расширение должно происходить достаточно быстро, чтобы возникшая зарядовая асимметрия не успевала исчезнуть.

Так мы приходим к первому условию, что частицы могли исчезнуть только в неравновесной Вселенной. Это условие, конечно, выполнено - Вселенная расширяется. Но этого мало.

В природе существует очень строгий закон - закон сохранения барионного числа, или барионного "заряда". В мире без античастиц этот закон требует, чтобы число нуклонов - протонов и нейтронов (мы забудем о гиперонах, которых в природе практически нет) - не изменялось. И этот закон выполняется с огромной точностью. Он обеспечивает устойчивость Вселенной и в конце концов существование самих физиков, которые пытаются понять ее законы.

Если в системе есть антинуклоны, то при счете числа нуклонов (или, что тоже самое, барионного числа) каждую пару нуклон - антинуклон нужно выкидывать из счета - пары могут рождаться и исчезать, не нарушая закона.

В такой системе сохраняется разность числа нуклонов и антинуклонов: формально нуклону приписывается "барионный заряд" +1, а антинуклону - (-1), тогда барионное число есть просто сумма барионных зарядов всех частиц и античастиц и закон принимает форму сохранения барионного заряда.

Чтобы во Вселенной исчезли антипротоны и антинейтроны (а они должны были родиться в одинаковом количестве с протонами и нейтронами в Большом взрыве), необходимо, чтобы "сверхточный" закон сохранения был на самом деле не вполне точным; необходимо, чтобы антипротон (а значит, и протон) был неустойчив и распадался бы, например, на пионы (π-мезоны) или мюоны (μ-мезоны). Теория элементарных частиц даже предсказывала (в некоторых своих вариантах, так как полной теории пока еще нет), что среднее время жизни протона должно составлять порядка 10³⁰-10³³ лет: за такое время должно распасться около половины всех протонов. Такой ничтожной вероятности распада хватает на то, чтобы объяснить асимметрию; но, к сожалению, в опытах пока не удалось зарегистрировать ни одного случая распада протона. Может быть, вероятность распада еще меньше - тогда даже во многих кубометрах воды, заполняющих огромные счетчики, нельзя надеяться зарегистрировать хотя бы один распад. Нестабильность протона - второе условие для исчезновения антинуклонов.

Природа пока не спешит помочь физику. Но даже если протон и распадается, то надо, чтобы распад антипротонов и протонов приводил бы к неравенству положительных и отрицательных частиц, родившихся при этих распадах; надо, как говорят физики, чтобы не сохранялась зарядовая четность. Это есть третье условие.

Время распада частицы и время распада античастицы строго равны между собой - это есть следствие теории (нарушения не наблюдалось!). Однако схема распада частиц может отличаться от схемы распадов античастиц. Такое явление наблюдалось (так оно и было открыто) у K-мезонов. Естественно думать, что оно есть и в распадах нуклонов. Например, нейтрон может распадаться на π⁺ (положительный π-мезон) и электрон с большей вероятностью, чем антинейтрон распадается на π^--мезон и позитрон. Это различие может компенсироваться, например, распадами нейтрона на е^- и антинейтрино υ.

В результате таких распадов создается избыток π⁺- мезонов по сравнению с π^--мезонами, которые, сталкиваясь с уже возникшими частицами, будут превращаться в протоны и нейтроны с большей "охотой", чем в античастицы; избыток нуклонов по сравнению с антинуклонами будет все время расти.

Остается все же ждать, когда экспериментаторы получат сигнал от первого распавшегося в их установках протона. Тогда будут выполнены все три условия - и откроется путь к объяснению одного из самых удивительных свойств Вселенной.

В Большой Вселенной происходит множество событий самых разных масштабов. Вселенная сейчас не похожа на тот образ, который представляли себе сто лет назад. Представления о Солнечной системе и о сфере неподвижных звезд, рассеянных в бесконечном совершенно пустом пространстве, порождали мысли о конце науки. Сейчас нельзя себе даже представить картину, более далекую от действительности. Мир естествоиспытателя в начале нашего века простирался от атомов (размеры 10^-8 см) и атомных ядер (размеры 10^-12 см) до дальних галактик, расстояния до которых оцениваемы лишь в десятках тысяч световых лет, т. е. величии порядка 10²² см. Мир современного физика и астронома стал неизмеримо больше. Ускорители помогли достичь рубежа в 10^-16 см, а астроном знает сейчас о квазарах, расположенных на расстоянии миллиардов световых лет, т. е. ∼10²⁷-10²⁸ см. Мир, как это нетрудно сосчитать, возрос по размерам в 10⁶ раз (или по объему в 10¹⁸ раз!).

Но самое главное изменение, которое произошло в нашем представлении о Вселенной, не ограничено лишь изменением ее размеров. Главное, что Вселенная предстает перед нами как динамическая, вечно развивающаяся система, состояние которой очень далеко от статической Вселенной прошлого века. Там, где раньше видели пустоту или застывшие мертвые звезды, астрономы нашего времени видят столкновение галактик и взрывы звезд^*. Температуры в десятки тысяч градусов на поверхности звезд соседствуют с холодным газом реликтовых фотонов. Где-то в звездных недрах господствуют температуры в миллионы градусов - там лежит мир ядерного синтеза. Где-то в еще больших глубинах идет синтез ядер (нуклеосинтез, как его называют по-научному). Астрофизики уверены, что развитие во Вселенной охватывает всю возможную шкалу температур от кельвинских до планковских. Все это означает, что Вселенная фантастически далека от равновесия и никакая смерть ей не грозит в теоретически обозримый период времени. Физики прошлого не могли себе представить, какой источник энергии питает Вселенную. Сейчас мы думаем, что таким источником могут быть ядерный синтез, черные дыры и даже флуктуации вакуума. Какие бы ни были эти источники энергии, мы можем сказать сейчас, что за всю историю Вселенной они не истратили сколько-нибудь заметной доли заключенной в ней энергии. Так что нет никаких оснований волноваться за ее судьбу.

^* (26 февраля 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии 170 000 св. лет от нас взорвалась сверхновая звезда. Может быть, на ее месте останется черная дыра?)