Узлы, породившие мир: как забытая идея лорда Кельвина помогает объяснить, почему Вселенная состоит из материи
Более ста лет назад великий физик Уильям Томсон, лорд Кельвин, представлял атомы как крошечные узлы в эфире. Эта идея быстро оказалась в архиве истории науки — эфир вскоре был отвергнут, а атом оказался чем-то совершенно иным. Но, как выясняется, сама концепция узлов может вернуться — не в метафорическом, а в буквальном физическом смысле.
Недавняя работа японских физиков предложила смелую гипотезу: возможно, именно узлы в ранней Вселенной стали источником всей материи — и, в конечном счёте, нас с вами.
Когда узлы спасли Вселенную от аннигиляции
Согласно фундаментальным законам физики, Большой взрыв должен был произвести одинаковое количество материи и антиматерии. Они аннигилируют при встрече, превращаясь в чистое излучение. В этом сценарии звёзд, планет и жизни быть не должно.
И всё же — вот мы здесь.
Из миллиарда пар частица–античастица после всеобщей аннигиляции выжила лишь одна дополнительная частица материи. Именно этот ничтожный избыток и стал строительным материалом галактик и людей.
Почему возник этот дисбаланс — одна из самых глубоких загадок космологии. Стандартная модель физики элементарных частиц не в силах объяснить этот эффект: предсказания бариогенеза в её рамках расходятся с реальностью на несколько порядков.
И вот теперь, спустя десятилетия безуспешных попыток, японские учёные предлагают совершенно иной путь к разгадке — через физику узлов.
Эра узлов: новый взгляд на рождение материи
Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, выполнено группой под руководством профессора Мунето Нитты из Международного центра науки и метаузловой хиральности при Университете Хиросимы.
Учёные показали, что в ранней Вселенной могли существовать устойчивые узловые структуры — «нотоиды», возникавшие естественным образом при фазовых переходах сразу после Большого взрыва. Эти узлы — топологические солитоны, устойчивые конфигурации полей, которые нельзя разрушить без нарушения их топологического строения.
По расчётам авторов, такие узлы временно доминировали по энергии, создавая короткую, но решающую «эпоху узлов». Когда они в итоге коллапсировали через квантовое туннелирование, их распад породил поток частиц, в котором чуть больше материи, чем антиматерии.
Именно этот крошечный перевес, утверждают исследователи, и определил будущее всей Вселенной.
«Мы ищем ответ на вопрос, почему вообще что-то существует, — говорит профессор Нитта. — Если бы материя и антиматерия были равны, не было бы ни звёзд, ни планет, ни нас. Возможно, именно узлы спасли мир от небытия».
Две симметрии — один узел
Сердцем новой теории стало объединение двух ключевых симметрий — давно известных, но никогда прежде не сочетавшихся вместе.
Симметрия Печчеи–Куинна (PQ) решает загадку отсутствия электрического дипольного момента у нейтрона и предсказывает существование аксиона — гипотетической частицы, которая может составлять тёмную материю.
Симметрия барионного числа минус лептонного (B–L) объясняет, почему нейтрино обладают малой, но ненулевой массой, и связана с происхождением тяжёлых правых нейтрино — важнейших фигур в сценариях бариогенеза.
Объединив эти симметрии, японские физики получили новую физическую структуру: сверхпроводящие «магнитные трубки» BL и сверхтекучие вихри PQ, которые могут соединяться в устойчивые узлы благодаря особой связи Черна–Саймонса.
Так формируется топологически защищённая конфигурация — метаузел, устойчивый к разрушению.
«Мы впервые исследовали взаимодействие этих симметрий, — поясняет Минору Это из Университета Ямагаты. — Оказалось, что вместе они дают удивительно устойчивую структуру, которая ведёт себя как живое существо: она может рождаться, существовать и умирать, оставляя потомство в виде частиц материи».
Когда узлы умирают — рождается мир
По мере расширения Вселенной энергия обычного излучения рассеивалась быстрее, чем энергия узлов. В результате они временно стали доминирующей формой энергии, словно гигантские клубки в ткани космоса.
Но их стабильность была лишь иллюзией. Через квантовое туннелирование узлы распутались — вспыхнув каскадом элементарных частиц. Среди них особую роль играли тяжёлые правые нейтрино, которые распадались с небольшой, но решающей асимметрией в пользу материи.
Эти нейтрино, по словам исследователей, стали своеобразными «родителями» всех частиц, из которых состоит наблюдаемая Вселенная.
«Если смотреть метафорически, — говорит Ю Хамада из Немецкого электронного синхротрона, — то узлы — это наши прабабушки и прадедушки. Их распад дал жизнь материи, из которой потом возникли звёзды и люди».
Гравитационные волны как след древних узлов
Модель не только красива теоретически — она даёт чёткий экспериментальный прогноз. Коллапс узлов должен был исказить спектр первичных гравитационных волн, усилив его на определённых частотах.
Именно эти частоты будут доступны для будущих обсерваторий — европейской LISA, американской Cosmic Explorer и японской DECIGO. Если они зафиксируют ожидаемое искажение, это станет прямым доказательством того, что Вселенная действительно пережила эпоху узлов.
Возрождение идей XIX века
Любопытно, что концепция узлов возвращает нас к идее, которую когда-то выдвинул лорд Кельвин. В XIX веке он представлял атомы как вихревые узлы в эфире. Эфир давно канул в небытие, но сама топология узлов, как выясняется, может оказаться ключом к пониманию самой материи.
«Мы буквально возвращаемся к идее Кельвина, но в контексте современной физики частиц, — говорит Нитта. — Теперь узлы не просто метафора, а реальный механизм, способный объяснить происхождение мира».
Что дальше
Следующий шаг — создание численных симуляций и уточнение параметров модели: массы нейтрино, характеристик узлов и предсказаний для гравитационных волн.
Если будущие наблюдения подтвердят эти прогнозы, физика получит новое окно в эпоху, когда Вселенная была ещё младенцем, и, возможно, — ответ на один из самых древних философских вопросов: почему существует не ничто, а нечто.
Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, какие тайны Вселенной все больше будоражат умы учёных
