У нас также нет прямых свидетельств того, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или антипротонов и антинейтронов. Однако это должно быть что-то одно: в одной галактике не могут одновременно присутствовать вещество и антивещество, потому что в этом случае мы также должны были бы наблюдать интенсивное излучение, вызванное аннигиляцией. Поэтому мы исходим из того, что все галактики состоят из кварков, а не антикварков. Представляется неправдоподобным, чтобы часть галактик состояла из вещества, а часть – из антивещества.
Почему кварков намного больше, чем антикварков? Почему их количества не одинаковы? Тот факт, что мера вещества не равна мере антивещества, безусловно, пошло нам на пользу: если бы кварков и антикварков было поровну, почти все они взаимно аннигилировали бы еще в ранней Вселенной. А значит, она оказалась бы заполнена излучением и практически не содержала бы вещества. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, на которых могли бы возникнуть жизнь и человек. К счастью, теории великого объединения в состоянии объяснить, почему во Вселенной сейчас больше кварков, чем антикварков, даже если в начале одни не доминировали над другими. Как мы уже знаем, теории великого объединения допускают возможность превращения кварков в антиэлектроны при высоких энергиях. Эти теории также предусматривают обратные процессы, в результате которых антикварки преобразуются в электроны, а электроны и антиэлектроны – в антикварки и кварки. На самых ранних этапах существования Вселенной температура – а стало быть, и энергия частиц – была достаточно высока для таких превращений. Но почему в результате кварков оказалось больше, чем антикварков? Причина в том, что физические законы не совсем одинаковы для частиц и античастиц.
До 1956 года считалось, что законы природы обеспечивают сохранение каждой из трех симметрий, называемых C, P и T. Симметрия C означает, что законы одинаковы для частиц и античастиц. Симметрия P – что законы одинаковы для любой конкретной ситуации и ее зеркального отражения (зеркальное отражение вращающейся вправо частицы – это вращающаяся влево частица). Симметрия T – что если изменить направление движения всех частиц и античастиц на противоположное, то система станет двигаться назад к тем состояниям, в которых пребывала в прошлом. Иными словами, законы природы одинаковы для прямого и обратного направления времени. В 1956 году два американских физика, Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, выдвинули гипотезу о том, что при слабом взаимодействии симметрия P может нарушаться. То есть под влиянием слабого взаимодействия эволюция Вселенной может отличаться от эволюции ее зеркального отражения. В том же году коллега ученых Цзяньсюн Ву доказала правильность этого предсказания. Она выстроила ядра радиоактивных атомов в магнитном поле так, чтобы все они вращались в одном направлении, и показала, что число электронов, испускаемых в двух направлениях, неодинаково. В следующем году Ли и Янг получили за свою теорию Нобелевскую премию. Оказалось, что при слабом взаимодействии также не сохраняется симметрия C. То есть из-за слабого взаимодействия вселенная, состоящая из античастиц, должна вести себя не так, как наша Вселенная. Тем не менее казалось, что при слабом взаимодействии сохраняется комбинированная симметрия CP. То есть вселенная должна эволюционировать так же, как и ее зеркальное отражение, при условии, что все частицы будут заменены соответствующими им античастицами. Однако в 1964 году двое других американских ученых, Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсден Фитч, обнаружили, что при распаде частиц под названием К-мезоны нарушается даже CP-симметрия. Кронин и Фитч были удостоены Нобелевской премии по физике в 1980 году. (За доказательства того, что наша Вселенная не так проста, как кажется, вручили уже столько премий!)
Существует математическое доказательство того, что в любой теории, совместимой с квантовой механикой и теорией относительности, должна всегда соблюдаться комбинированная симметрия CPT. Другими словами, вселенная должна вести себя в точности так же, если все частицы заменить на античастицы, зеркально отразить ее и обратить направление времени. Но Кронин и Фитч показали, что если заменить во вселенной все частицы на античастицы и зеркально отразить, не обратив при этом направление времени, то поведение полученной вселенной будет отличаться от поведения исходной. Таким образом, при обращении направления времени должны измениться законы физики: они не подчиняются требованию сохранения T-симметрии.
Само собой разумеется, в ранней Вселенной T-симметрия не сохраняется: с течением времени Вселенная расширяется, а если бы время повернуло вспять, то Вселенная сжималась бы. Поскольку существуют силы, не подчиняющиеся требованию сохранения T-симметрии, то, следовательно, в ходе расширения Вселенной число антиэлектронов, превращающихся в кварки под влиянием этих сил, может превысить число электронов, преобразующихся в антикварки. Тогда по мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной антикварки могли аннигилировать с кварками, но поскольку кварки преобладали, небольшой их избыток должен был сохраниться. Именно из них состоит вещество, которое мы наблюдаем в настоящее время и из которого состоим сами. Таким образом, само наше существование может рассматриваться как подтверждение – пусть только качественное – теорий великого объединения. Впрочем, оценки столь приблизительны, что невозможно предсказать количество оставшихся после аннигиляции кварков; неясно даже, остались ли в большинстве кварки или антикварки. (Правда, если бы во Вселенной преобладали антикварки, мы бы попросту называли их кварками, а кварки – антикварками.)
Теории великого объединения не принимают во внимание гравитационное взаимодействие. Это не так важно, поскольку, когда мы имеем дело с элементарными частицами и атомами, его влиянием, как правило, можно пренебречь – настолько оно слабое. Впрочем, тот факт, что тяготение – дальнодействующая сила и к тому же всегда притягивающая, означает, что ее влияние суммируется. Потому при достаточно большом количестве частиц вещества гравитационные эффекты могут оказаться сильнее проявлений всех остальных сил. По этой причине именно гравитация определяет эволюцию Вселенной. В случае объектов размером со звезду гравитационная сила притяжения может даже превзойти все другие силы и привести звезду к коллапсу. В 1970-х годах я занимался исследованием черных дыр, которые теоретически возникают в результате коллапса звезд и мощных гравитационных полей в их окрестностях. Именно эти изыскания заставили меня рассуждать о возможном характере взаимного влияния квантовой механики и общей теории относительности. Но это лишь первое приближение к квантовой теории гравитации, которую еще предстоит открыть.
Глава шестая. Черные дыры
Термин «черная дыра» появился сравнительно недавно. Его придумал в 1969 году американский ученый Джон Уилер, чтобы наглядно проиллюстрировать идею почти двухсотлетней давности. Тогда существовали две теории света: согласно одной из них – и ее придерживался Ньютон – свет состоит из частиц, а согласно другой – из волн. Теперь-то мы знаем, что обе теории [в определенном приближении] верны. В силу принципа корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике свет можно рассматривать как поток частиц и как поток волн. В рамках теории, понимающей свет как череду волн, сложно было объяснить, как он должен откликаться на гравитацию. Но если считать, что свет состоит из частиц, есть все основания полагать, что сила тяготения воздействует на эти частицы точно так же, как, например, на пушечные ядра, ракеты и планеты. Сначала люди считали, что частицы света движутся с бесконечной скоростью, и в этом случае сила тяготения не способна затормозить их. Но однажды Оле Рёмеру удалось измерить скорость света и установить, что она конечна, а это означало, что влияние силы тяжести на свет может быть существенным
[16].
