Зеркальная Вселенная до Большого взрыва: новая гипотеза объясняет, почему материя не исчезла

Главный вопрос космологии звучит обманчиво просто. Почему мы вообще существуем? Почему Вселенная заполнена звёздами, планетами и людьми, а не пустотой и излучением? Теория Большого взрыва предсказывает: в первые мгновения материя и антиматерия должны были родиться в равных количествах. А значит — почти полностью аннигилировать, превратившись в чистую энергию. Осталось бы ничто.

Но осталось не ничто. Остался весь мир.

Физики называют это барионной асимметрией — небольшим перекосом, когда на миллиард пар «частица — античастица» пришлась одна лишняя частица материи. Этого достаточно. Этого перекоса хватило, чтобы построить всё, что мы видим.

Вопрос: откуда взялся перекос?

Три условия Сахарова

В 1967 году советский физик-теоретик Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для возникновения барионной асимметрии. Первое — нарушение симметрии между материей и антиматерией. Второе — процессы вне теплового равновесия. Третье — нарушение сохранения барионного числа (количество частиц материи должно было меняться). Эти условия до сих пор остаются основой всех моделей, объясняющих происхождение вещества во Вселенной.

Но стандартная модель физики частиц не даёт достаточного нарушения этих симметрий. Не хватает. Значит, должна быть новая физика — за пределами того, что мы уже знаем.

Одна из самых смелых гипотез: зеркальная Вселенная, в которой время течёт вспять.

CPT-симметрия: три зеркала реальности

CPT — это три преобразования. Замена частиц на античастицы (зарядовое сопряжение). Зеркальное отражение пространства (левое и правое меняются местами). Обращение направления времени.

CPT-теорема — одно из самых фундаментальных положений современной физики. Она утверждает: если применить все три преобразования одновременно, законы физики останутся неизменными. Мир, где вся материя заменена антиматерией, пространство зеркально отражено, а время бежит вспять, должен подчиняться тем же законам, что и наш.

Учёные задались вопросом: а что, если эту симметрию нужно применять не только к отдельным частицам, а ко всей Вселенной целиком?

Вселенная и её зеркальное отражение

В 2018 году физики Лэтэм Бойл, Киран Финн и Нил Турок предложили модель CPT-симметричной Вселенной. Согласно этой идее, Большой взрыв — не начало всего сущего, а граница между двумя областями. Наша Вселенная — после Большого взрыва, время идёт вперёд. По другую сторону — анти-Вселенная, которая является CPT-отражением нашей. Там антиматерия, зеркальное пространство и обратное направление времени.

Осторожно: «обратное направление времени» не означает, что там кто-то живёт от старости к детству. Речь о симметричном математическом описании. С точки зрения гипотетического наблюдателя в той Вселенной, время идёт нормально. Но относительно нас его стрелка повёрнута в другую сторону.

В этой модели Большой взрыв становится зеркальной границей. А общая система — наша Вселенная плюс анти-Вселенная — сохраняет CPT-симметрию целиком. Но внутри каждой «половины» возникает локальный перекос. У нас — небольшое преимущество материи. У них — антиматерии.

Как это связано с инфляцией и разогревом

В ранней Вселенной был гипотетический период сверхбыстрого расширения — инфляция. Ею управляло особое поле — инфлатон. В новой гипотезе рассматриваются два поля: инфлатон (в нашей Вселенной) и антиинфлатон (в зеркальной). Они могли вести себя немного по-разному. Это изменило условия «разогрева» — процесса, когда энергия инфляционного поля передаётся обычным частицам. Даже крошечной разницы достаточно, чтобы создать тот самый перекос: одна лишняя частица материи на миллиард пар.

Авторы новой работы, опубликованной в журнале The European Physical Journal C, связывают барионную асимметрию с различием между инфлатонным и антиинфлатонным полями. Гипотеза не доказана. Но она показывает: зеркальная Вселенная — не фантазия, а математически проработанная модель, которая даёт конкретные механизмы для возникновения наблюдаемого дисбаланса.

При чём здесь тёмная материя

Версия Бойла, Финна и Турока предлагает экономное объяснение и для тёмной материи. Если ввести в теорию правые нейтрино (гипотетические частицы, которые уже обсуждаются в физике), один из таких нейтрино мог бы быть стабильным и играть роль частицы тёмной материи. Расчётная масса — около 480 миллионов гигаэлектронвольт (4,8 × 10⁸ ГэВ). Это не общепринятое объяснение. Но оно привлекательно тем, что не требует введения десятков новых сущностей. Используется то, что уже есть на границе известной физики.

Можно ли это проверить

Зеркальную Вселенную невозможно увидеть напрямую. Она по ту сторону Большого взрыва. Но у модели есть проверяемые предсказания.

Первое: лёгкие нейтрино должны быть майорановскими частицами (то есть совпадать со своими античастицами). Второе: самый лёгкий нейтрино должен быть безмассовым. Третье: не должно быть первичных длинноволновых гравитационных волн, которые предсказывают многие инфляционные модели.

Если будущие наблюдения обнаружат сильный сигнал первичных гравитационных волн, некоторые варианты CPT-симметричной космологии окажутся под ударом. Если же сигналов не найдут, а нейтринные эксперименты подтвердят предсказания модели, интерес к зеркальной Вселенной возрастёт.

Вопрос, который остаётся за пределами уравнений

Мы ищем объяснение тому, почему мы существуем. Почему частиц материи оказалось чуть больше, чем античастиц. CPT-симметричная Вселенная предлагает ответ: потому что есть зеркальная Вселенная, где перекос в пользу антиматерии. Общая симметрия сохранена. Но мы можем видеть только свою половину.

Вопрос, который не задают в научных статьях: если эта гипотеза верна — значит ли это, что наше существование не случайность, а математическая необходимость? Что Большой взрыв не мог произойти без одновременного рождения зеркального мира? И что где-то, по ту сторону границы времени, существует Вселенная, где каждая наша частица имеет своего анти-двойника, где зеркальные люди (если они есть) живут в зеркальном времени и считают себя единственной реальностью, как и мы?

Мы никогда не узнаем. Потому что туда не проникнуть. Но сам факт, что математика допускает такое решение, а наблюдения (пока) его не опровергли, заставляет задуматься.

Может быть, Большой взрыв был не началом, а разделом. И мы — лишь одна из двух половин того, что когда-то было единым. Или — до сих пор едино. Просто мы не умеем видеть другую сторону. Пока.