была сжатой до таких малых размеров, а ее температура достигала столь высоких значений, что даже протоны и нейтроны не могли сохраняться как целое, а составляющие их сверхэлементарные частицы — кварки — теряли последнюю симметрию своего взаимодействия, что позволяло им сблизиться еще ближе, чем тогда, когда они образуют тяжелые частицы.
Именно так объясняется колоссальное увеличение плотности материи и энергии в изначальные мгновения. Все объединилось в исходный период — материя, энергия, пространство. При этом понятие «пространство» включает в себя и время, ибо это четырехмерное «пространство — время» теории относительности.
По причине, нам неизвестной, это исходное и сверхсимметричное состояние неустойчиво. Мир выходит из него, спонтанно (самопроизвольно) расширяясь. При этом увеличение размеров пространства тесно связано с расширением содержащейся в нем материи и энергии. Плотность и температура быстро уменьшаются. Говоря «быстро», нужно помнить, что время внутри и вблизи такой огромной массы (объединяющей всю массу Вселенной), в соответствии с общей теорией относительности, течет очень медленно по сравнению с нашими масштабами времени. Однако, для того чтобы не терять связи с привычными понятиями, мы будем пользоваться общепринятыми единицами — сантиметрами для измерения расстояний в пространстве и секундами для измерения промежутков времени.
Оценки показывают, что измеренная по современной шкале температура исходного сверхплотного сгустка превышает огромную величину, содержащую по крайней мере 22 нуля после какой-нибудь значащей цифры. В связи с тем, что на ближайших страницах нам придется часто иметь дело с такими огромными числами, условимся применять для них сокращенную запись, а именно: указывать количество нулей соответствующей степенью числа 10. В данном случае это 1022 К, где К указывает, что температура измерена по шкале Кельвина.
В этом адском котле постоянно рождаются и немедленно аннигилируют все известные и еще неизвестные нам частицы. При этом невозможно обнаружить никаких индивидуальных различий между ними даже на расстояниях столь малых, что перед первой значащей цифрой, выражающей эти расстояния, стоят 33 нуля. (Для сокращения записи мы будем писать 10–33 см, где знак «минус» в показателе степени означает, что нули стоят перед единицей.) На этих малых расстояниях наиболее слабое из известных полей — гравитационное поле — оказывается столь же сильным, как остальные известные поля — электромагнитное, слабое и сильное.
В настоящее время не существует теории, способной описать это начальное состояние с его огромной температурой и плотностью. Однако это не значит, что науке ничего не известно о наиболее раннем этапе развития той Вселенной, в которой мы живем. Можно с уверенностью сказать, что уже тогда соблюдался ряд известных законов. Например, закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд первоначального сгустка был равен нулю точно так же, как равен нулю полный электрический заряд современной Вселенной. Поэтому заряженные частицы, как и сейчас, рождались и исчезали (аннигилировали) только парами. Так электрон может родиться только в паре со своей античастицей, положительно заряженным антиэлектроном — позитроном. Этот закон связан со свойствами фотонов, участвующих в рождении и аннигиляции электронно-позитронных пар. Фотоны не имеют ни заряда, ни массы покоя — значит, они могут родиться только в ходе процесса, где участвуют частицы, суммарный заряд которых равен нулю.
Обретение истины
Первичное, предельно симметричное состояние Вселенной характеризовалось, по-видимому, и тем, что количество частиц любого типа точно равнялось количеству соответствующих античастиц. Но это длилось очень недолго в нашем масштабе времени. За время, выражаемое в секундах числом, перед которым стоят 35, а может быть, и 40 нулей (10–35 или 10–40 сек), Вселенная расширилась и остыла настолько, что в ней произошло первое нарушение симметрии. Причина его точно неизвестна. Возможно, это было просто случайное отклонение от первоначального симметричного состояния. Суть же его состоит в том, что при температуре порядка 1018 К во Вселенной оказалось чуть больше частиц, чем античастиц.
Для этой области температур уже существует достаточно надежная теория, позволяющая производить расчеты и делать предсказания, то есть удовлетворяющая всем требованиям к научной теории. Она называется теорией Большого объединения, ибо позволяет рассматривать совместно все известные сейчас силовые поля (кроме гравитационного поля) и рассматривать все частицы как члены единого семейства. Такое объединение становится возможным на расстояниях 10–29 см при температуре 1018 К, при которой происходит первое спонтанное нарушение всеобщей симметрии первичного состояния Вселенной — разделение частиц и античастиц.
Температура 1018 К — это та граница, ниже которой разность между числом частиц и числом античастиц, установившаяся при более высокой температуре, уже никогда более практически не нарушается. Поэтому случайное преобладание частиц на этом температурном рубеже сохранится на всем протяжении дальнейшей эволюции Вселенной. Так современная теория эволюции Вселенной решает полувековую загадку антимира. Загадку о том, почему мы живем в мире частиц, а не античастиц.
После того как Дирак предсказал существование позитрона, а затем в 1932 году Андерсон обнаружил его, были предсказаны и обнаружены другие античастицы, и многие ученые пытались выяснить, почему наш мир состоит из частиц, а античастицы рождаются очень редко и только при некоторых взаимодействиях с участием частиц, обладающих очень большой энергией. Такие частицы приходят к нам из космоса в составе космических лучей или получаются при помощи наиболее мощных ускорителей заряженных частиц. Вместе с тем в потоке космических частиц, несмотря на тщательные поиски, до последнего времени не удавалось обнаружить свободных античастиц. Только недавно единственная такая античастица была обнаружена, однако совершенно не доказано — не возникла ли она в результате взаимодействия первичных космических частиц, происшедшего так далеко, что эта античастица сильно удалилась от своего близнеца — частицы — и поэтому была зарегистрирована как одиночка.
Уверенность в симметрии мира раньше заставляла некоторых ученых предполагать, что где-то во Вселенной существует антимир, зеркальный нашему. Этот антимир был бы очень кстати, он восстановил бы общий баланс частиц и античастиц во Вселенной. Другие предполагали, что половина видимых галактик состоит из антиматерии, но обнаружить это невозможно, ибо идущие от них антифотоны неотличимы от обычных фотонов (фотон, не обладая ни зарядом, ни массой покоя, совпадает со своей античастицей). Опровергнуть эти гипотезы невозможно. Но они противоречат общему духу науки, которая, начиная с Ньютона, отвергает гипотезы, созданные для объяснения единичного факта. В данном случае фактом является неудача или невозможность обнаружения антимира или хотя бы скоплений антивещества.
Новая теория приходит к выводу о том, что существование нашего мира, состоящего из вещества, не скомпенсированного антивеществом, есть прямое следствие сложившейся эволюции Вселенной. Эта эволюция описывается теорией, и целый ряд ее предсказаний уже подтвержден опытом. Существующее положение вещей должно было сложиться именно так, как сложилось при перевесе частиц над античастицами всего на одну лишнюю частицу в каждом миллиарде
