Жизнь по обе стороны от Большого взрыва

Так могут выглядеть только девушки из «зеркальной Вселенной». Фото Александра Марова. 2017.

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.