Стивън Хокинг
Кратка история на времето (7) (от големия взрив до черните дупки)

5. Елементарни частици и природни сили

Според Аристотел цялата материя във Вселената се състои от четири основни елемента: земя, въздух, огън и вода. Върху тези елементи действат две сили: гравитацията, тенденцията на земята и водата да потъват, и левитацията, тенденцията на въздуха и огъня да се издигат. Това разделение на съдържанието на Вселената на материя и сили се използва и днес.

Според Аристотел материята е непрекъсната, т.е. можем да делим един къс материя на все по-малки и по-малки парченца безкрай и пак няма да стигнем до зрънце материя, което да не може да се дели по-нататък. Някои гърци обаче, например Демокрит, твърдели, че на материята е присъща зърнистостта и че всичко е изградено от голям брой различни по вид атоми. (Гръцката дума атом означава неделим.) Векове наред спорът продължил без някакво реално доказателство за едната или другата страна, докато през 1803 г. английският химик и физик Джон Далтон отбелязал факта, че химичните съединения винаги се свързват в определени пропорции, което може да се обясни с групирането на атоми и образуването на т.нар. молекули. Но спорът между двете философски школи не бил окончателно решен в полза на атомистите чак до началото на нашия век.

Едно от съществените физически доказателства бе дадено от Айнщайн. В своя труд, написан през 1905 г., няколко седмици преди знаменития труд за специалната теория на относителността, Айнщайн отбелязва, че т.нар. Брауново движение — неправилното, случайно движение на прашинките, суспендирани в течност — може да се обясни като сблъскване на атомите на течността с частиците на праха.

По това време вече съществували подозрения, че атомите въпреки всичко не са неделими. Няколко години по-рано изследователят от Тринити Колидж в Кеймбридж Дж. Дж. Томсън демонстрирал съществуването на материална частица, наречена електрон, чиято маса е под 1/1000 от масата на най-лекия атом. Той използвал система, подобна на съвременния кинескоп: нагорещена до червено метална жичка освобождава електроните, а понеже те са заредени отрицателно, може да се използва електрично поле, което да ги ускорява към екран с фосфорно покритие. Когато се ударят в екрана, се генерират светлинни проблясъци. Скоро се установило, че тези електрони би трябвало да идват от самите атоми и през 1911 г. английският физик Ърнест Ръдърфорд най-сетне показал, че атомите на веществото наистина имат вътрешен строеж: те са изградени от съвсем мъничко, положително заредено ядро, около което обикалят електрони. Той стигнал до това заключение, като анализирал начина, по който алфа-частиците, които са положително заредени и се освобождават от радиоактивни атоми, се отклоняват при сблъскването си с атоми.

Първоначално се смятало, че атомното ядро е изградено от електрони и различен брой положително заредени частици, наречени протони от гръцкото „първи“, защото се приемало, че това са фундаменталните градивни елементи на материята. През 1932 г. обаче един колега на Ръдърфорд от Кеймбридж, Джеймс Чадуик, открил, че ядрото съдържа друга частица, наречена неутрон, който има почти еднаква маса с протона, но е без електричен заряд. За това откритие Чадуик получил Нобелова награда и бил избран за магистър в Гонвил енд Киз Колидж — Кеймбридж (колежът, в който сега съм сътрудник). Впоследствие той се отказал от степента магистър поради разногласия със сътрудниците. В колежа се водели ожесточени спорове от времето, когато завърнали се от войната млади сътрудници гласували вот на недоверие на много от старите сътрудници, които отдавна били в колежа. Това е било преди моето време; аз постъпих в колежа през 1965 г. и хванах края на ожесточенията, когато подобни несъгласия заставиха друг магистър, Нобелов лауреат — сър Нейвил Мот, да напусне.

Допреди двадесетина години се смяташе, че протоните и неутроните са „елементарни“ частици, но експериментите, в които протони се сблъскваха с други протони или с електрони при високи скорости, показаха, че фактически те се състоят от по-малки частици. Тези частици бяха наречени кварки от физика Мюрай Гел-Ман (Калифорнийски технологичен институт), който получи Нобелова награда за 1969 г. за работата си върху тях. Названието идва от неточен цитат на фразата „Три кварка за Мъстър Марк!“ на Джеймс Джойс. Предполага се думата кварк да се произнася като кварт, накрая с к вместо т, но обикновено се свързва с ларк (чучулига).

Съществуват няколко разновидности на кварка: вероятно има поне шест „аромата“, като всеки „аромат“ се явява в три цвята — червен, зелен и син. (Трябва да отбележим, че това са просто названия: кварките са много по-малки от дължината на видимата светлина, така че нямат цвят в обикновения смисъл.) Изглежда, просто съвременните физици проявяват повече въображение и при наименоването на нови частици и явления вече не се ограничават с гръцкия! Един протон или неутрон се състои от три кварка, по един от всеки цвят.

Вече знаем, че нито атомите, нито протоните и неутроните в тях са неделими. Сега въпросът е: какво представляват истинските елементарни частици, тези основни градивни тухлички, от които е направено всичко? След като дължината на светлинната вълна е много по-голяма от размерите на един атом, ние не можем да се надяваме да „видим“ частите на един атом по обикновен начин. Налага се да използваме нещо с много по-малка дължина на вълната. Както видяхме в последната глава, квантовата механика ни казва, че всички частици са всъщност вълни и че колкото по-голяма е енергията на една частица, толкова по-къса е дължината на съответната вълна.

И така най-добрият възможен отговор на нашия въпрос зависи от това, колко голяма е енергията на частицата, с която разполагаме, защото това определя колко малка е скалата на дължините, която ще използваме. Тези енергии на частиците обикновено се измерват в единици, наречени електронволтове (еУ). (При експериментите на Томсън с електрони видяхме, че той използва електрично поле, за да ги ускори. Енергията, която придобива един електрон от електрично поле един волт е известна като електронволт.) През XIX в., когато единствените енергии на частици, които хората знаеха как да използват, бяха малките енергии от порядъка на няколко електронволта, получени в резултат на химични реакции като горенето например, се смяташе, че атомите са най-малките градивни частици. При експеримента на Ръдърфорд алфа-частиците притежаваха енергия от милион електронволтове. Неотдавна се научихме как да използваме електромагнитни полета за придаване енергия на частиците първоначално от милиони, а по-късно от милиарди електронволтове. Така разбрахме, че частици, които сме смятали преди двадесетина години за „елементарни“, са фактически съставени от по-малки частици. А може би, стигайки до още по-високи енергии, ще установим, че от своя страна и те са съставени от още по-малки частици? Това, разбира се, е възможно, но ние разполагаме с теоретични основания да вярваме, че сме стигнали или сме твърде близо до познаването на крайните градивни тухлички на природата.

Като използваме дуализма вълна/частица, разгледан в последната глава, можем да опишем всички във Вселената, включително светлината и гравитацията, с помощта на частици. Те притежават едно свойство, наречено спин. Един възможен начин да си представим спина е да мислим за частиците като за пумпалчета, които се въртят около една ос. Това обаче би ни заблудило, тъй като квантовата механика ни казва, че частиците нямат добре дефинирана ос. Това, което спинът действително ни казва, е как изглежда частицата от различни посоки. Частица със спин 0 е като точица: тя изглежда еднаква от всички посоки (фиг. 5.1–1). А частица със спин 1 е като стрелкичка: тя изглежда различно от различни посоки (фиг. 5.1–2). Частицата изглежда една и съща само ако я завъртим на пълен оборот (360°). Частица със спин 2 е като двупосочна стрелка (фиг. 5.1–3): тя изглежда по същия начин, ако я завъртим на половин оборот (180°). Подобно частиците с по-голям спин изглеждат по същия начин, ако ги завъртим на по-малки части от един пълен оборот. Всичко това сякаш е много просто, но забележителен факт е, че има частици, които не изглеждат по същия начин, ако ги завъртим само на един пълен оборот: с тях трябва да направим два пълни оборота! За такива частици казваме, че имат спин 1/2.

Всички познати частици във Вселената могат да се разделят на две групи: частици със спин 1/2, които съставляват веществото във Вселената, и частици със спин 0, 1 и 2, които, както ще видим, пораждат взаимодействия между материалните частици.

Материалните частици се подчиняват на т.нар. принцип за забраната на Паули. Той е открит през 1925 г. от австрийския физик Волфганг Паули, за което му бе присъдена Нобелова награда за 1945 г. Паули е прототипът на физика-теоретик: говори се, че дори самото му присъствие в някой град е достатъчно да провали експериментите! Според принципа за забраната на Паули две еднакви частици не могат да съществуват в едно и също състояние, т.е. те не могат едновременно да заемат едно и също място и да имат една и съща скорост в границите, наложени от принципа на неопределеността. Принципът за забраната има решаващо значение, тъй като той обяснява защо материалните частици не колапсират до състояние на твърде голяма плътност под влияние на силите, пораждани от частиците със спин 0, 1 и 2: ако положенията на материалните частици са много близки, техните скорости трябва да се различават, което значи, че те няма дълго да се задържат на едно и също място. Ако светът бе създаден без принципа на Паули, кварките не биха образували отделни, добре дефинирани протони и неутрони. Нито пък те биха образували заедно с електроните отделни, добре дефинирани атоми. Те щяха да колапсират и да се получи една приблизително еднородна, гъста „супа“.

Изясняването на представата за електрона и останалите частици със спин 1/2 стана едва през 1928 г., когато Пол Дирак, който впоследствие бе избран за Лукасова професура по математика в Кеймбридж (същата професура, заемана някога от Нютон, а сега и от мен), предложи една теория. Теорията на Дирак беше първата, която е в съгласие както с квантовата механика, така и със специалната теория на относителността. Тя обясни по математически път защо електронът има спин 1/2, т.е. защо не изглежда по един и същ начин, когато го завъртим на един пълен оборот, а трябва да го завъртим на два пълни оборота. Освен това тя предсказа, че електронът трябва да има партньор: антиелектрон или позитрон. Откриването на позитрона през 1932 г. потвърди теорията на Дирак и му донесе Нобелова награда за физика за 1933 г. Ние вече знаем, че всяка частица има своя античастица, с която може да анихилира. (В случая с частици, пренасящи взаимодействие, античастиците са същите като самите частици.) Възможно е да съществуват цели антисветове и антихора от античастици. Но ако срещнете своя анти-аз, не му подавайте ръка! И двамата ще изчезнете в огромно огнено кълбо!

Въпросът, защо частиците са толкова повече от античастиците около нас, е изключително важен и аз ще се върна на него по-нататък в тази глава.

В квантовата механика силите или взаимодействията между материалните частици се носят от частиците с цял спин — 0, 1 или 2. Всъщност материалната частица — например електрон или кварк — излъчва частица, пренасяща взаимодействие. Отскокът в резултат на това излъчване променя скоростта на материалната частица. Тогава частицата, пренасяща взаимодействие, се сблъсква с друга материална частица и бива погълната. Това сблъскване променя скоростта на втората частица, също както ако между двете материални частици действаше сила.

Съществено свойство на частиците, пренасящи взаимодействие, е, че те не се подчиняват на принципа за забраната на Паули. Това значи, че техният брой, който може да бъде обменян, не е ограничен и поради това те могат да породят силно взаимодействие. Ако обаче частиците, пренасящи взаимодействие, имат голяма маса, това ще затрудни образуването и обмена им на голямо разстояние. Поради това взаимодействията, които те носят, ще са само с малък обсег. От друга страна, ако частиците, пренасящи взаимодействие, нямат собствена маса, взаимодействията ще бъдат с голям обсег. Частиците, носещи взаимодействие, обменяни между материални частици, се наричат виртуални, тъй като за разлика от „реалните“ те не могат да бъдат непосредствено регистрирани с Детектор на частици. Но ние знаем, че те съществуват, защото имат измеряем ефект: те пораждат взаимодействия между материалните частици.

Частиците със спин 0, 1 или 2 понякога съществуват и като реални частици и могат да бъдат директно регистрирани с детектор. Тогава те се явяват във вид на нещо, което класикът-физик би нарекъл вълна — например като светлините или гравитационните вълни. Понякога те се излъчват при взаимодействието между материални частици, при обмен на виртуални частици, пренасящи взаимодействие. (Например електрическата сила на отблъскване между два електрона се дължи на обмен на виртуални фотони, които никога не могат да бъдат непосредствено регистрирани с детектор; но когато един електрон прелита край друг, могат да се освободят реални фотони, които регистрираме като светлинни вълни.)

Частиците, пренасящи взаимодействие, могат да се групират в четири категории в зависимост от големината на взаимодействието, което носят, и частиците, с които взаимодействат. Трябва да отбележим, че това деление на четири групи е изкуствено: то е удобно при разработването на частни теории, но може и да не отговаря на нещо по-сериозно. В крайна сметка повечето физици се надяват да открият една единна теория, която да обясни четирите сили като различни прояви на една-единствена сила. Всъщност мнозина биха казали, че това е главна цел на физиката днес. Наскоро бяха направени успешни опити да се обединят три от четирите групи взаимодействия и аз ще ги опиша в тази глава. Въпросът за обединяването на останалата категория — гравитацията — ще оставим за по-нататък.

Първата категория е гравитационната сила. Тази сила е универсална, т.е. всяка частица изпитва силата на гравитация в зависимост от своята маса или енергия. Гравитацията е най-слабата от четирите сили; тя е толкова слаба, че ако не притежаваше две характерни свойства, изобщо не бихме я забелязали: тя може да действа на големи разстояния и е винаги притегляща. Това означава, че твърде малките гравитационни сили между отделните частици в две големи тела като Земята и Слънцето могат да се сумират и да породят една значителна сила. Другите три сили са или с малък обсег, или в някои случаи — сили на привличане, а в други на отблъскване, така че проявяват тенденция да се унищожават. При разглеждане на гравитационното поле от гледище на квантовата механика взаимодействието между две материални частици се представя чрез частица със спин 2, наречен гравитон. Гравитонът няма собствена маса и поради това носи взаимодействие с голям обсег. Гравитационната сила между Слънцето и Земята се обяснява с обмен на гравитони между частиците, от които са изградени тези две тела. Макар обменяните частици да са виртуални, ефектът им без съмнение е измерим: те заставят Земята да се върти около Слънцето! Реалните гравитони образуват това, което класикът-физик би нарекъл гравитационни вълни. Те са толкова слаби и така трудни за регистриране, че никога не са били наблюдавани.

Следващата категорията е електромагнитната сила, която взаимодейства с електрически заредените частици, каквито са електроните и кварките, но не и с незаредените, каквито са гравитоните. Тя е много по-голяма от гравитационната: електромагнитната сила между два електрона е почти 10⁴² пъти по-голяма от гравитационната. Съществуват обаче два вида електричен заряд — положителен и отрицателен. Силата между два положителни заряда е на отблъскване, каквато е и между два отрицателни заряда, докато силата между един положителен и един отрицателен заряд е на привличане. Едно толкова голямо тяло като Земята или Слънцето съдържа почти равен брой положителни и отрицателни заряди. Поради това силите на привличане и на отблъскване между отделните частици почти се унищожават и остатъчната електромагнитна сила е малка. Но при малките мащаби на атома и молекулата преобладават електромагнитните сили. Електромагнитното привличане между отрицателно заредените електрони и положително заредените протони в ядрото карат електроните да обикалят по орбити около ядрото на атома, също както гравитационното привличане заставя Земята да обикаля около Слънцето. Електромагнитното привличане се обяснява с обмена на голям брой виртуални безмасови частици със спин 1, наречени фотони. И в този случай фотоните, които се обменят, са виртуални частици. Но когато един електрон премине от една разрешена орбита към друга, по-близка до ядрото, се освобождава енергия и се излъчва реален фотон, който, ако е със съответната Дължина на вълната, може да се наблюдава като видима за човешкото око светлина или да се регистрира от фотонен приемник, какъвто е например фотографският филм. По-същия начин, когато един реален фотон се сблъска с атом, той може Да придвижи един електрон от орбита, по-близка до ядрото, на друга, по-отдалечена. Това изразходва енергията на фотона, така че той се поглъща.

Третата категория се нарича слабо ядрено взаимодействие, на което се дължи радиоактивността и което действа върху всички материални частици със спин 1/2, но не и върху частици със спин 0, 1 или 2 като фотоните и гравитоните. Слабото ядрено взаимодействие не бе съвсем ясно до 1967 г., когато Абдус Салам от Импириъл Колидж в Лондон и Стивън Уайнбърг от Харвард предложиха свои теории, които обединяват това взаимодействие с електромагнитната сила, също както Максуел бе обединил електричеството и магнетизма стотина години по-рано. Те предположиха, че освен фотона има три други частици със спин 1, познати общо като тежки векторни бозони, носители на слабото взаимодействие. Те се наричат W+, W’ и Z° и всеки от тях е с маса приблизително 100 GeV (1 GeV = 10⁹ eV). Теорията на Уайнбърг — Салам показва едно свойство, известно като спонтанно нарушаване на симетрията. Това значи, че ако при ниски енергии възприемаме няколко частици като напълно различни една от друга, в действителност те са един и същи тип, но в различни състояния. При високи енергии тези частици се отнасят като подобни. Ефектът е подобен на поведението на топчето за рулетка върху диска на рулетката. При високи енергии (когато завъртим диска бързо) топчето се държи само по един и същ начин — то продължава да се върти. Но когато движението на диска се забави, енергията на топчето намалява и накрая то пада в един от тридесет и седемте процепа на диска. С други думи, при ниски енергии има 37 различни състояния, в които топчето може да бъде. Ако по някакъв начин можем да наблюдаваме топчето само при ниски енергии, бихме сметнали, че има 37 различни вида топчета!

В теорията на Уайнбърг — Салам при енергии, много по-високи от 100 GeV, трите нови частици и фотонът биха имали подобно поведение. Но при по-ниски енергии на частиците, което е по-честият случай, тази симетрия между частиците ще се наруши. W+, W’ и Z° ще придобият големи маси, с което взаимодействията, които носят, ще станат с много малък обсег. По времето, когато Салам и Уайнбърг предложиха своята теория, малцина им повярваха, а ускорителите на частици не бяха достатъчно мощни, та да развият енергии от 100 ОеУ, необходими за получаването на реални W+, W’ и Z° частици. През следващите десетина години обаче останалите предсказания на теорията за ниските енергии така добре се съгласуваха с експеримента, че през 1979 г. Салам и Уайнбърг получиха Нобелова награда за физика заедно с Шелдън Глашоу, също от Харвард, който бе предложил подобни обединени теории за електромагнитното и слабото ядрено взаимодействие. На Нобеловата комисия бе спестено неудобството да е допуснала грешка, когато през 1983 г. в ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания) бяха открити трите тежки партньора на фотона с точно предсказани маси и други свойства. Карло Рубиа, който ръководеше колектива от неколкостотин физици, автори на това откритие, получи Нобелова награда за 1984 г. заедно със Симон ван дер Меер — инженер от ЦЕРН, който бе автор на използваната система за натрупване на антиматерията. (Днес е много трудно да бъдеш забелязан в експерименталната физика, ако вече не си по върховете!)

Четвъртата категория е силното ядрено взаимодействие, което задържа кварките в протона и неутрона, а протоните и неутроните — в ядрото на атома. Смята се, че носител на това взаимодействие е друга частица със спин 1, наречен глуон, който взаимодейства само със себе си и с кварките. Силното ядрено взаимодействие има едно любопитно свойство, наречено затваряне (конфайнмънт): то винаги свързва частиците в комбинации, които нямат цвят. Не може да има един-единствен кварк, защото той би бил с цвят (червен, зелен или син). В замяна един червен кварк трябва да се присъедини към един зелен и един син кварк чрез „струна“ от глуони (червен + син + зелен = бял). Такъв триплет представлява протон или неутрон. Друга възможност е да се образува двойка, съставена от кварк и антикварк (червен + античервен, или зелен + антизелен, или син + антисин = бял). Такива комбинации изграждат частиците, известни като мезони, които са нестабилни, понеже кваркът и антикваркът могат да анихилират, при което се получават електрони и други частици. По същия начин затварянето предотвратява съществуването на самостоятелен глуон, тъй като глуоните също имат цвят. Вместо това има колекция от глуони, чиито цветове се сумират до бял. Тази колекция образува една нестабилна частица, наречена глуонна топка.

Фактът, че свойството затваряне не позволява да се наблюдава отделен кварк или глуон, сякаш създава представата за кварките и глуоните като метафизични частици. Съществува обаче едно друго свойство на силното ядрено взаимодействие, високоенергетично сблъскване между протон и антипротон, при което се получават няколко почти свободни кварка наречено асимптотична свобода, с което концепцията за кварки и глуони се дефинира точно. При нормални енергии силното ядрено взаимодействие е наистина силно и свързва здраво кварките помежду им. Но експериментите с големи ускорители на частици показват, че при високи енергии силното взаимодействие значително намалява и поведението на кварките и глуоните става почти като на свободни частици. На фиг. 5.2 е показана фотография на сблъскване между високоенергетичен протон и антипротон. Получават се няколко почти свободни кварка и се дава начало на „струя“ от трекове.

Успешното обединяване на електромагнитното и слабото ядрено взаимодействие доведе до множество опити да се съчетаят тези две взаимодействия със силното ядрено взаимодействие в т.нар. теория на Великото обединение. Названието е малко пресилено: получените теории не са нито толкова велики, нито напълно обединени, тъй като не включват гравитацията. Те не са и в действителност завършени теории, защото съдържат някои параметри, чиито стойности не могат да се предскажат от теорията, а трябва така да се подберат, че да се съгласуват с експеримента. Въпреки всичко те са вероятно стъпка към една завършена, напълно обединена теория.

Основната идея на теорията на Великото обединение е следната: както споменахме по-горе, силното ядрено взаимодействие отслабва при високи енергии. От друга страна, електромагнитното и слабото взаимодействие, които не са асимптотично свободни, стават силни при високи енергии. При някаква много висока енергия, наречена енергия на Великото обединение, тези три взаимодействия биха имали една и съща сила и би се оказало, че са просто различни прояви на едно-единствено взаимодействие. Теориите на Великото обединение предсказват също, че при тази енергия различните материални частици със спин 1/2, като кварки и електрони, биха били също почти едни и същи, с което би се постигнало още едно обединение.

Стойността на енергията на Великото обединение не е много добре известна, но вероятно би трябвало да е поне 10¹⁵ GeV. Сегашното поколение ускорители на частици позволява сблъскването на частици с енергия от порядъка на 100 GeV, а се проектират машини, които ще достигнат до няколко хиляди GeV. Но една машина, достатъчно мощна да ускори частици до енергиите на Велико обединение, ще трябва да е с размерите на Слънчевата система и би било невероятно да се финансира при сегашния икономически климат. Поради това е невъзможно теориите на Великото обединение да се проверят непосредствено в лабораторията. Но както и при теорията, обединяваща електромагнитното и слабото взаимодействие, и в този случай има нискоенергетични следствия от теорията, които могат да бъдат проверени.

Най-интересното от тях е предсказването, че протоните, от които е изградена повечето от масата на обикновената материя, могат спонтанно да се разпадат на по-леки частици, каквито са антиелектроните. Причината това да е възможно е, че при енергията на Велико обединение няма съществена разлика между антикварк и антиелектрон. Трите кварка в протона обикновено нямат достатъчно енергия, за да се превърнат в антиелектрони, но много често един от тях може да придобие Достатъчно енергия, за да направи прехода, тъй като според принципа на неопределеността енергията на кварките в протона не може точно да се фиксира. Тогава протонът би се разпаднал. Вероятността един кварк да придобие достатъчна енергия е толкова малка, че ще се наложи да чакаме поне 10³⁰ години. Това е време, много по-дълго от времето, изминало след големия взрив, което е едва 10¹⁰ години. Човек би си помислил, че възможността за спонтанно протонно разпадане не би могла да се провери експериментално. Но шансовете ни да открием разпадането ще нараснат, ако наблюдаваме голямо количество вещество, съдържащо голям брой протони. (Ако например наблюдаваме 10³¹ протони в продължение на една година, според най-простата теория на Великото обединение можем да очакваме да видим разпадането на повече от един протон.)

Проведени са няколко такива експеримента, но никой от тях не доведе до определено доказателство за разпадане на протон или неутрон. При един от експериментите бяха използвани 8000 тона вода и той бе проведен в солната мина „Мортън“ в Охайо (за да се избегне настъпването на други събития, причинени от космическите лъчи, които погрешно да сметнем за разпадане на протон). Тъй като никакво спонтанно разпадане на протони не бе наблюдавано по време на експеримента, може да се пресметне, че вероятният живот на протона трябва да е по-дълъг от 10³¹ години. Това е по-продължително от времето, предсказано по най-простата от теориите на Великото обединение, но има по-съвършени теории, предсказващи по-дълъг живот. За да ги проверим, ще са необходими още по-чувствителни експерименти с още по-голямо количество вещество.

Макар че наблюдаването на спонтанно разпадане на протона е много трудно, не е изключено самото ни съществуване да е следствие от обратния процес — образуване на протони, или по-просто — на кварки от едно начално състояние, при което кварките не са повече от антикварките, а това е естественият начин да си представим началото на Вселената. Материята на Земята е изградена главно от протони и неутрони, които от своя страна са съставени от кварки. Антипротони и антинеутрони, изградени от антикварки, няма освен няколкото, получени от физиците в големите ускорители на частици. Космическите лъчи са доказателство, че същото се отнася за цялата материя в нашата Галактика: няма антипротони, нито антинеутрони, с изключение на малкия брой, получени като двойка частица/античастица при високоенергетични сблъсквания. Ако в нашата Галактика съществуваха големи области от антиматерия, бихме могли да очакваме, че ще наблюдаваме големи количества лъчения от границите между областите от материя и антиматерия, където много частици биха се сблъскали със своите античастици и биха анихилирали с освобождаване на високо-енергетично излъчване.

Ние не разполагаме с директно доказателство дали материята в другите галактики е изградена от протони и неутрони, или от антипротони и антинеутрони, но вероятно е или едното, или другото: не може да има смес от двете в една галактика, защото в такъв случай пак бихме наблюдавали силно лъчение от анихилации. Ето защо се предполага всички галактики да са съставени от кварки, а не от антикварки; представата някои галактики да са от материя, а други от антиматерия изглежда неправдоподобна.

А защо кварките са много повече от антикварките? Защо не са поравно? Несъмнено имаме късмет, че броят им не е равен, защото иначе почти всички кварки и антикварки биха анихилирали още в ранната Вселена и биха оставили Вселена, изпълнена с лъчение, но едва ли с някакво вещество. Тогава вероятно нямаше да има галактики, звезди или планети, на които да се развие човешки живот. За щастие теориите на Великото обединение може би ни дават обяснение защо Вселената сега съдържа повече кварки, отколкото антикварки, даже и в началото броят им да е бил равен. Както видяхме, теориите на Великото обединение позволяват при високи енергии кварките да се превръщат в антикварки. Освен това те позволяват и обратните процеси — превръщане на антикварки в електрони и на електрони и антиелектрони в антикварки и кварки. Някога, в съвсем ранната Вселена, тя е била толкова гореща, че енергиите на частиците вероятно са били достатъчно високи за настъпването на тези превръщания. Но защо това е довело до повече кварки, отколкото антикварки? Причината е, че физичните закони не са съвсем същите за частиците и античастиците.

До 1956 г. се смяташе, че физичните закони се подчиняват на всяка от трите отделни симетрии, наречени C, P и T.

Симетрията C означава, че законите са едни и същи за частици и античастици. Симетрията P означава, че законите са едни и същи за всяка ситуация и нейното огледално изображение (огледалното изображение на една частица с дясно въртене е това на частица с ляво въртене). Симетрията T означава, че ако обърнем посоката на движение на всички частици и античастици, системата трябва да се върне в предишни състояния: с други думи, законите са еднакви както напред, така и назад във времето.

През 1956 г. двама американски физици — Дзун-Дао Ли и Чженин Янг, предположиха, че слабото взаимодействие фактически не се подчинява на P симетрията. С други думи, слабото взаимодействие би принудило Вселената да се развива различно от начина, но който би се развило нейното огледално изображение. Същата година тяхната колежка Цзин Сян Ву! доказа, че предсказанието им е правилно. Тя направи това, като ориентира ядрата на радиоактивни атоми в магнитно поле така, че всички те да се въртят в една и съща посока, и показа, че в една посока се освобождават повече електрони, отколкото в друга. Следващата година Ли и Янг получиха Нобелова награда за своята идея. Освен това беше установено, че слабото взаимодействие не се подчинява на P симетрията, т.е. поведението на вселена, съставена от античастици, ще бъде различно от това на нашата Вселена. Въпреки това, изглежда, слабото взаимодействие спазва комбинираната CP симетрия, т.е. Вселената би се развивала по същия начин, както огледалното си изображение, дори ако всяка частица бъде заместена от своята античастица! През 1964 г. обаче други двама американци — Дж. У. Кронин и Вал Фич, откриха, че CP симетрията не се спазва дори при разпадането на определени частици, наречени К-мезони.

Накрая през 1980 г. Кронин и Фич получиха Нобелова награда за труда си. (Много са наградите, раздадени за посочването на факта, че Вселената не е така проста, както си я представяме!)

Има една математическа теорема, която твърди, че всяка теория, която се подчинява на квантовата механика и на относителността, трябва винаги да съблюдава и комбинираната CPT симетрия. С други думи, поведението на Вселената би трябвало да е едно и също, дори да заменим частиците с античастици, да вземем огледално изображение и да обърнем посоката на времето. Но Кронин и Фич показаха, че ако заменим частиците с античастици и вземем огледално изображение, а не обърнем посоката на времето, поведението на Вселената не е същото. Ето защо, ако обърнем посоката на времето, физичните закони трябва да се променят; те не спазват T симетрията.

Ранната Вселена положително не се е подчинявала на T симетрия: с хода на времето напред Вселената се разширява; ако тече назад, Вселената би трябвало да се свива. А след като има сили, които не спазват T симетрията, следва, че с разширението на Вселената тези сили могат да предизвикат превръщането на повече антиелектрони в кварки, отколкото на електрони в антикварки. След това, когато Вселената се разширява и изстива, антикварките ще анихилират с кварките, но тъй като ще има повече кварки, отколкото антикварки, ще остане малък излишък от кварки. Именно те съставят материята, която виждаме днес и от която ние самите сме направени. Така самото ни съществуване може да се разглежда като потвърждение на теориите на Великото обединение, макар и само в качествено отношение; неопределеностите са такива, че не само не можем да предскажем броя на кварките, които ще останат след анихилацията, а дори това, дали ще са кварки или антикварки. (Ако излишъкът е от антикварки обаче, просто ще трябва да наречем антикварките кварки, а кварките антикварки.)

Теориите на Великото обединение не включват гравитационното взаимодействие. Това няма особено значение, тъй като гравитацията е толкова слаба, че когато става дума за елементарни частици или атоми, обикновено можем да пренебрегнем нейните ефекти. Но фактът, че тя е едновременно с голям обсег и винаги привличаща, означава, че всички нейни ефекти се сумират. Поради това за достатъчно голям брой материални частици гравитационните сили могат да надделеят над останалите. Именно това е причината гравитацията да определя еволюцията на Вселената. Дори за обекти с размерите на звезда гравитационното привличане може да надделее над всички останали сили и да накара звездата да колапсира. Моята работа през 70-те години бе съсредоточена върху черните дупки, които могат да се получават от такъв звезден колапс, и върху силните гравитационни полета около тях. Именно те подсказаха за първи път как теориите на квантовата механика и общата теория на относителността могат да си оказват взаимно влияние — една бегла представа за предстоящата квантова теория на гравитацията.