Однако для построения полной космологической теории, способной надежно определить начальные условия, которые привели к образованию структуры нашей Вселенной, и воссоздать самые ранние, этапы ее расширения, предстоит еще колоссальная работа. В частности, на многие вопросы, которые ставит космология, должна найти ответ прежде всего физика.
В то же время следует подчеркнуть, что у современной космологии есть бесспорные достижения, выводы, которые вряд ли существенно будут изменены в дальнейшем. Это тот фундамент, который сохранится и в будущем, К нему, например, относится теория «Большого взрыва».
«Теория „Большого взрыва“, — пишет Я. Б. Зельдович, — в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца»[24].
С другой стороны, небезынтересно отметить, что современная космология становится своего рода ареной, на которой проходят своеобразную практическую проверку различные гипотезы и предположения, относящиеся к физике высоких энергий, изучающей экстремальные состояния материи и свойства пространства.
Миры и антимиры
В современной Вселенной плотность фотонов реликтового излучения составляет Nγ≈500 см-3, а плотность барионов — Nбap≈10-6 см-3. Таким образом, число фотонов во Вселенной во много раз больше числа барионов:
Величину S называют удельной энтропией.
Удельная энтропия — тоже «след» прошлого нашей Вселенной, способствующий его теоретической реконструкции. Теория должна объяснить, почему этот «след» именно такой, т. е. почему удельная энтропия столь велика.
Оказывается, это обстоятельство непосредственно связано с еще одной величайшей загадкой современной Вселенной… Согласно данным современной астрономии, все космические объекты, которые мы наблюдаем в нашей Вселенной, состоят из вещества. На языке физики это означает, что в окружающем нас мире явно преобладают барионы[25]. Антибарионов в сколько-нибудь значительных масштабах в нашей Вселенной нет. Однако на протяжении длительного времени этот фундаментальный факт не находил удовлетворительного объяснения.
В физике существует закон сохранения барионного заряда: барионным зарядом или барионным числом называется разность числа барионов и их античастиц, участвующих в тех или иных физических взаимодействиях.
Так вот, при любых физических процессах, какие бы превращения элементарных частиц ни происходили, барионный заряд должен оставаться неизменным. А отсюда следует, что тот избыток барионов над антибарионами, который наблюдается в современной Вселенной, должен был существовать всегда.
С другой стороны, согласно одному из основных законов современной физики, элементарные частицы всегда «рождаются» парами: если в каком-либо физическом процессе на свет появляется, скажем, электрон, то одновременно с ним должен появиться и позитрон, т. е. антиэлектрон. Протон рождается вместе с антипротоном, а нейтрон — с антинейтроном. Куда же в таком случае девались все те античастицы, которые должны были бы составить пары с частицами кашей Вселенной?
Согласно теории, в процессе расширения Вселенной частицы и античастицы должны были аннигилировать, превращаясь в конечном итоге в фотоны и нейтрино.
Но если современные космические объекты состоят только из вещества, то это означает, что на самой ранней стадии расширения должен был существовать небольшой избыток частиц над античастицами. Избыток, который и сохранился до нашей эпохи. Его величина характеризуется отношением числа барионов к числу фотонов:
Но это не что иное, как величина, обратная удельной энтропии. Вот почему удельная энтропия столь велика.
Что же касается причин, обусловивших возникновение избытка барионов над антибарионами, то на этот счет выдвигались различные гипотезы, в том числе довольно экстравагантные, но ни одна из них не выглядела достаточно убедительной.
Еще несколько лет назад академик В. А. Амбарцумян в связи с изучением нестационарных явлений, происходящих во Вселенной, высказал мысль о том, что для их объяснения, быть может, придется пересмотреть некоторые положения теоретической физики и в первую очередь закон сохранения барионного заряда. В конце 60-х годов определенные сомнения в справедливости закона сохранения барионного заряда возникли у физиков и астрофизиков также и в связи с зарядовой асимметрией Вселенной. Сейчас же, в свете теории «Великого объединения», эти сомнения получили весьма серьезные основания.
25
Барионы — «тяжелые» элементарные частицы с массой, равной или превосходящей массу протона.