У нашей Вселенной есть зеркальный двойник: новая научная теория объясняет, почему существует материя

Почему существует нечто, а не ничто? Этот вопрос физики считают одним из самых важных. В ранней Вселенной материя и антиматерия должны были создаваться в равных количествах. Эти частицы аннигилируют друг друга, превращая свою массу в чистую энергию. Если бы всё пошло по правилам, Вселенная должна была бы остаться без материи. Но этого не случилось. Существуют звёзды, планеты, люди. Возникает вопрос: откуда взялась лишняя материя, которая не нашла себе антиматерию для аннигиляции?

Разгадка может скрываться в существовании зеркальной вселенной-двойника. Исследователи изучили гипотезу, согласно которой Большой взрыв породил не одну, а пару вселенных с противоположными ориентациями. В одной из них время течёт вперёд — в нашей. В другой время течёт вспять, пространство перевёрнуто, а материя заменена антиматерией. Вместе эти две вселенные сохраняют строгую симметрию фундаментальных законов физики. Но внутри каждой из этих вселенных те же самые законы выглядят нарушенными.

CPT-симметрия: что это такое и почему это важно

В физике существует три фундаментальных преобразования, которые считаются абсолютными законами природы. Каждое из них описывает, что произойдет с физическими законами, если изменить одно из свойств Вселенной.

C — зарядовая симметрия

Замените всю материю во Вселенной на антиматерию. Вместо электронов возьмите позитроны. Вместо протонов — антипротоны. Вместо атомов водорода — атомы антиводорода. Если зарядовые законы физики верны, то такая «анти-Вселенная» будет развиваться точно так же, как и обычная. В ней будут такие же звезды, такие же планеты, такие же законы движения. Единственная разница — всё будет состоять из антиматерии.

P — пространственная чётность

Отразите Вселенную в зеркале. Поменяйте левое и правое. Если законы физики не меняются при зеркальном отражении, то зеркальная Вселенная будет вести себя так же, как и обычная. Мячик будет падать вниз, планеты — вращаться вокруг Солнца, свет — распространяться с той же скоростью.

T — обращение времени

Запустите Вселенную в обратную сторону. Если законы физики симметричны относительно времени, то обращённая Вселенная будет развиваться по тем же правилам, что и обычная, только в противоположном направлении.

Почему они рассматриваются вместе

По отдельности эти три симметрии могут нарушаться. Эксперименты показали, что некоторые процессы в физике элементарных частиц не симметричны относительно зарядового сопряжения и не симметричны относительно пространственного отражения. Однако комбинация всех трёх преобразований — C, P и T, применённых одновременно, — считается абсолютной. То есть если вы замените материю на антиматерию, отразите всё в зеркале и обратите время вспять, то законы физики останутся неизменными.

Эта CPT-инвариантность является фундаментальным принципом современной физики. Она вытекает из самых основных предположений квантовой теории поля и теории относительности. До сих пор ни один эксперимент не обнаружил нарушения CPT-симметрии.

Какая связь с материей

Если CPT-симметрия абсолютна, то в ранней Вселенной материя и антиматерия должны были создаваться в равных количествах. Но тогда они должны были полностью аннигилировать друг друга, превратившись в чистое излучение. Однако этого не произошло — Вселенная полна материи.

Это противоречие называется проблемой барионной асимметрии. И теория зеркальной вселенной предлагает её разрешение: возможно, CPT-симметрия сохраняется, но не в нашей Вселенной по отдельности, а в паре двух вселенных, одна из которых — наша, а другая — зеркальная. В ней законы нарушены в противоположную сторону. Вместе они образуют симметричную систему. А локальное нарушение симметрии в каждой из вселенных как раз и создало тот самый дисбаланс, который позволил материи выжить.

Зеркальная вселенная как решение парадокса

Авторы нового исследования, опубликованного в European Physical Journal C, предлагают выход из этого противоречия. Они утверждают, что локальные нарушения CPT были возможны в ранней Вселенной, потому что человечество смотрит лишь на половину картины. Большой взрыв мог создать не одну вселенную, а две — с противоположными CPT-свойствами.

В нашей вселенной время течёт вперёд. В зеркальной вселенной время течёт вспять. В нашей вселенной доминирует материя. В зеркальной — антиматерия. В нашей вселенной пространство ориентировано одним образом, в зеркальной — противоположным. Вместе эти две вселенные образуют CPT-симметричную систему. Но внутри каждой из них симметрия нарушена.

Это похоже на перчатку. Левая перчатка несимметрична сама по себе. Но если взять пару — левую и правую перчатки — вместе они образуют симметричную систему. Так же и вселенные: каждая по отдельности нарушает CPT, но вместе они её сохраняют.

Как нарушение симметрии создало материю

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила период, называемый космической инфляцией. Пространство расширялось быстрее скорости света. Этим процессом управляло гипотетическое квантовое поле, которое физики называют инфлатоном.

У инфлатона есть античастица — анти-инфлатон. В идеально симметричной Вселенной они были бы идентичны. Но авторы исследования предположили, что в момент рождения двух вселенных возникла разница в массе между инфлатоном и анти-инфлатоном. Эта разница привела к тому, что во время так называемого повторного нагрева — процесса, в котором энергия инфлатона перешла в материю и антиматерию, — частицы и античастицы производились с разной скоростью.

Когда исследователи подставили числа в уравнения, они получили ожидаемую асимметрию: примерно одна лишняя частица материи на миллиард. Именно такого дисбаланса достаточно, чтобы объяснить, почему Вселенная сегодня состоит из материи, а не из пустоты.

Важно отметить, что та же самая асимметрия произошла и в зеркальной вселенной, но в противоположную сторону. Там на миллиард античастиц оказалась одна лишняя. В результате в той вселенной доминирует антиматерия.

Как проверить эту теорию

У каждой научной гипотезы есть проблема: её нужно подтвердить наблюдениями. Теория зеркальной вселенной не является исключением. Авторы предлагают несколько способов её проверки.

Первый способ — гравитационные волны. Инфляционный период должен был породить первичные гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, которая сохранилась до наших дней. Если теория верна, эти волны должны нести отпечаток CPT-асимметрий, возникших в ранней Вселенной. Современные детекторы гравитационных волн пока недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить этот сигнал, но будущие поколения приборов, возможно, смогут это сделать.

Второй способ — нейтрино. Эти частицы почти не взаимодействуют с материей и могут сохранять информацию о самых ранних этапах существования Вселенной. Асимметрия в свойствах нейтрино и анти-нейтрино могла бы стать доказательством теории.

Третий способ — тёмная материя и тёмная энергия. Теория зеркальной вселенной может объяснить и эти загадки. Взаимодействие между двумя вселенными через гравитацию могло бы проявляться как то, что физики сегодня называют тёмной материей. А ускоряющееся расширение Вселенной — тёмная энергия — могло бы быть следствием гравитационного влияния зеркальной вселенной-двойника.

Что это меняет

Теория зеркальной вселенной не отменяет существующие законы физики. Она дополняет их. CPT-симметрия остаётся абсолютным законом природы — но не для отдельной вселенной, а для пары вселенных вместе.

Если эта теория верна, человечество никогда не сможет наблюдать зеркальную вселенную напрямую. Она отделена от нашей не только пространством, но и временем, которое в ней течёт вспять. Но её присутствие можно обнаружить по косвенным эффектам.

Если наша Вселенная — лишь половина целого, и где-то существует зеркальный двойник с обратным течением времени, то означает ли это, что где-то в той вселенной существует зеркальная версия каждого человека — не из антиматерии, но с обращённым сознанием, где прошлое и будущее поменялись местами? И можем ли мы хоть как-то ощутить присутствие этого двойника, или он навсегда останется за пределами человеческого восприятия?

ПС: Ученые не в курсе, что зеркальную половину можно наблюдать, а те, кто читает то, что пишет и показывает АХ - в курсе.