Ответ на этот вопрос является ключом к пониманию того, почему что-либо существует.
Ключевые выводы
- Когда Вселенная зародилась, космос был полон энергии. Поскольку энергия может превращаться в материю и антиматерию, по мере остывания Вселенной энергия должна была сделать равные части материи и антиматерии.
- Однако, когда мы смотрим вокруг, мы приходим к загадочному выводу: Вселенная, которую мы видим, состоит исключительно из материи. Нет никакого объяснения этой фундаментальной «асимметрии».
- Понимание того, почему Вселенная была создана из большего количества материи, чем антиматерии, является ключом к пониманию того, почему что-либо существует.
Ученым известно невероятное количество экзотических вещей. Например, мы знаем, что Вселенная возникла почти 14 миллиардов лет назад в результате катастрофического события, называемого Большим взрывом. Первое экспериментальное доказательство того, что Большой Взрыв произошел, было сообщено в 1929 году, и в последнее столетие оно только усилилось. Нет никаких сомнений в том, что это произошло.
Мы также знаем, что помимо обычной формы материи, из которой состоят мы с вами, существует экзотическая форма, называемая антиматерией, обладающая тем свойством, что при соприкосновении с обычной материей два уничтожают друг друга в ошеломляюще большой вспышке энергии. Действительно, грамм антиматерии при контакте с граммом материи выделит примерно такое же количество энергии, как атомная бомба 1945 года, разрушившая Хиросиму.
Хотя соединение материи и антиматерии может создавать энергию, верно и обратное. Энергия может создавать материю и антиматерию в равных количествах. Впервые антиматерия была обнаружена в 1931 году, и опять-таки дело только укрепилось. Существование антиматерии общепризнанно, так что она сыграла заметную (и отчасти реалистичную) роль в блокбастере Дэна Брауна «Ангелы и демоны».
Дело с антивеществом
Хотя данные, доказывающие существование Большого взрыва и антивещества, просто ошеломляют, существует проблема. Если объединить эти два факта, возникает загадочная загадка: они не могут одновременно быть правдой или, как минимум, история неполна.
Вот в чем проблема. Когда Вселенная началась, космос был полон энергии. Энергия может превращаться в материю и антиматерию. Когда Вселенная расширилась и остыла, вся эта энергия должна была образовать материю и антиматерию в равных количествах. Тем не менее, когда мы оглядываемся вокруг, мы приходим к загадочному выводу: Вселенная, которую мы видим, состоит исключительно из материи.
Это в далекой-далекой галактике?
Распространенное предположение состоит в том, что, возможно, антивещество просто находится «где-то там» во Вселенной. Ведь если материя и антиматерия не соприкасаются, то и проблемы нет. В принципе, Луна может быть антивеществом. Однако мы знаем, что это неправда. Например, поскольку Нил Армстронг и весь лунный посадочный модуль были сделаны из материи, если бы Луна была сделана из антиматерии, когда космический корабль коснулся поверхности Луны, произошел бы сильный взрыв. Но этого не произошло, поэтому мы знаем, что Луна состоит из материи.
Исследование других планетарных объектов приводит к такому же выводу для нашего космического соседства: Солнечная система состоит из материи. Но как насчет других звезд? Мы можем быть уверены, что другие звезды в галактике Млечный Путь также состоят из материи.
Звезды, подобные нашему Солнцу, постоянно испускают частицы, называемые в нашей планетной системе «солнечным ветром». В основном он состоит из атомов Солнца, которые вылетают в межзвездное пространство.
Если бы существовали звезды из антиматерии, они бы выбрасывали атомы антиматерии, а атомы материи и антиматерии смешивались бы в недрах между звездами. Иногда атомы материи и антиматерии соприкасались и аннигилировали. Когда это произойдет, результатом будет очень специфическая форма гамма-излучения (подобная очень энергичному рентгеновскому излучению).
Поскольку такого гамма-излучения обнаружено не было, мы уверены, что другие звезды также состоят из материи. И тот же принцип исключает существование галактик из антивещества. В межгалактической пустоте между галактиками газовые облака, окружающие галактики, соприкоснулись бы, и мы узнали бы, столкнулись ли облако материи и антиматерии.
Итак, где вся антиматерия?
Если нас не спасает возможность существования галактик из материи и антиматерии, то где мы? У нас остается очень странная возможность, что каким-то образом, когда Вселенная возникла, материи было больше, чем антиматерии. И, похоже, это действительно так.
Доказательства указывают на то, что в самом начале истории Вселенной, менее чем через секунду после ее начала, на каждые два миллиарда частиц антиматерии приходилось два миллиарда и одна частица материи. Два миллиарда частиц материи и антиматерии аннигилировали друг друга, оставив одну частицу материи, чтобы соединиться со всеми другими оставшимися частицами материи, чтобы составить материю, которую мы сейчас видим вокруг нас.
Энергия, высвобождаемая при аннигиляции материи и антиматерии, находится повсюду. Мы видим это как ванну радиоволн, называемую космическим микроволновым фоновым излучением (CMB). Именно путем измерения реликтового излучения и подсчета протонов во Вселенной было определено соотношение материи и антиматерии.
Загадка асимметрии
Как возможно, что в материи и антиматерии ранней Вселенной мог быть крошечный дисбаланс? Мы не знаем, но у ученых есть некоторые идеи.
Например, в 1960-х годах ученые обнаружили, что Вселенная немного отдает предпочтение определенным субатомным частицам материи по сравнению с их эквивалентами из антиматерии. Эти частицы называются кварками. Однако различия между кварками и кварками антивещества недостаточно для объяснения Вселенной, поэтому у исследователей есть другая идея.
Нейтрино - это частицы с очень малой массой, которые образуются в некоторых формах радиоактивного распада, а самым крупным источником нейтрино поблизости является наше собственное Солнце. Исследователи строят ускорители частиц и детекторы для изучения поведения нейтрино и нейтрино антиматерии, чтобы увидеть, отличаются ли они. Если нейтрино и нейтрино из антиматерии действуют по-разному, это может быть ответом на загадку - что может означать, что наша Вселенная образовалась в результате лептогенеза («творения из маломассивных частиц»).
Несмотря на то, что для изучения этой возможности строится несколько объектов, самый большой из них в США называется DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). В этом эксперименте исследователи из Лаборатории Ферми недалеко от Чикаго будут посылать нейтрино и нейтрино из антиматерии в ожидающий детектор на расстоянии 1 300 км в Южной Дакоте. DUNE должна начать работу в конце этого десятилетия. (Полное раскрытие: я исследователь в Fermilab, хотя я не связан с DUNE.)
Хотя никто не знает, почему Вселенная предпочитает материю антиматерии, это важный вопрос. Без этого крошечного дисбаланса (или асимметрии) нас бы просто не было. Итак, на этот вопрос нам нужно ответить, если мы хотим понять, почему галактики, звезды и мы, люди, выживаем.