Evolúció. Az élet értelme vagy az anyagról való gondolkodás

Ha a szakértők elfogadják az Univerzum kialakulásának az ArXiv folyóiratban megjelent új elméletét, akkor az Ősrobbanás hipotézise meghiúsul.

Az új megfogalmazás szerint az Univerzum soha nem volt anyagból álló, sűrű és kicsi pont. Valójában az Univerzumnak egyáltalán nem lehet kezdete.

Egy új tanulmány szerzői azt sugallják, hogy az Univerzum kora a végtelen. Az új koncepció azt is sugallja, hogy az univerzum nagy részét alkotó titokzatos, láthatatlan anyag valójában az univerzum.

Az ősrobbanás elmélete szerint az univerzum több mint 13,8 milliárd éve született. Szó szerint minden, ami ma létezik, valamikor egy végtelenül sűrű, végtelenül apró, ultraforró folttá laposodott, amit szingularitásnak neveznek. Ennek az apró tűzgömbnek a robbanásából született meg az Univerzumunk.

Ez a változat Einstein általános relativitáselméletéből származik, amely leírja, hogy a tömeg hogyan hajlítja meg a téridőt. Egy másik egyenlet (amelyet Raychaudhuri-egyenletnek neveznek) megjósolja, hogy ezek a pályák konvergálnak-e vagy eltérnek-e az idő múlásával. Ezen egyenletek szerint az Ősrobbanás előtt az Univerzumban minden anyag egy ponton volt - szingularitásban.

Az új tanulmány társszerzői azonban úgy vélik, hogy ezek a számítások nem teljesen helyesek. Mivel a fizika törvényei szerint pontatlanságok vannak Einstein megfogalmazásában, a két legdominánsabb elmélet (a relativitáselmélet és a kvantummechanika) nem egyeztethető össze. Ezért valószínű, hogy az Univerzum nem az Ősrobbanással kezdődött.

A kvantummechanika azt állítja, hogy a kis szubatomi részecskék viselkedése alapvetően bizonytalan. Ez ellenkezik Einstein relativitáselméletével, amely szigorúan determinisztikus, és azon a tényen alapszik, hogy ha a természet minden törvényét megismerjük, a jövőt teljesen a múlt határozza meg. Az elmélet azonban nem magyarázza meg, miből áll a sötét anyag (az anyag láthatatlan formája, amely gravitációs erőt fejt ki a közönséges anyagra).

Kiderült, hogy az Ősrobbanás elméletében sok ellentmondás van. Az új tanulmány társszerzői úgy döntöttek, megpróbálnak kiutat találni ebből a rejtvényből. Ebből a célból a kutatók a kvantummechanika Bohmi-féle értelmezését vették alapul a vizuális megjelenítéshez, amely más megfogalmazásoktól eltérően lehetővé teszi a szubatomi részecskék pályájának kiszámítását.

A kvantumelmélet e régimódi formájával a kutatók kiszámítottak egy kis korrekciós tagot, amely beépíthető Einstein elméletébe. Ennek eredményeként az új megfogalmazás szerint Univerzumunk kora a végtelen. Következésképpen a születése soha nem történt meg, hiszen mindig is létezett...

Egyes tudósok azonban úgy vélik, hogy az új egyenletek csak az egyik módja a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet összekapcsolásának. Például a "húr" elmélet azt sugallja, hogy az Univerzum egykor hosszú statikus fázison ment keresztül, míg más elméletek ragaszkodnak ahhoz, hogy az Univerzum egy kozmikus "pattanás", amely időről időre kitágul és összehúzódik. (weboldal)

Valószínűleg a legfontosabb dolog, amit az infláció megmagyaráz, az az, hogy honnan származik a mi univerzumunkban az egy extra barion a milliárdból, és honnan származik az anyag az Univerzumban általában. De először be kell pótolnunk néhány, az anyaggal és az antianyaggal kapcsolatos hiányosságot.

Már említettük, hogy a részecskék és az antirészecskék egyszerűen egymás gonosz alteregói. Észre fogjuk venni, ha valami mániákus berohan az éjszaka szárnyai közé, és minden kvarkot antikvarkokra, elektronokat pozitronokra, neutrínókat antineutrínóra és így tovább? A fizikusok ezt töltésszimmetriának nevezik. Mindennek megfelelően, amit eddig elmondtunk, minden marad a régiben.

Eddig nem beszéltünk arról, hogy a töltésszimmetria hogyan hat az Univerzumunkra, de ennek a befolyásnak nagyon erősnek kell lennie, mert nyilvánvaló, hogy minden anyagból áll, és nem antianyagból. Mint kiderült, a neutrínók és az antineutrínók nem teljesen ugyanazok. Mindkettő úgy forog, mint az óramű, de a kísérletek azt mutatják, hogy minden neutrínó az óramutató járásával megegyezően, és minden antineutrínó az óramutató járásával ellentétes irányban.

Első pillantásra úgy tűnik, hogy ez nem játszik szerepet, de kiderül, hogy ha minden részecskét antirészecskékre cserélünk, akkor is lesz különbség. De mindent meg lehet javítani - csak nem csak a részecskéket kell antirészecskékkel helyettesíteni, hanem jobbra és balra is cserélni. Ezt paritásnak vagy paritásszimmetriának nevezik. Ennek eredményeként az „óramutató járásával megegyező irányba” az „óramutató járásával ellentétessé” válik, és fordítva.

A nagy kérdés: ha megváltoztatjuk a töltést és a párhuzamos szimmetriát is, akkor is ugyanúgy fog viselkedni a fizika? Ha igen, akkor az Univerzum nem tesz különbséget az anyag és az antianyag között, és fogalmunk sincs, hogy a mi Világegyetemünkben miért van mindkettő bőséges.

Itt ismét segítségünkre vannak a gyorsítókkal végzett kísérletek. Nagy energiáknál kaonoknak nevezett részecskék keletkeznek – az antirészecskéikkel együtt. A kaonok és az anti-kaonok többnyire ugyanúgy viselkednek, és nagyon hasonló termékeket képeznek, amikor bomlanak. Ezerből azonban körülbelül egy esetben a kaonok az antikaonokon kívül más bomlástermékeket is termelnek. Ez egy apró jelenség – de azt mutatja, hogy az Univerzum valójában különbséget tesz az anyag és az antianyag között.

A lényeg az, hogy éppen a nagy egyesülés korszakának végén az energiák elég magasak voltak ahhoz, hogy létrejöjjön az X-bozon nevű hipotetikus részecske. Az X bozonok nagyon nagy tömegűek voltak, és gyorsan bomlottak más részecskékre, beleértve a kvarkokat és az antikvarkokat, de nem voltak egyenlő számban. De az anti-X bozon láthatóan pontosan az ellenkező módon viselkedett, és ezek a részecskék átlagosan megsemmisítették egymást. Másrészt, ha feltételezzük, hogy az X bozonok kaonként viselkedtek, vagyis az antirészecskék nem mindig tükrözték pontosan a közönséges részecskéket, akkor kapunk néhány extra kvarkot, és végül néhány extra bariont.

Tehát ha el akarod mondani Little Willie-nek, honnan származik (és az Univerzum többi anyaga), akkor mondd el neki, hogy mindannyian az Univerzum életének első 10-35 másodpercében megtört szimmetriából jöttünk.

• Fordítás

Amikor azt látod, hogy egy antianyagból készült másod fut feléd, alaposan gondold át, mielőtt átölelnéd.
- J. Richard Gott III

Talán nem gondolt arra, hogy az egész Föld és minden rajta lévő anyag anyagból áll. Ez intuitívnak tűnik, és nem is lehetne másképp. A természet törvényei azonban még nem mondták meg nekünk, miért működik így az Univerzum.

Egy olvasó megkérdezi:

Igaz, hogy az Univerzum hajnalán az anyag és az antianyag egyenlő mennyiségben keletkezett? És ha nem, akkor ismert, hogy miért alakult ki ez az egyenlőtlenség?
És ha a számuk azonos volt, miért van olyan kevés az antianyag? Van-e olyan mechanizmus, amely megmagyarázza az anyag térnyerését az antianyaggal szemben az Univerzum látható részében?

Gondold át.

Ez az Univerzum része. Csillagok és csillagrendszerek százmilliárdja csak a mi galaxisunkban létezik. A megfigyelhető Univerzumban több száz milliárd galaxis található. Mindegyikből csak a saját csillagrendszerünket tanulmányoztuk, amelyről nem meglepő módon kiderült, hogy anyagból jött létre, nem pedig antianyagból.

De úgy tűnik, az Univerzum többi része is anyagból áll. Pontosabban az Univerzum tele van anyaggal, és ha valahol lenne antianyagból készült rész, akkor hatalmas katasztrófának lennénk tanúi, amikor az anyag és az antianyag találkozna.

Például a galaxisokban a csillagok közötti tér tele van anyaggal, még akkor is, ha ott nincsenek csillagok. A tér hatalmas, és az anyag sűrűsége kicsi. Kiszámolhatja – ha egy antianyag-részecskét (mondjuk egy antiprotont) dobnánk a térbe, mennyi ideig élne, mielőtt találkozna egy anyagrésszel és megsemmisülne. Átlagosan 300 évig létezne galaxisunk csillagközi terében – ami a galaxis korához képest semmi. Ez a korlátozás azt sugallja, hogy az antianyag részecskék csak 1 részecske/10 15 nagyságrendű mennyiségben lehetnek jelen az anyagok között.

Nagyobb léptékben feltérképeztük a galaxisokat és halmazaikat, különböző hullámhosszakon körülnézve, beleértve a látható fényt, az infravörös hullámokat, a mikrohullámokat, a rádiót, az ultraibolya, a röntgen- és a gamma-sugarakat. Konkrétan a röntgen- és gamma-sugárzást nagyon fontos megfigyelni, mert amikor az anyag és az antianyag megsemmisül, jellegzetes, nagy energiájú sugárzást bocsátanak ki, amelyet észlelni tudunk.

55 galaxishalmaz tanulmányozása után több millió fényévtől hárommilliárdig terjedő távolságban láttuk, hogy kozmikus léptékben az összes anyag 99,999%-a közönséges anyag, nem antianyag.

És ez mégis váratlan. Lehet, hogy hallott már valamit az E = mc 2 képletről, és tudja, hogy ez azt mondja, hogy a tömeg nemcsak energiát tartalmaz, hanem elegendő energiával is létrehozhat egy részecskét. De ez még nem minden.

Amint azt a Földön végzett laboratóriumi kísérletekben megállapítottuk, az anyag létrehozásának egyetlen módja az, hogy kétszer annyi energiát veszünk fel, mint amennyit az E = mc 2 képlet mond, és azonos mennyiségű anyagot és antianyagot hozunk létre. Ezzel szemben az anyagot csak antianyaggal ütközve tudjuk elpusztítani, aminek következtében tiszta energia szabadul fel. És a fizika minden törvénye azt mondja, hogy ez bármikor, bármilyen energiára igaz.

És mégis, az Univerzumunk áll előttünk.

Ha az ősrobbanással kezdenénk, akkor az infláció végén minden szükséges kezdeti feltétel és ismert fizikatörvény mellett a következő állapotot kapnánk:

• Az univerzum forró, sűrű, táguló, sugárzással és egyenlő arányban anyaggal és antianyaggal tele lenne.
• Az anyag és az antianyag ütközne, megsemmisülne sugárzássá, és a nagy energiájú részecskék ütköznének egymással, spontán módon új anyag- és antianyag-részecskéket hozva létre egyenlő arányban, többletenergiával.
• Az univerzum kitágulna és lehűlne, ugyanakkor az energia és a sűrűség csökkenne.

De ha az energia csökken, a nagy energiájú részecskék nehezebbé válik új anyag/antianyag párok létrehozása (b), ami kevesebb reakciót eredményez, amely az anyagot és az antianyagot sugárzássá alakítja. De ahogy a sűrűség csökken, az anyag/antianyag párok egyre nehezebben találnak egymásra, aminek eredményeként ezen találkozások száma nem csökken nullára. Mindig lesznek maradványai az anyagnak és az antianyagnak.

És itt válnak furcsává a dolgok. Minden számítás szerint a fizika ismert törvényei és kísérleteink alapján minden anyag- vagy antianyagrészecskére 10 20 sugárzási részecske kellene. De a mi univerzumunkban csak egymilliárd, 10 9 darab van belőlük anyagrészecskénként. És általában nagyon kevés az antianyag.

Szóval honnan jött az extra anyag? Miért jelent meg az extra anyag, de nem az antianyag? És mikor? És hogyan?

Őszintén szólva, ez a fizika egyik legnagyobb megfejtetlen rejtélye. De az, hogy nem tudunk mindent, nem jelenti azt, hogy egyáltalán nincsenek nyomaink. Például az 1960-as évek óta ismert, hogy a következő három feltételnek eleget kell tenni:

1. egyensúly hiánya
2. barionszám nem megőrzése
3. a C- és CP-invariancia megsértése

Több anyagot lehet létrehozni, mint antianyagot (vagy fordítva). Ráadásul az aszimmetria ebben az esetben egyszerűen elkerülhetetlen. És szerencsére ezek közül a kritériumok közül kettőt könnyű teljesíteni.

Az „egyensúly hiánya” akkor következik be, amikor bizonyos események a rendszer egyik részében nem hatnak a másik részre, mert az információnak nincs ideje elérni őket. A táguló Univerzum kiváló példája egy olyan rendszernek, amelyben definíció szerint nincs egyensúly, és az anyag és az antianyag keletkezésének és megsemmisülésének fenti leírása az Univerzum tágulása és lehűlése során kiváló példa egy nem egyensúlyi folyamatra. .

Az anyag és az antianyag közötti különbségre, a különféle szimmetriák megtörésére is számos példa van. Az egyik a töltéskonjugációs szimmetria vagy C-szimmetria. Ha minden részecskét antirészecskékre cserél, és a C-szimmetria megmarad, akkor a rendszer pontosan ugyanúgy fog viselkedni. Egy másik a paritásszimmetria, a P-szimmetria. Ha továbbra is fennáll, akkor a valós rendszernek és annak tükörképének ugyanúgy kell viselkednie.

Egy instabil részecske, mint a forgó müon, meghatározott módon bomlik le - azáltal, hogy egy elektront bocsát ki egy bizonyos irányba a spinjének megfelelően. Ha ezt tükrözi egy tükörben (P), akkor az elektron az ellenkező irányba bocsát ki, ami az életben nem történik meg. Ha a müont anti-müonra (C) cseréljük le, az eredeti irányban pozitront bocsát ki – és ez szintén nem történik meg. De ha a forgó müont a forgó anti-müon tükörmásolatára cseréljük (C és P, CP), akkor azt remélhetjük, hogy a bomlása ugyanolyan megbízhatóan megy végbe, mint egy müon bomlása a valós (nem tükör) világban. . De ez nem történik meg. Vannak más példák is a C és CP szimmetriák megsértésére k-mezonok vagy B-mezonok rendszereiben.

Ezért csak olyan kölcsönhatásokat kell kapnunk, amelyek nem őrzik meg kellő mennyiségben a barionszámot, vagyis olyan barionokat hozunk létre, ahol nem voltak (de volt valami más). Sajnos ehhez olyan fizikára van szükség, amely nem szerepel a Standard Modellben.

De rengeteg ilyen mechanizmust találtak ki:

• a GUT-méretű részecskéket tartalmazó nagy egyesített elméletek
• elméletek új skalárokkal, amelyek Affleck-Dine mechanizmusokat tartalmaznak
• a standard modell kiterjesztései, beleértve a nehéz, steril neutrínókat
• a leptontöbblet elmélete a fiatal univerzumban (leptogenezis)
• új elektrogyenge léptékű fizika, amely javíthatja az anyag és az antianyag közötti aszimmetriát

Csak egy példát mondok el részletesen.

Képzelj el egy forró, sűrű, fiatal univerzumot. A Standard Modellben szereplő sugárzáson és anyag- és antianyag részecskék mellett van még egy részecske (és antirészecske), a Q (és anti-Q). A Q nagyon nehéz, sokkal nehezebb, mint egy proton, pozitív töltése +1 (mint egy proton), és bőségesen jelenik meg a fiatal Univerzumban, a feleivel, az anti-Q-val együtt, amelyek azonos tömegűek és ellentétes töltésűek.

Mivel instabilok, létrejöttük megszűnik, ahogy az Univerzum lehűl. Legtöbbjük egymásra talál és megsemmisül, a maradék pedig szétesik.

A Q minden bomlása esetén az anti-Q megfelelő bomlásának kell bekövetkeznie. Ha a Q protonná és neutrínóvá bomlik, az anti-Q-nak antiprotonná és antineutrínóvá kell bomlani. Ha Q antineutronná és pozitronná bomlik, az anti-Q-nak neutronná és elektronná kell bomlani.

Ezek nem valós részecskék, példaként mutatjuk be. De a különböző elméletekben vannak olyan részecskék, mint például az X- és Y-bozonok a GUT-ban és a leptokvarkok a Standard Modell egyes kiterjesztésében, amelyek nagyon hasonló szabályok szerint működnek.

A CP szimmetria megsértésének hiányában ugyanúgy bomlanak, mint az ellentétük.

Bár mindez unalmas, ez a folyamat nem hoz létre felesleges tömeget. De ha megengedjük a CP szimmetria megsértését, akkor a részecskék és az antirészecskék közötti különbség a bomlások számában lehet. A Q hány százaléka bomlott protonokká és neutrínókká, míg az anti-Q hány százaléka bomlott antiprotonokká és antineutrínókká. A következő képhez hasonlót kaphatunk, ami hasonló ahhoz, amit a Kaons és B-mezonos rendszerekben látunk. Figyelje meg a különbséget a Q és az anti-Q csillapítás között.

Tegyük fel, hogy Univerzumunk egyenlő arányban tele van anyaggal és antianyaggal, valamint sugárzással, amit figyelmen kívül hagyunk. Tételezzük fel azt is, hogy van egy csomó Q és anti-Q egyenlő számban, amelyek a fent leírt CP szimmetria-sértéseknek megfelelően lecsengenek.

Mi maradt?

Protonok, neutrínók, antineutrínók, pozitronok, antiprotonok, antineutrínók, neutronok és elektronok tengere. Ez igaz. De több proton és neutrínó lesz, mint antiproton és antineutrínó, és kevesebb lesz az antineutron és a pozitron, mint a neutron és az elektron. Ha figyelmen kívül hagyjuk a leptonokat (neutrínókat, elektronokat és antirészecskéiket), akkor a bomló Q és anti-Q részecskék tengere marad.

És miután az anyag és az antianyag összes párja találkozik, az antianyaghoz képest anyagtöbblet lesz.

Ennek a fejlődésnek egy bizonyos változata egyértelműen megtörtént, és oda vezetett, hogy különböző mennyiségű anyagunk és antianyagunk van, és hogy az anyag sűrűsége (de nem az antianyag) mindenütt azonos. Annak ellenére, hogy ez a fizika egyik legnagyobb megoldatlan problémája, sokat tudunk róla, és érdemes újramesélni.

MOSZKVA, február 25. – RIA Novosztyi. Az antianyag szinte teljes hiányának az Univerzumban és a közönséges látható anyag túlsúlyának lehetséges oka a Higgs-mező mozgása lehet – egy különleges szerkezet, ahol a Higgs-bozonok „élnek” – állítják a fizikusok a folyóiratban publikálásra elfogadott cikkben. Fizikai áttekintő levelek.

Úgy tartják, hogy az Ősrobbanás utáni első pillanatokban egyenlő mennyiségű anyag és antianyag volt. Ma a világ tele van anyaggal, és ez a tény fizikai rejtély, mivel az anyag és az antianyag részecskéinek el kellett volna pusztítaniuk egymást abban a pillanatban, amikor megjelentek a jövő Univerzum kvark „levesében”. Ezért felmerül a kérdés: hol „eltűnt el” az antianyag, és miért létezik az Univerzum?

Alekszandr Kusenko orosz-amerikai fizikus, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetemről (USA) és munkatársai úgy vélik, hogy megtalálták a választ erre az egyetemes rejtélyre azokban az adatokban, amelyeket a Nagy Hadronütköztető gyűjtött össze annak első szakaszában. munkája, amikor felfedezték a Higgs-bozont, a híres "istenrészecskét".

A Higgs-elmélet szerint az Univerzumot egy speciális mező hatja át, amellyel az összes létező elemi részecske kölcsönhatásba lép: minél erősebben tapadnak a mezőhöz, annál nagyobb lesz a tömegük. Ha ez a mező létezik, akkor Higgs-bozonoknak is létezniük kell - speciális részecskéknek, amelyek felelősek a protonokkal, elektronokkal és a látható és sötét anyag egyéb megnyilvánulásaival való kölcsönhatásért. A többi bozonhoz hasonlóan, a foton kivételével, az „isten részecske” nagyon gyorsan lebomlik - átlagosan 0,1 zeptoszekundumot (a nanoszekundum trilliod része) él.

Kusenko csoportja ezeknek a bomlásoknak a nyomait tanulmányozva észrevette, hogy a Higgs-mező az „istenrészecske” különleges tulajdonságainak köszönhetően átmenetileg viszonylag instabil energiaállapotba kerülhet az Univerzum első tágulásakor, közvetlenül az Ősrobbanást követően. Kusenko és munkatársai azt sugallták, hogy az Univerzum életében ebben az időszakban a mező „eltolódásai” inhomogenitások megjelenését okozhatják az anyag és az antianyag frakcióiban.

A cikk szerzői ettől az ötlettől vezérelve rengeteg számítást végeztek, és megépítették a jövő Univerzumának számítógépes modelljét, amely figyelembe vette a Higgs-mező instabilitását. Számításaik szerint az Univerzum születése során nincs fizikai akadálya annak, hogy egy ilyen forgatókönyv megvalósuljon.

A Higgs-mező energiájának kellően lassú csökkenésével sajátos módon „rezegni” kezd, és az első, legerősebb ilyen rezgés iránya határozza meg, hogy milyen típusú anyag fogja benépesíteni az Univerzumot. Ez azért lesz így, mert ebben a pillanatban a részecskék és antirészecskék tömege átmenetileg eltérő lesz, ezért ezek egyik típusának kialakulása erősen lelassul.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete