VI. Откуда взялась материя?

Вероятно, самое важное, что объясняет инфляция, – то, откуда в нашей Вселенной взялся один лишний барион на миллиард и откуда вообще во Вселенной появилась материя. Но сначала нам нужно заполнить пару пробелов, имеющих отношение к материи и антиматерии.

Мы уже упоминали о том, что частицы и античастицы – попросту злобное альтер эго друг друга. Заметим ли мы, если какой-нибудь маньяк примчится на крыльях ночи и заменит все кварки антикварками, все электроны позитронами, а все нейтрино – антинейтрино и так далее? Это физики называют зарядовой симметрией. Согласно всему, что мы вам до сих пор говорили, все останется прежним.

До сих пор мы не говорили о том, каким образом зарядовая симметрия влияет на нашу Вселенную, но влияние это должно быть очень сильным, ведь очевидно, что все сделано именно из материи, а не из антиматерии. Как выясняется, нейтрино и антинейтрино не совсем одинаковы. Оба вертятся, как заведенные, но эксперименты показывают, что все нейтрино крутятся по часовой стрелке, а все антинейтрино – против часовой стрелки.

На первый взгляд кажется, что это не играет никакой роли, – но получается, что если заменить все частицы античастицами, разница все-таки будет. Но все можно исправить – стоит лишь не только заменить частицы античастицами, но и поменять местами право и лево. Это называется четностью или симметрией четности. В результате «по часовой стрелке» превратится в «против часовой стрелки» и наоборот.

Главный вопрос: если мы изменим и зарядовую, и параллельную симметрию, будет ли физика вести себя по-прежнему? Если да, значит, Вселенная не различает материю и антиматерию, и у нас нет ни малейшего представления, почему в нашей Вселенной в избытке и того и другого.

Тут к нам на помощь в очередной раз приходят эксперименты с ускорителями. При высоких энергиях производятся частицы под названием каоны – вместе со своими античастицами. По большей части каоны и антикаоны ведут себя одинаково и при распаде образуют очень похожие продукты. Однако примерно в одном случае из тысячи каоны производят не такие продукты распада, как антикаоны. Это крошечный феномен – но он показывает, что Вселенная на самом деле различает материю и антиматерию.

Суть в том, что как раз в конце эпохи великой унификации энергии были достаточно высоки, чтобы создавать гипотетическую частицу под названием Х-бозон. Х-бозоны были очень массивны и быстро распадались на другие частицы, в том числе на кварки и антикварки, – но их было не поровну. А вот анти-Х-бозон, по всей видимости, вел себя как раз противоположным образом, и в среднем эти частицы взаимоуничтожались. С другой стороны, если считать, что Х-бозоны вели себя как каоны, то есть античастицы не всегда в точности отражали обычные частицы, значит, мы получали несколько дополнительных кварков, а в конечном итоге – несколько лишних барионов.

Так что если вы хотите сказать крошке Билли, откуда он (и вся остальная материя во Вселенной) взялся, следует сказать ему, что все мы произошли от нарушения симметрии в первые 10^–35 секунд жизни Вселенной.

VII. Что произошло в самом начале времен?

Что-то вроде Начала Времен (t = 10^–43 секунды)

Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем сильнее разогрета Вселенная и тем спекулятивнее становятся наши выводы. Нельзя сказать, чтобы нам было так уж много известно об эпохе великой унификации, но поскольку мы знаем, как действуют все негравитационные силы, которые более или менее обеспечиваются одной единой теорией, ученые стремятся к тому, чтобы сделать хотя бы обоснованную догадку о том, какой должна быть великая теория унификации.

С другой стороны, мы не можем с уверенностью утверждать, что нащупали верный путь к тому, как сочетать гравитацию с другими силами или с квантовой механикой. Эти теории совпадают на той временно́й шкале, когда возникали черные дыры – причем эти черные дыры были больше, чем горизонт Вселенной. Нелепица? Еще бы. Время, о котором мы говорим, – это примерно 10^–43 секунд (42 нуля после десятичной запятой). Это волшебное число называется планковским временем, и мы не можем сказать ничего определенного о тогдашних событиях. В общем и целом это число возникает из формул – если мы подставляем туда все физические константы и спрашиваем, в какой момент совпадают гравитация и квантовая механика.

Как мы уже говорили в главе 4, невозможность примирить друг с другом квантовую механику и гравитацию – одна из центральных проблем физики вне стандартной модели. Для сглаживания противоречий пригодятся подходы вроде теории струн или петлевой квантовой теории гравитации, однако дознаться до истины мы пока что не в состоянии. Скажем, если верна петлевая квантовая теория гравитации, то существует не только минимальная измеримая дистанция, но и минимальное измеримое время. Вот, например, фильм кажется непрерывным и плавным, пока не заметишь, что он разбит на 24 кадра в секунду, – а вдруг и Вселенная тоже разбита на кадры?

Даже если время и пространство на планковских масштабах и не разбито на пиксели, путаницы там все равно предостаточно. В 1955 году Джон Уилер заключил, что если в вакууме постоянно создаются и уничтожают друг друга частицы, у них должно быть гравитационное поле. В результате на масштабах меньше планковской длины даже пустое пространство должно быть безнадежно деформировано и искажено. Уилер назвал это квантовой пеной, и если все так и обстоит (разумеется, никто этого глазами не видел), значит, существуют минимальное возможное расстояние и минимальный возможный размер.

Оставим все это ненадолго и проделаем один простенький фокус. Представим себе, что мы двигаемся в прошлое все дальше и дальше, и притворимся, что при этом не нарушается обычная общая теория относительности. Время, как и пространство, может свертываться и складываться само на себя. Иначе говоря, согласно общей теории относительности, никакого «до Большого взрыва» не было. Большой взрыв создал Вселенную, в том числе и время. Это все равно что спрашивать: «А когда стоишь на Южном полюсе, где там юг?»

Это несколько смущает – хотя мы преспокойно заявили, что ткань пространства расширяется, а материю можно создавать из ничего, но в обоих случаях от чего-то отталкивались. Даже при инфляции, когда размер Вселенной увеличивался в неимоверном темпе, все равно пришлось начинать с небольшого участка и представить себе, что он был очень податливый и мягкий. Когда мы создавали частицы, то начали с энергии. В результате, когда мы говорим о «сингулярности» Большого взрыва, возникает искушение представить себе Вселенную в целом как совсем крошечный и очень плотный комочек, который взял и взорвался. Беда в том, что эта картина полностью расходится со всеми нашими познаниями в физике. Да и модели создания Вселенной из бесконечно малой точки у нас нет.

На самом деле мы просто не знаем, что было до этого, поэтому и спрашивать у нас не стоит. Да-да. Не знаем, и все тут. Ну ладно, если вы так уж настаиваете, можем выдвинуть несколько догадок.