Деякі такі експерименти вже виконано, але жоден не дав певних доказів протонного або нейтронного розпаду. В одному з експериментів використано вісім тисяч тон води, і його проводили в соляній шахті Мортона в штаті Огайо (щоб уникнути інших подій, що відбуваються, бувши спричинені космічними променями, і які можна прийняти за розпад протона). А що протягом експерименту не виявлено жодного спонтанного розпаду протона, то можна вирахувати, що ймовірний час життя протона має бути більший за десять мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років (одиниця з тридцятьма одним нулем). Це більше, ніж дає найпростіша теорія великого об’єднання, але є і складніші теорії, які передбачають довше життя. Для їх перевірки будуть потрібні ще чутливіші експерименти з іще більшими кількостями речовини.
І хоча дуже важко спостерегти спонтанний розпад протона, може виявитися, що саме́ наше існування — це наслідок зворотного процесу, утворення протонів, або, ще простіше, кварків, на самій початковій стадії, коли кварків було не більше, ніж антикварків, і це найприродніший спосіб уявити початок Всесвіту. Речовина на Землі здебільша складається з протонів і нейтронів, які, своєю чергою, складаються з кварків, але в ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, що складаються з антикварків, за винятком тих кількох, що фізики створили на великих пришвидчувачах частинок. Ми маємо докази завдяки космічним променям, що те ж саме справедливо і для всієї речовини в нашій Галактиці: у ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, за винятком тієї невеликої кількості, що утворюються як пари частинка-античастинка у високоенергетичних зіткненнях. Якби в нашій Галактиці були великі ділянки антиречовини, то можна було б очікувати сильного випромінювання від меж розділу областей речовини і антиречовини, де багато частинок стикалися б зі своїми античастинками, анігілюючи одна з одною і виділяючи високоенергетичне випромінювання.
У нас немає прямих доказів щодо того, чи речовина інших галактик складається з протонів і нейтронів, чи з антипротонів і антинейтронів, але має бути або перше, або друге: в межах однієї галактики не може бути суміші, бо в цьому разі ми б спостерігали потужне випромінювання в результаті їхньої анігіляції. Тому ми вважаємо, що всі галактики складаються з кварків, а не з антикварків; видається неймовірним, щоб одні галактики могли складатися з речовини, а інші — з антиречовини.
Чому кварків має бути так набагато більше, ніж антикварків? Чому їхні кількості не однакові? Нам, звісно, пощастило, що кількості не рівні, бо якби вони були однакові, то майже всі кварки і антикварки занігілювали б один з одним у ранньому Всесвіті, залишивши його заповненим промінням, але навряд чи залишивши хоч якусь речовину. Не було б тоді ні галактик, ні зір, ні планет, на яких могло б розвиватися людське життя. На щастя, теорії великого об’єднання можуть пояснити, чому Всесвіт тепер має містити більше кварків, ніж антикварків, навіть якщо на самому початку їх було порівну. Як ми вже знаємо, теорії великого об’єднання дозволяють кваркам при високих енергіях перетворюватися на антиелектрони. Вони також дозволяють і зворотні процеси, коли антикварки перетворюються на електрони, а електрони і антиелектрони — в антикварки та кварки. Був момент у дуже ранньому Всесвіті, коли він був такий гарячий, що енергія частинок була достатньо висока для цих перетворень. Але чому це мало привести до того, що кварків стало більше, ніж антикварків? Причина криється в тому, що закони фізики не зовсім однакові для частинок і античастинок.
До 1956 року вважали, що закони фізики підлягають кожній з трьох симетрій, названих C, P і T. Симетрія С означає, що закони однакові для частинок і античастинок. Симетрія P означає, що закони фізики однакові для будь-яких ситуацій і їх дзеркального відображення (дзеркальним відображенням частинки, що закручується в правоспрямованому напрямі, буде така, що закручується в лівоспрямованому). Симетрія Т означає, що якщо зміниться на зворотний напрям рух усіх частинок і античастинок, то система має повернутися назад до того, що було в раніші часи; іншими словами, закони однакові в прямому і зворотному напрямах часу. У 1956 році два американських фізики, Цзундао Лі і Чженьнін Янґ, припустили, що слабка сила насправді не підкоряється симетрії Р. Іншими словами, через слабку силу Всесвіт може розвиватися інакше, ніж його дзеркальне відображення. У тому ж році Цзяньсюн By, їхня колега, довела, що це припущення правильне. Вишикувавши в магнетному полі ядра радіоактивних атомів так, щоб вони всі оберталися в одному напряму, вона показала, що в одному напряму електронів випускається більше, ніж в іншому. Наступного року Лі та Янґ за свою ідею отримали Нобелівську премію. Також виявлено, що слабкі сили не підкоряються і симетрії С. Тобто світ, що складається з античастинок, поводиться інакше, ніж наш світ. Проте видавалося, що слабка сила підлягає комбінованій CP-симетрії. Тобто Всесвіт розвивався б так само, як його дзеркальне відображення, якщо, крім того, кожна частинка була б замінена її античастинкою! Але 1964 року ще два американці, Дж. В. Кронін і Вел Фітч, виявили, що в розпаді частинок, названих K-мезонами, порушується навіть CP-симетрія. Кронін і Фітч зрештою отримали за свою роботу Нобелівську премію в 1980 році. (Багато премій присуджено за виявлення того, що Всесвіт не такий простий, як можна було подумати!).
Існує математична теорема, яка стверджує: будь-яка теорія, що підлягає квантовій механіці та теорії відносності, повинна завжди підлягати комбінованій симетрії CPT. Іншими словами, Всесвіт має поводитися так само, якщо замінити частинки античастинками, взяти дзеркальне відображення, а також зворотний напрямок часу. А Кронін і Фітч показали, що якщо замінити частинки античастинками і взяти дзеркальне відображення, але не обернути напрямок часу, то Всесвіт не буде поводитися так само. Отже, закони фізики мають змінитися, якщо обернути напрям часу — вони не підлягають симетрії Т.
Незаперечно, ранній Всесвіт не підлягає симетрії Т: коли час тече вперед, Всесвіт розширюється, а якби він потік назад, то Всесвіт стискався б. А що існують сили, які не підлягають симетрії Т, то звідси випливає, що в міру розширення Всесвіту під дією цих сил антиелектрони могли б перетворюватися на кварки частіше, ніж електрони на антикварки. Потім, коли Всесвіт розширювався і охолоджувався, антикварки і кварки анігілювали б, але що кварків було б більше, ніж антикварків, невеликий надлишок кварків залишився б. Саме з них і складається матерія, яку ми бачимо сьогодні, і з якої утворені ми самі. Отже, саме наше існування можна розглядати як підтвердження теорії великого об’єднання, правда, тільки як якісне; невизначеності такі, що ніхто не може передбачити, ні скільки кварків залишиться після анігіляції, ні навіть чи будуть ці частинки кварками чи антикварками. (Однак, якби у надлишку були антикварки, ми б просто назвали їх кварками, а кварки — антикварками.)
Теорії великого об’єднання не охоплюють гравітаційну силу. Це не має великого значення, бо гравітація — така слабка сила, що її ефектами можна просто знехтувати, коли ми маємо справу з елементарними частинками або атомами. Однак той факт, що вона далекодійна й завжди притягальна, означає, що її дії всі сумуються. Отже, для досить великої кількості частинок речовини гравітаційні сили можуть переважати всі інші сили. Ось чому еволюцію Всесвіту визначає саме гравітація. Навіть для об’єктів розміром як зорі притягальна сила гравітації може переважити всі інші сили і привести до колапсу зорі. Моя робота у 70-х роках зосереджена на чорних дірах, які можуть виникнути в результаті такого колапсу зорі, та інтенсивних гравітаційних полях навколо них. Саме вона навела на перші думки про те, як квантова механіка і загальна теорія відносності можуть впливати одна на одну — проблиск форми квантової теорії гравітації, поки ще не розробленої.
Термін «чорна діра» виник зовсім недавно. Його запровадив 1969 року американський науковець Джон Вілер, щоб графічно описати поняття, яке появилося близько двохсот років тому, коли існували дві теорії про світло: згідно з першою теорією, якій віддавав перевагу Ньютон, світло складалося з частинок; згідно з другою — з хвиль. Тепер ми вже знаємо, що насправді обидві теорії правильні. Згідно з корпускулярно-хвильовим дуалізмом квантової механіки, світло можна розглядати і як хвилю, і як частинку. Теорія, яка стверджувала, що світло складається з хвиль, не пояснювала, як воно реагуватиме на силу тяжіння. Але якщо світло складається з частинок, то можна було б очікувати, що гравітація діє на них так само, як на гарматні ядра, ракети та планети. Спочатку люди гадали, що частинки світла рухаються нескінченно швидко, і тому сила тяжіння не може сповільнити їхнього руху. Проте Ремер відкрив, що світло поширюється з кінцевою швидкістю, тому гравітація може істотно впливати.