Андрей Морозов Сразу после Большого взрыва, примерно 14 млрд лет назад, температура нашей Вселенной составляла около 1017 (100 тыс. млрд) градусов. Через три минуты – всего 10 млрд. Было горячо, однородно и изотропно (то есть параметры вещества новорожденной Вселенной были одинаковы по всем направлениям). В первые нано- и пикосекунды после Большого взрыва вещества и антивещества было поровну. По крайней мере это не запрещено никакими физическими законами. Но затем происходит нарушение этой суперсимметрии, и в итоге мы имеем то, что имеем – содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли. По некоторым оценкам, в ранней Вселенной примерно на 10 млрд частиц и античастиц приходилась одна лишняя частица. И этой неуловимой разницы оказалось достаточно, чтобы в итоге практически во всей наблюдаемой нами части Универсума осталось почти исключительно только вещество.
Откуда асимметрия
Этот экспериментально наблюдаемый парадокс получил в физике название «барионная асимметрия Вселенной».
С тех пор как это было осознано, физиков всегда мучил вопрос: каков механизм нарушения этой суперсимметрии? Роль причины сегодня чаще всего отводят одному из четырех фундаментальных взаимодействий – слабому. Оно ответственно за бета-распад ядра и элементарных частиц. Слабое взаимодействие – короткодействующее: проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2 x 10–18 м). Тем не менее именно слабыми взаимодействиями объясняют спонтанное нарушение симметрии между веществом и антивеществом сразу после Большого взрыва.
Доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории теории сложных систем Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Владик Аветисов в беседе с «НГН» пояснял: «Иногда понятие «спонтанное» воспринимается как аналог понятия «беспричинное». А это неправильно. Следует, как и в жизни, различать повод и причину.
Давайте представим, что нам удалось уравновесить в вертикальном положении карандаш на тонко заточенном кончике. Вы же прекрасно понимаете: муха пролетит рядом – карандаш упадет. В чем причина падения карандаша: в том, что муха пролетела или что карандаш стоит неустойчиво? Очевидно – второе. Так вот, слово «спонтанно» относится к мухе. Это, так сказать, повод. Причина же падения в том, что положение карандаша неустойчиво. Причина спонтанного нарушения симметрии – в неустойчивости симметричного состояния. А это уже имеет отношение к динамике, которая такую неустойчивость создает».
И вот, как сообщило агентство Би-би-си, канадскими учеными из Института теоретической физики предложена теория, которая «звучит как завязка фантастического романа, однако она помогает разрешить несколько парадоксов, не имеющих объяснения в современной науке».
Согласно новой модели, в момент Большого взрыва образовались две «симметричные» вселенные. В одной – там, где живем мы, – время потекло привычным нам образом, а другая – зеркальная – стала с такой же скоростью удаляться в прошлое. Другими словами, «наша Вселенная может быть лишь «зеркальным отражением» параллельного мира, созданного из антиматерии и несущегося в обратном направлении от Большого взрыва по шкале времени».
Би-би-си подчеркивает, что, хотя канадским физикам нужно доработать еще немало деталей новой теории, но в целом их работа не вызывает очевидных противоречий. Она опубликована в журнале Американского физического общества Physical Review Letters (статья называется «CPT-Symmetric Universe»).
Антивещество в лаборатории
Надо заметить, что ученые уже достаточно давно не только регистрируют остатки антивещества во Вселенной, но и создают его в лабораторных условиях.
Впервые существование античастиц было предсказано в 1930 году английским физиком Полем Дираком. В 1932 году в космических лучах были обнаружены положительно заряженные антиэлектроны (позитроны). В 1955 году на ускорителе в Беркли (США) впервые получены и антипротоны. В 1969 году советские физики на ускорителе Института физики высоких энергий в г. Протвино открыли ядра антигелия-3. В 1994 году в CERN группа японских физиков синтезировала некий достаточно устойчивый гибрид вещества и антивещества, в котором вокруг атомного ядра вращались один электрон и один протон.
Впервые атомы антиводорода лабораторно были получены в 1995 году в Европейском центре ядерных исследований (CERN, Женева). В 2010 году там же в эксперименте ALPHA удалось впервые получить холодный антиводород, то есть антивещество, атомы которого двигались достаточно медленно.
В конце 2010 года исследователи из Европейского центра ядерных исследований (CERN, Женева) объявили о том, что им удалось задержать отдельные атомы антиводорода в магнитной ловушке на 172 миллисекунды (0,172 с). Уже в 2011 году физики из группы STAR в экспериментах на коллайдере тяжелых ионов RHIC, расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории США, впервые получили ядро изотопа антигелия-4.
Время жизни ядер антигелия-4 неуловимо мало – антиматерия мгновенно соединяется с обычной материей с выделением большого количества энергии (аннигилирует). Космическому кораблю трех миллиграммов антивещества, используемого в качестве компонента ракетного топлива, хватило бы для полета на Марс. Аннигиляция 1 грамма вещества с антивеществом эквивалентна взрыву атомной бомбы мощностью в 10 килотонн. (Заметим, что «нормальный» двойник этого элемента – гелий-4 – самый распространенный изотоп этого элемента на Земле.)
Тогда, в 2011 году, американские физики специально подчеркивали, что обнаружение подобного антиэлемента в космосе будет означать, что либо в космосе существуют другие, неизвестные человечеству схемы получения антиматерии, либо эта антиматерия осталась после образования Вселенной. В общем, исследователям из Брукхейвенской национальной лаборатории удалось экспериментально повторить событие чрезвычайно редкое (редчайшее!) даже в масштабах Вселенной.
В 2012 году физики смогли изучить антивещество – атомы водорода удалось продержать в специальной электромагнитной ловушке около 1000 секунд.
В 2014 году, опять в CERN, были получены 80 атомов антиводорода. Причем впервые физикам удалось провести спектроскопический анализ антиводорода.
Новая космологическая модель, предложенная исследователями из Канады, дает и принципиально новое объяснение практического отсутствия антивещества в наблюдаемой Вселенной, то есть решает парадокс барионной асимметрии Вселенной.
«Новая модель, – пишет корреспондент Би-би-си по вопросам науки и технологий Николай Воронин, – предполагает, что Большой взрыв стал точкой симметрии, по разные стороны которой Вселенная и Антивселенная разлетелись во времени… Просчитав все возможные пары, физики пришли к выводу, что Антивселенная должна быть чрезвычайно похожа на нашу. Однако не является ее точной копией (в полном соответствии с квантовым принципом неопределенности).
Последнее уточнение позволяет физикам избежать сложных философских вопросов – например, о свободе воли. Ведь в противном случае происходящее в параллельной Вселенной должно было бы зеркально отражаться в нашей – или наоборот».
«Зеркало» для человечества
Однако в России всегда стремились отвечать прежде всего именно на философские вопросы. «Мы являемся свидетелями процессов только определенных типов, потому что процессы всех других типов проходят без свидетелей» – одна из формулировок так называемого антропного принципа. На уровне обыденного сознания что-то мешает принять его полностью и безоговорочно. Как бы там ни было, но, кажется, Home Sapiens, пусть подсознательно, никогда не оставлял своих претензий на качественное и количественное объяснение всего универсума.
Но именно это рано или поздно приводило к парадоксальному на первый взгляд выводу: все, что мы изучаем, происходит исключительно по эту сторону «зеркала» («человек познает не самое природу как таковую, а только контакт с нею»). Желание превозмочь антропный принцип и порождает почти мистическую потребность проникнуть в «зазеркалье».
Так, в 1999 году академик Виталий Гольданский, много занимавшийся изучением механизма процесса нарушения зеркальной симметрии органических молекул в эпоху предбиологической эволюции, в интервью «НГ» подчеркивал: «Да, на ранней стадии эволюции Вселенной, когда она была очень горячей, слабые взаимодействия действительно могли играть важную роль. Но ведь там мы имеем дело с элементарными частицами, обладающими очень высокими энергиями. На холодных же стадиях эволюции Вселенной, когда могли образовываться хиральные органические соединения, асимметричное влияние слабого взаимодействия было уже ничтожным. (Зеркально отраженные формы одного и того же химического соединения, оптические изомеры, вращают плоскость поляризации проходящего через них света в противоположные стороны. Эта особенность молекул одного и того же вещества – существовать в двух зеркально-антиподных формах – называется «хиральность», от греческого «хирос» – «рука». – «НГН».)
Роль асимметрии слабых взаимодействий, образно говоря, сводилась к тому, что синтезировались не в точности рацемические смеси из абсолютно одинакового количества правых и левых изомеров, а на каждые 1017 молекул, скажем, правой аминокислоты приходилось 1017+1 молекул левой аминокислоты. Это не могло существенно сказаться на процессе молекулярной эволюции. Поэтому мы считаем, что выбор знака хиральности биоорганического мира случаен: с таким же успехом могла возникнуть жизнь на основе правых аминокислот и левых сахаров».
И действительно, помимо сугубо космологических и астрофизических вопросов, на которые еще предстоит ответить канадцам, не меньше в их сценарии возникновения асимметричности материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной интригует вопрос о возможной биофизике Антивселенной. Как там устроено живое антивещество, какова динамика его эволюции?
«Если одним словом – то ничего во Вселенной, нашей или симметричной, не должно указывать на то, в какой именно из этих двух Вселенных вы находитесь, – пояснил в беседе со мной Владик Аветисов. – На уровне тех знаний, которыми владеем мы сейчас, ученые симметричной Вселенной должны считать свою материю материей, а нашу материю – антиматерией, свое время устремленным в будущее, а наше время – в прошлое и т.д. Я, правда, не советовал бы пробовать в этом убедиться фактически, поскольку любой физический контакт с сущностями антимира с неизбежностью ведет к аннигиляции, то есть взаимному уничтожению. Кстати, именно на этом была построена одна из гипотез нарушения барионной симметрии, высказанная еще Зельдовичем и Саакяном где-то в конце 70-х – начале 80-х прошлого века. Они предложили модель спонтанного нарушения симметрии в мире элементарных частиц, почти такую же, как мы в свое время для нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира. Вообще барионная асимметрия и хиральная асимметрия – очень похожие проблемы (хотя, мне кажется, и несвязанные) просто потому, что и там и там речь идет о нарушении симметрии».
Мы поинтересовались у профессора Владика Аветисова, можно ли все-таки что-то сказать про возможные формы жизни, про биофизику в гипотетической Антивселенной.
«Физика в антимире обязана быть такой же – с точностью до инверсии времени и «квантовых зарядов», – уверен Аветисов. – С этой же поправкой такой же должна быть химия, а значит, органическая химия и все остальное. И биофизика тоже. Но обязана ли антижизнь быть такой же, как наша жизнь? Формы живого есть результат эволюционной игры случая и закона. И я не думаю, что мы есть единственно возможный результат эволюции. А раз так, то сама форма жизни в антимире может отличаться от нашей. И в этом же смысле «их биофизика» может отличаться от нашей. При этом надо понимать, что точно такая же форма жизни (с поправкой на барионную симметрию) вполне могла бы быть и в нашем мире, но случилось так, что ветвь эволюции обошла «кочку» с другой стороны и ушла совсем в другую сторону. Здесь все именно так, как, кажется, у Рэя Брэдбери – про то, что случится, если вернуться в прошлое и сгубить там бабочку. Иначе говоря, фундамент физики однозначен, а вот результат эволюции – нет».
В доказательство сказанному можно привести такой пример из биологии – укладка белковой полимерной цепочки в определенную пространственную структуру.
Допустим, что в гигантской системе где-нибудь во Вселенной может одновременно реализоваться 1050 белковоподобных полимерных структур с различными, неповторяющимися укладками полимерной цепи. (Это число соответствует количеству атомов углерода в Солнечной системе.) Пусть каждую секунду во всех этих полимерных структурах одновременно происходит смена укладок без каких-либо повторений. Тогда за все время существования Вселенной наша система сможет «просмотреть» только такую часть различных вариантов укладок цепи, которая соотносится со всеми мысленно возможными вариантами, как капля воды и Мировой океан… Белковая молекула «находит» нужный вариант укладки за несколько десятков секунд.
Впрочем, осознание того факта, что кроме мира, данного нам в ощущениях, может существовать мир, с которым мы не можем в принципе «наладить контакт», уже само по себе, возможно, фундаментальное достижение.
комментарии(0)