Астронет > Я.Б.Зельдович, "Возможно ли образование Вселенной "из ничего"?

Астронет: Я. Б. Зельдович/Природа Возможно ли образование Вселенной "из ничего"?
http://variable-stars.ru/db/msg/1176840/part2.html

Возможно ли образование Вселенной "из ничего"?

<< Вселенная | Оглавление | Сохранение энергии >>

СОХРАНЕНИЕ ЗАРЯДОВ

Начнем с закона сохранения электрического заряда. Ответ лежит на поверхности, он очевиден: нет никакого запрета на рождение электронейтральной Вселенной, т. е. Вселенной, содержащей равное число положительных и отрицательных зарядов. Есть все основания думать, что именно такова наша Вселенная. В противном случае возникли бы сильные электрические поля, которые нарушили бы ее (Вселенной) однородность и изотропию. Итак, Вселенная, скорее всего, строго нейтральна, а значит, вполне могла родиться "из ничего" (без противоречия закону сохранения электрического заряда).

Обратимся к закону сохранения барионного заряда. Напомним, что во всех известных процессах, происходящих в лаборатории, суммарное число протонов и нейтронов не меняется. В частности, радиоактивность ядер проявляется либо как перегруппировка протонов и нейтронов, либо как превращение протонов в нейтроны и обратно.

Так, при испускании $\gamma$ -лучей (т. е. фотонов) перегруппировка происходит при переходе данного ядра из энергетически возбужденного состояния в основное или в состояние с меньшей энергией возбуждения. При $\alpha$ -распаде ядра часть протонов и нейтронов материнского ядра остаются в дочернем ядре, а другие вылетают в виде ядра гелия (два протона и два нейтрона). В $\beta$ -распаде быстрый электрон ( $\beta$ -частица) и нейтрино рождаются при превращении нейтрона в протон. Есть и обратный процесс испускания позитрона (p = N+e⁺+ $\nu$ _e) при превращении протона в нейтрон, но такой процесс идет лишь в том случае, если протон находится в ядре и после превращения нейтрон занимает более низкое энергетическое состояние.

Свободный протон легче свободного нейтрона, поэтому свободный нейтрон $\beta$ -радиоактивен; свободный протон стабилен, нестабильным он бывает только внутри некоторых ядер.

Итак, к концу 40-х годов закон сохранения барионов формулировался просто: сумма числа протонов и нейтронов не меняется. Затем последовало открытие так называемых странных частиц. Сперва они были открыты в космических лучах, а позже очень подробно исследованы в лаборатории на ускорителях. Они нестабильны, образуются из протонов или нейтронов и при распаде снова дают протоны или нейтроны.

Так, например: p + N = $\Delta$ + K⁺ + N ( $\Delta$ - странный гиперон, К - странный мезон). Странными эти частицы были названы потому, что при сравнительно большой вероятности образования за очень короткое время столкновения они имеют довольно большое время жизни, 10^-8-10^-10 с.

В начале 50-х годов были открыты так называемые барионные резонансы. Рассеяние л-мезонов на протонах и нейтронах зависит от энергии в соответствии с тем, что эти две частицы сперва сливаются в одну, которая потом снова распадается. Так, например:

После этих открытий закон сохранения барионов усложнился: сохраняется сумма

B = p + N + $\Delta$ + $\Sigma$ + ... + $\Delta$ ⁺⁺ + $\Delta$ ⁺ + $\Delta$ ⁰ + $\Delta$ ^- + ... = const

или, иными словами, сохраняется общее количество барионов (Здесь $\Delta$ , $\Sigma$ , ... - странные барионы; многоточие заменяет перечисление всех странных барионов - от $\Delta$ ⁺⁺ до $\Delta$ ^-, самых легких барионных резонансов, а повторное многоточие заменяет перечисление всех резонансов.).

В 1955 г. были, наконец, экспериментально открыты антипротоны. Теоретически существование античастиц - антибарионов - было предсказано вскоре после предсказания и обнаружения антиэлектронов, т.е. позитронов. Однако энергия, нужная для рождения пары протон-антипротон в 2000 раз больше, чем для пары электрон-позитрон, поэтому между двумя открытиями возник интервал в четверть века. В это время у некоторых ученых нервы не выдерживали и высказывались сомнения относительно существования антибарионов; теперь для этих сомнений нет места!

Итак, в окончательной форме закона сохранения барионного заряда: сохраняется разность числа барионов и антибарионов.

За последние 20 лет показано, что барионы состоят из 3 кварков. Антибарионы состоят из антикварков. Соответственно, барионный заряд и закон его сохранения на языке кварков формулируется так:

$3B = \Sigma\theta_i =\Sigma\theta'_k = \textrm{const,}$

где $\Sigma\theta_i$ - число кварков i-ro сорта; $\Sigma\theta'_k$ - число антикварков k-ro сорта; сумма берется по всем сортам.

Закон сохранения барионного заряда необычайно важен как для Вселенной в целом, так и для непосредственно окружающего нас современного мира. С учетом этого закона данное количество барионов можно использовать для производства энергии, только переводя их в наинизшее энергетическое состояние, а именно в ядра железа^*). Отсюда следует, что энергию можно получить, либо превращая уран в ядра середины таблицы Менделеева, либо превращая водород в железо.

Первый процесс успешно осуществляется на атомных электростанциях. Второй происходит в звездах. В несколько измененной форме (начиная не с начала и не доходя до конца) второй процесс реализуется при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием ⁴Не и нейтрона и в будущем станет источником термоядерной энергии на Земле. Но общим для обоих процессов является использование малой доли - менее 1 % - полного запаса энергии горючего.

Полный запас энергии, следуя закону эквивалентности Эйнштейна Е = Мс², равен 9^.10¹³Дж на 1 г вещества.

Отмена закона сохранения барионного заряда означала бы принципиальную возможность прямого распада протона р = е^- + энергия или р = е⁺ + энергия.

Итак, протон - свободный или связанный в ядре - мог бы быть нестабильным и распадаться с выделением огромной энергии, если бы не было закона сохранения барионного заряда. Огромное современное значение этого закона сохранения очевидно.

То же относится и к рождению Вселенной “из ничего”.

Барионный заряд “ничего”, очевидно, равен нулю. Если барионный заряд сохраняется, то вся Вселенная, родившаяся “из ничего”, должна иметь нулевой барионный заряд, т. е. равное количество вещества и антивещества. Так и думали те, кто первыми в начале 60-х годов высказывали идею рождения Вселенной. Они полагали, что рождается Вселенная с равным количеством барионов и антибарионов, т. е. с равным количеством вещества и антивещества. Но если вещество и антивещество в равном количестве равномерно размещены в пространстве (т. е. их плотность одинакова в каждой точке), то при охлаждении они полностью аннигилируют. К тому же нет механизма, который мог бы их разделить; тяготение стягивает вещество и антивещество одинаково.

Рождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем, возможно лишь в том случае, если закон сохранения барионного заряда может быть нарушен^**). Не повторяя увлекательную, но сложную трактовку вопроса, резюмируем посвященные ему статьи.

Электрический заряд обязан сохраняться постольку, поскольку справедливы уравнения Максвелла, не допускающие несохранения этого заряда. Иными словами, связь электрического заряда с электромагнитным полем автоматически приводит к сохранению электрического заряда.

Однако не существует поля, которое играло бы подобную роль в случае барионного заряда. Убежденность в сохранении барионного заряда основывалась только на эксперименте.

Каждый эксперимент по необходимости имеет ограниченную точность. Абсолютизируя результаты опыта, физики до 60-х годов молчаливо предполагали, что в мире элементарных частиц не должно быть слишком больших количественных различий.

Когда нейтрон распадается, превращаясь в протон ( $\beta$ -распад), среднее время распада около 1000 с. Казалось, что природа (с маленькой буквы, т. е. не тот уважаемый журнал, где будет помещена данная статья) должна выбирать между двумя крайностями: либо сравнительно быстрый распад, по аналогии с ( $\beta$ -распадом нейтрона, либо совсем никакого распада, как в случае абсолютно стабильного электрона. Третий - промежуточный - случай медленного распада до 60-х годов казался неэстетичным и крайне маловероятным.

Вкусы изменились, увеличилась храбрость теоретиков, выступающих в настоящее время под лозунгом: все, что не запрещено, существует, и в частности протон может распадаться.

Однако положение и сейчас остается драматическим: усилиями экспериментаторов нижняя граница времени жизни протона доведена до 10³² лет, но распад все еще не обнаружен. Экспериментальная ситуация подробно описана В.С.Березинским^***).

В его статье не хватает только одного соображения: сегодня убежденность в несохранении барионного заряда основывается в значительной степени на том, что Вселенная содержит вещество и не содержит антивещества. При этом приходится привлекать еще различие свойств частиц и античастиц, а также нарушение термодинамического равновесия, возникающее вследствие расширения Вселенной. (Впервые это отмечено в работе А.Д.Сахарова в 1967 г.^****)

Из оценок в таких теориях с несохранением барионного заряда получается, что число протонов и нейтронов в миллиард раз меньше числа фотонов или нейтрино. Главное же состоит в том, что сейчас ясно понято различие между электрическим и барионным зарядами. Кроме того, физическая общественность в целом (или, во всяком случае, физики-теоретики) избавились от страха перед большими числами. Если время жизни протона 10⁴⁰ лет (что, по-видимому, на очень многие годы останется недоступным для проверки в прямых экспериментах), то понадобится предположение о процессах в горячей Вселенной, идущих при температуре порядка 10¹⁷ ГэВ (10³⁰ К), столь же недоступной для ускорителей^*****). Пока не видно, какие косвенные опыты могли бы дать ответ.

Возникла ситуация, которую высоко ценят астрономы: именно астрономические данные указывают путь физикам, как это было со скоростью света и законом тяготения Ньютона. Существование Вселенной, заполненной веществом, является пока единственным, но очень веским доказательством несохранения барионного заряда!

<< Вселенная | Оглавление | Сохранение энергии >>