Når vi ser på Universet, alle dens planeter og stjerner, galakser og klynger, gas -, støv -, plasma -, ser vi overalt den samme signatur. Vi kan se en linje af atomic absorption og emission, ser vi, at sagen i et samspil med andre former for stof, vi kan se stjernedannelse og død af stjerner, kollisioner, x-stråler, og meget mere. Der er et indlysende spørgsmål, der kræver en forklaring: hvorfor er vi vidne til alt dette? Hvis fysikkens love dikterer, symmetri mellem stof og antistof, universet vi observerer ikke bør eksistere.
Men vi er her, og ingen ved hvorfor.
Hvorfor i Universet er der ingen antistof?
Overvej de to modstridende ved første øjekast, de faktiske omstændigheder:
- Hver interaktion mellem partikler, som vi nogensinde har observeret på nogen energi, aldrig skabt, og ikke ødelægge en partikel af stof, uden at skabe, eller ødelægge et tilsvarende antal af partikler af animalerie. Fysiske symmetri mellem stof og antistof er meget strenge, fordi:
- hver gang vi skaber en kvark eller en leptonen, opretter vi også antiquark og antilepton;
- hver gang en kvark eller leptonen er ødelagt, antiquark eller antilepton også ødelagt;
- skabes eller destrueres leptons og antileptons skal være i balance for hele familien Leonov, og hver gang kvarker og leptons interagere sammen, eller bryde ud, og det samlede antal af kvarker og leptons i slutningen af reaktion (minus antiquark kvarker, leptons minus antileptons) bør være den samme, som den var i begyndelsen.
Den eneste måde at ændre den mængde af stof i Universet, også indebærer en ændring i mængden af antistof i samme mængde.
Og dog, der er en anden kendsgerning.
- Når vi ser på Universet, alle de stjerner, galakser, gas skyer, klynger, superclusters og struktur på stor skala, synes det som alt er lavet af stof og ikke antistof. Overalt, hvor antistof og stof mødes i Universet, er en fantastisk frigivelse af energi på grund af partikel udslettelse.
Men vi kan ikke se nogen tegn på ødelæggelse af stof og antistof i stor skala. Vi ser ingen tegn på, at nogle af de stjerner, galakser eller planeter, som vi ser, er lavet af antistof. Vi kan ikke se den karakteristiske gamma-stråler, som man ville forvente at se, om antistof konfronteret med spørgsmål og tilintetgøre. I stedet, overalt ser vi kun noget, overalt du se.
Og det synes umuligt. På den ene side, er der ingen kendt metode til at gøre mere stof end antistof, hvis vi vender os til partikler og deres samspil i Universet. På den anden side, alt det vi ser, er absolut består af stof og ikke antistof.
I virkeligheden, vi har observeret udslettelse af stof og antistof i nogle ekstreme astrofysiske betingelser, men kun i nærheden af giperarifmeticheskie kilder, der producerer stof og antistof i lige store mængder — sorte huller, for eksempel. Når antistof kolliderer med noget i Universet, der producerer gamma stråler af meget specifikke frekvenser, som derefter kan blive opdaget. Interstellare intergalaktiske miljø er fuld af materiale, og det totale fravær af disse gamma-stråler er et stærkt signal, som ingen længere har et stort antal af antistof-partikler, fordi så underskrift af stof-antistof ville have været opdaget.
Hvis du efterlade en plet af antistof i vores galakse, det vil vare omkring 300 år før det blev ødelagt af en partikel af stof. Denne begrænsning fortæller os, at der i mælkevejen mængden af mørk energi ikke overstige en værdi på 1 for partikler i en billiarder (1015), i forhold til den samlede mængde af stof.
For stor-skala — omfanget af satellit-galakser, store galakser størrelsen af mælkevejen og selv klynger af galakser — begrænsninger, der er mindre stringente, men stadig meget stærk. Ser afstand af flere millioner lysår til tre milliarder lysår, vi har observeret mangel af x-stråler og gamma-stråler, hvilket kan indikere, udslettelse af stof og antistof. Selv i store kosmologiske skalaer af 99,999% af, hvad der findes i vores Univers, ville være repræsenteret af sagen (som os), og ikke antistof.
Hvordan kom vi i en sådan situation, at universet består af en lang række spørgsmål, og stort set ingen antistof, hvis de love, der af natur er perfekt symmetrisk mellem stof og antistof? Godt, du har to muligheder: enten at universet blev født med en stor mængde af stof end antistof, eller noget, der er sket tidligt, da universet var meget varme og tætte, og skabte den asymmetri af stof og antistof, der i første omgang var det ikke.
Den første idé, til at teste videnskabeligt uden at genskabe hele Universet, der ikke vil arbejde, men det andet er meget overbevisende. Hvis vores univers er på en eller anden måde skabt den asymmetri af stof og antistof, hvor det oprindeligt var det ikke, så er de regler, der arbejdede derefter forbliver uændret i dag. Hvis vi er smarte, vil vi være i stand til at udvikle eksperimentelle tests, der afslører oprindelsen af sagen i vores Univers.
I slutningen af 1960-erne fysiker og nobelprismodtager Andrej Sakharov, der er skitseret tre betingelser, der er nødvendige for baryogenesis eller skabe mere baryons (protoner og neutroner) end antibaryons. Her er de:
- Universet skal være ikke-ligevægt system.
- Det bør være C – og CP-krænkelse.
- Der skal være en vekselvirkning, der overtræder baryon-nummer.
Den første til at observere, blot fordi den udvider sig og køling univers med ustabile partikler (og antipartikler) er, per definition, vil være ude af balance. Anden er også simpelt, da C-symmetri (udskiftning af partikler af antipartikler) og CP-symmetri (udskiftning af spejlet partikler antipartikler) krænkes i mange af de svage vekselvirkninger, der involverer mærkelig, charmeret og smuk kvarker.
Det er stadig et spørgsmål om at krænke baryon-nummer. Eksperimentelt, vi har observeret, at balancen i antiquarks at kvarker og leptons at antileptons stadig klart. Men i Standard-modellen for partikel fysik er der ingen eksplicitte bevarelse lovgivning for enhver af disse mængder individuelt.
Du har brug for tre kvarker til at lave en baryon, så for hver tre quark, tildeler vi baryon-nummer (B) 1. Ligeledes vil hver modtage leptonen leptonen nummer (L) 1. Antiquark, antibaryon og antilepton vil have negative tal B og L.
Men i henhold til reglerne i Standard modellen kun er gemt forskellen mellem baryons og leptons. Under de rette omstændigheder, kan du ikke kun skabe yderligere protoner, men også elektroner til dem. De præcise omstændigheder er ukendt, men the Big Bang har givet dem mulighed for at blive realiseret.
De tidligste faser af Universets er beskrevet meget høj energi: høj nok til at skabe alle kendte partikler og antiparticle i et stort antal på den berømte Einsteins formel E = mc2. Hvis skabelse og tilintetgørelse af partikler, der fungerer på den måde, vi tror, at det tidlige univers må være fyldt med en lige mængde af partikler af stof og antistof, der gensidigt blive hinanden på grund af den energi, der var ekstremt høj.
Med den udvidelse og afkøling af Universet ustabile partikler, når den er oprettet, i overflod, vil blive ødelagt. Under de rette betingelser — især de tre Sakharov forhold — dette kan føre til et overskud af stof over antistof, selv om det i første omgang var det ikke. Udfordringen for fysikere er at skabe en levedygtig scenarie, der svarer til observationer og eksperimenter, som kan give dig et tilstrækkeligt overskud af stof over antistof.
Der er tre muligheder for forekomst af overskud af stof over antistof:
- Nye fysik på electroweak omfang kan øge antallet af C – og CP-brud i Universet, som vil føre til ubalance mellem stof og antistof. Interaktioner af Standard modellen (gennem processen af sphaleron), som overtræder B og L individuelt (men hold B — L) kan angive mængder af baryons og leptons.
- Nye neutrino physics ved høje energier, hvilket antyder, at universet kunne skabes en grundlæggende asymmetri af leptons: leptogenys. Sphaleron at bevare B — L, og derefter kunne bruge det leptonen asymmetri at skabe en baryon asymmetri.
- Eller borigines omfanget af Grand forening, hvis den ny fysik (og nye partikler) findes i omfanget af Grand unification, når electroweak force, smelter sammen med den stærke.
Disse scenarier har fælles elementer, så lad os se på det sidste, bare for eksempel, at forstå, hvad der kunne ske.
Hvis Grand unified theory er korrekte, skal være nye, superheavy partikler, kaldet X og Y, der har som brianpdoyle og leptonetidae egenskaber. Der skal også være partnere af antistof: anti-X og anti-Y, med det modsatte tal B — L og modsatte ladninger, men den samme masse og levetid. Disse par af partikel-antiparticle kan laves i store mængder ved forholdsvis høje energier, for efterfølgende at gå i opløsning.
Så, vi fylder Universet med dem, og så kan de gå i opløsning. Hvis vi har C – og CP-brud kan være mindre forskelle i, hvordan henfald af partikler og antipartikler (X, Y og anti-X, anti-Y).
Hvis X-partikler der er to måder: den henfalder til to top-kvarker og to anti-bottom quark og en positron, så anti-X skal passere to måder: to anti-top-kvark eller bunden quark og elektronen. Der er en vigtig forskel, der er tilladt for overtrædelse af C og CP: X kan være mere tilbøjelige til at henfalde i to top kvarker end anti-X — to anti-top-kvark, hvorimod den anti-X er mere tilbøjelige til at henfalde i bunden quark, og de elektroner, end X — anti-top-kvark og en positron.
Hvis du har et tilstrækkeligt antal af par og forfald, så du nemt kan få et overskud af baryons over antibaryons (og leptons over antileptons), hvor det ikke eksisterer.
Dette er blot ét eksempel, der illustrerer vores opfattelse af, hvad der skete. Vi startede med en helt symmetrisk Univers, at adlyde alle kendte fysiske love, og med en varm, tæt, rig stat, fyldt med stof og antistof i lige store mængder. Ved hjælp af den ordning, vi har endnu ikke afgøre, forudsat at de tre betingelser i Sakharov, disse naturlige processer, der i sidste ende skabes et overskud af stof over antistof.
Det faktum, at vi eksisterer, er lavet af stof, er ubestrideligt; spørgsmålet er, hvorfor vores univers indeholder noget (spørgsmål) og ingenting (på grund af stof og antistof var lige så). Måske i dette århundrede finder vi svaret på dette spørgsmål.
Hvorfor tror du, at Universet er næsten ingen antistof? Fortæl os i vores chat i Telegrammet.