Б. Ш.: А не могло ли произойти еще что-то интересное выше, т.е. раньше великого объединения?
В. Р.: Там уже до планковского масштаба осталось всего три порядка. Так что вряд ли.
Что такое CP-инвариантность и ее нарушение
(ТрВ № 79, 4 мая 2011 года, В. Рубаков, Б. Штерн, http://trv-science.ru/2011/07/19/masshtabnaya-linejka-vselennoj/)
Допустим, физики двух удаленных миров во Вселенной связались друг с другом по некому мгновенному каналу связи (в рамках этого мысленного эксперимента махнем рукой на специальную теорию относительности) и научились понимать друг друга. Одни спрашивают: что такое левая резьба в вашей документации? Тут нельзя обойтись изображением, переданным по каналу связи, поскольку всё равно встанет вопрос, как разворачивать картинку: слева направо, но как объяснить, что такое левое и правое? Оказывается, физикам объяснить можно:
Возьмите обмотку с током и такой-то радиоактивный изотоп. Ядра в магнитном поле, создаваемым обмоткой, будут поляризованы. Смотрите, в какую сторону полетит больше электронов от бета-распада ядер. Направьте отвертку в этом направлении и вращайте ее в ту сторону, куда текут электроны в вашей обмотке. При этом отвертка будет завинчивать болт с левой резьбой.
Такое объяснение возможно потому, что в мире на уровне законов физики нарушена симметрия между правым и левым. Это нарушение невелико, поэтому для объяснения пришлось привлекать довольно тонкие эффекты. Такая симметрия называется Р-инвариантностью. На таком же уровне нарушена симметрия между миром и антимиром, которая называется зарядовой, или С-инвариантностью. В антимире позитроны полетят в противоположном направлении, и отвертка антифизиков в таком случае будет закручивать правый болт. Поэтому, если физики двух миров не уверены, что они не в антимирах по отношению друг к другу, то вышеизложенная инструкция не работает.
Такая асимметрия между миром и антимиром достаточно тривиальна и компенсируется заменой правого на левое. Понятно, что если отличие только в этом, то никакого перекоса между барионами и антибарионами в ранней Вселенной не получить. Если мир и антимир одинаковы при замене правого на левое, то это называется CP-инвариантностью. Было время, когда считалось, что СР-инвариантность выполняется точно. Но в первой половине 1960-х было экспериментально обнаружено нарушение CP-симметрии. А это уже более существенное различие между миром и антимиром, хотя и выраженное очень слабо.
В свете нарушения CP-инвариантности физики разных миров уже могут понять, одинаковы или противоположны их миры в зарядовом отношении. Соответствующая инструкция может выглядеть следующим образом:
Возьмите нейтральные долгоживущие К-мезоны. Они могут распадаться на три частицы, одна из которых-либо электрон, либо позитрон (а две другие — заряженный π-мезон и антинейтрино или нейтрино). Мы, земляне, называем позитроном такую частицу, которая чаще рождается в этих распадах. Если ваши атомы содержат позитроны, то вы сделаны из антивещества. Встреча с вами нам противопоказана!
Проблема барионной асимметрии Вселенной
Среди космологических фактов есть два, касающихся барионов (протонов с нейтронами) и требующих объяснения.
1. Во Вселенной есть барионы и практически нетантибарионов.
2. Число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз больше числа кварков, составляющих протоны и нейтроны. При огромных температурах в ранней Вселенной происходило интенсивное рождение и уничтожение кварк-антикварковых пар, и количество кварков и антикварков было примерно равным количеству фотонов. Кварки рождались и уничтожались в парах с антикварками, поэтому на каждый миллиард кварк-антикварковых пар приходился один «лишний» кварк. При остывании Вселенной кварки проаннигилировали с антикварками, а лишний кварк себе пары не нашел и дожил до наших дней. Вопрос: как получилось, что во Вселенной появилось такое неравенство между кварками и антикварками — очень маленькое, но крайне важное для нашего с вами существования?
Эту проблему впервые поставил А.Д. Сахаров в работе 1967 года. Там же он сформулировал необходимые условия для того, чтобы такой перекос смог образоваться:
1. Барионное число, то есть разность между числом кварков и антикварков должно нарушаться (как следствие, протон должен распадаться, хотя и за огромное время), кварки не всегда рождаются в паре с антикварками. Экспериментально такое нарушение не зарегистрировано, но нет никаких глубоких причин, почему его не может быть. В случае электрического заряда закон его сохранения связан с безмассовостью фотона.