Существование антиматерии было предсказано уравнением физика Поля Дирака, описывающим движение электронов в 1928 году. Сначала было неясно, является ли это просто математической причудой или описанием реальной частицы. Но в 1932 году Карл Андерсон, изучая космические лучи, падающие на Землю из космоса, открыл антивещественного партнёра электрона — позитрон. В течение следующих нескольких десятилетий физики обнаружили, что у всех частиц материи есть партнёры-двойники из антиматерии.

Считается, что частицы антиматерии и материи представляют собой зеркальные копии друг друга. Антивещество можно рассматривать как вещество с обратным зарядом, чётностью и временем (по крайней мере, теоретически). Антиматерия возникает в таких природных процессах, как столкновения космических лучей и некоторые виды радиоактивного распада, и очень малую часть из таких античастиц удалось успешно соединить в экспериментах в антиатомы. Макроскопического количества антивещества учёные ещё никогда не получали (привет Дэну Брауну).

Всякий раз, когда две частицы оказываются вблизи друг друга, существует возможность того, что они будут взаимодействовать. Вероятность взаимодействия определяется путём измерения так называемого эффективного сечения — площади, в которую должна попасть одна частица, чтобы «задеть» другую. Мы знаем, что такие частицы, как протоны и нейтроны, имеют определённый размер: чуть меньше фемтометра (10^-15 м) в радиусе, в то время как электроны считаются точечными, и их радиус определённо должен быть меньше десятой части аттометра (10^-19 м): эта цифра нам известна благодаря экспериментам по глубокому неупругому рассеянию.

Но микромир сильно отличается от макромира. Наивно было бы представлять себе частицы в виде бильярдных шаров, которые сталкиваются друг с другом и отскакивают в разные стороны. Если у бильярдных шаров эффективное сечение измеряется просто через радиус и составляет πr², то с частицами всё гораздо сложнее.

Возьмём, к примеру, протон и его аналог из антиматерии — антипротон. Если Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе сталкивает протоны с протонами, то взаимодействием протонов и антипротонов занимается второй по мощности в мире ускоритель частиц и коллайдер, который был запущен незадолго до БАК: Теватрон в Фермилабе. Когда вы запускаете протон и антипротон друг на друга с различными скоростями/энергиями, результаты измерений могут вас удивить. Сечение, которое вы обнаружите экспериментально, не очень хорошо описывается единственным значением, чего можно было бы ожидать, если бы протоны и антипротоны вели себя как бильярдные шары.


Вместо этого вы обнаружите, что это сечение зависит от энергии, причём контринтуитивным образом. При высоких энергиях, например, при ~200 ГэВ и выше (энергии, превышающие энергию массы покоя всех частиц Стандартной модели), сечение взаимодействия протона-антипротона идентично сечению протона-протона, как будто не имеет значения, является ли один из них материей, а другой — антиматерией.

Но при более низких энергиях сечение столкновений или взаимодействий протона с антипротоном оказывается гораздо больше, чем для протонов с другими протонами, поскольку у волновых функций протона и антипротона будет больше времени, за которое они могут наложиться друг на друга и обеспечить возможность того, что хотя бы один из кварков материи внутри протона сможет взаимодействовать хотя бы с одним из антикварков внутри антипротона. По историческим причинам физики частиц измеряют площади поперечного сечения в величинах, известных как барны [буквально — амбары, barn]. Всё потому, что эффективное сечение в 1 барн = 10^−24 см^2 для большинства ядерных процессов кажется большим, как амбар.

При таких низких энергиях и малых моментах взаимодействия протонов с антипротонами встречаются гораздо чаще, чем протонов с протонами, что вполне логично. Протоны имеют положительный заряд, поэтому два протона будут электрически отталкиваться друг от друга. Антипротон имеет отрицательный заряд, поэтому пара протон-антипротон будет притягиваться друг к другу. А поскольку антипротон имеет тот же заряд, что и электрон, можно подумать, что между протонами и антипротонами тоже можно образовать связанное состояние, подобно тому как протон и электрон образуют атом.

И так действительно бывает. Протон и антипротон могут образовывать экзотический атом, протоний. Правда, ненадолго — по прошествии 10^-11 — 10^-6 с протон и антипротон аннигилируют. Их волновые функции накладываются, и протоний распадается либо на два фотона, либо на струи (адронов, чаще всего пионов) частиц, содержащих кварк-антикварк. В общем случае, когда материя и антиматерия сталкиваются и взаимодействуют, они аннигилируют, производя чистую энергию и любые частицы, разрешённые квантовыми законами, а также самым известным уравнением Эйнштейна — E = mc^2.

Согласно современным представлениям, на промежутке времени от 10^-35 до 10^-32 секунд с момента Большого Взрыва, происходил бариогенезис — процесс, во время которого кварки и глюоны объединялись в адроны (в том числе в барионы). Поскольку в космологии предполагается, что видимые нами частицы были созданы с помощью той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно ожидается, что общее барионное число должно быть равно нулю — иначе говоря, как материя и антиматерия должны были появиться в равных количествах.



Проблема в том, что это привело бы к взаимной аннигиляции всей материи и антиматерии. Как мы ни искали антиматерию в телескопы, судя по всему, Вселенная в целом имеет ненулевую положительную плотность барионных чисел — то есть, материя в ней очевидно преобладает. Так что сегодня во Вселенной почти не осталось антиматерии — она появляется только в некоторых радиоактивных распадах и в небольшой доле космических лучей. Что же с ней произошло?

Для объяснения этого несоответствия предлагается ряд теоретических механизмов, а именно выявление условий, благоприятствующих нарушению симметрии и созданию нормальной материи (в отличие от антиматерии). Этот дисбаланс должен быть исключительно мал, порядка 1 на каждые 1 630 000 000 (≈2×10^9) частиц через малую долю секунды после Большого взрыва.

После того как большая часть материи и антиматерии аннигилировала, осталась вся барионная материя нынешней Вселенной, а также гораздо большее количество бозонов. Правда, эксперименты, проведённые в 2010 году в Фермилабе, показали, что этот дисбаланс гораздо больше, чем предполагалось ранее. В ходе этих экспериментов была проведена серия столкновений частиц, и выяснилось, что количество образовавшейся материи примерно на 1% больше, чем количество образовавшейся антиматерии.

Судя по всему, в очень горячем и плотном состоянии вскоре после Большого взрыва должны были происходить процессы, которые отдавали предпочтение материи перед антиматерией. Это создало небольшой избыток материи, а когда Вселенная остыла, всё антивещество было уничтожено, или аннигилировано равным количеством материи, оставив крошечный избыток материи. Именно из этого избытка и состоит всё, что мы видим во Вселенной сегодня.

Этой проблемой бариогенезиса интересовался ещё советский физик Андрей Дмитриевич Сахаров. Он написал статью «Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной», опубликованную в ежемесячнике «Письма в ЖЭТФ» в 1967 году. Сахаров предположил, что вырождение антивещества восходит к различию свойств вещества и антивещества, выраженного в нарушении зарядово-пространственной симметрии. Закрепляющими бариогенезис условиями автор обозначил нарушение теплового равновесия в ранней Вселенной и нарушение барионного числа (подробности можно почитать в этой статье).

Другое возможное объяснение кажущейся барионной асимметрии заключается в том, что материя и антиматерия, по сути, разделены по разным, сильно удалённым друг от друга областям Вселенной. Первоначально считалось, что барионную асимметрию можно объяснить тем, что некие далёкие галактики образованы из антивещества, поскольку на расстоянии атомы антивещества неотличимы от атомов вещества; и те и другие одинаково производят свет (фотоны). Однако аннигиляцию (и последующее производство гамма-излучения) на границе между областями материи и антиматерии можно было обнаружить издалека — в зависимости от расстояния и плотности материи и антиматерии. И такие границы, если они существуют, скорее всего, лежат в глубоком межгалактическом пространстве. Плотность материи в межгалактическом пространстве достаточно хорошо установлена — около одного атома на кубический метр. Если предположить, что это типичная плотность вблизи границы, можно рассчитать светимость гамма-излучения в зоне пограничного взаимодействия. Такие зоны никогда не наблюдались, и за 30 лет исследований астрономы установили минимальное расстояние до таких границ, если они вообще существуют. Сегодня считается маловероятным, что в какой-либо области наблюдаемой Вселенной доминирует антиматерия.

Как вариант, возможно, что текущее состояние Вселенной не нарушает симметрию CPT, потому что Большой взрыв можно рассматривать как двустороннее событие, как классически, так и квантово-механически, породившее сразу две Вселенных — нашу Вселенную и Антивселенную.

Тогда Антивселенная развивалась бы назад во времени от Большого взрыва, становясь при этом больше, и в ней доминировала бы антиматерия. Её пространственные свойства были бы инвертированы по сравнению с нашей Вселенной, что аналогично созданию электронно-позитронных пар в вакууме. Эта модель, разработанная физиками из Института теоретической физики Периметра в Канаде, предполагает, что температурные флуктуации в реликтовом излучении обусловлены квантово-механической природой пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва.

Ещё одно необычное объяснение связано с антропным принципом. Антропный принцип, также известный как эффект отбора наблюдений, — это гипотеза о том, что диапазон возможных наблюдений, которые можно сделать о Вселенной, ограничен тем фактом, что наблюдения возможны только в том типе Вселенной, который способен привести к развитию разумной жизни. Сторонники антропного принципа утверждают, что он объясняет, почему Вселенная имеет такой возраст и такие фундаментальные физические константы, которые необходимы для возникновения разумной жизни. Если бы они существенно отличались, никто бы не смог вести наблюдения. Антропный принцип используется для решения вопроса о том, почему некоторые измеренные физические константы принимают те значения, которые они принимают, а не какие-то другие произвольные значения, и для объяснения мнения о том, что Вселенная, по-видимому, точно настроена на существование жизни.

Одна из вариаций антропного принципа гласит, что Вселенная не обязана иметь такую смесь всех своих компонентов и структур, чтобы всех их можно было наблюдать с помощью созданных человеком приборов. Возможно, наша видимая Вселенная с преобладанием материи — лишь крошечное пятнышко в гораздо большей Вселенной, и в том масштабе, который мы можем наблюдать, просто не хватает объёма, чтобы увидеть «настоящее» сочетание компонентов и структур.

Хотя пока учёные не могут точно ответить на вопрос, почему все мы и всё, что мы видим, состоит из обычной материи, а соответствующего количества антиматерии в природе мы не наблюдаем, они непрестанно ведут наблюдения и ставят различные эксперименты, которые могут помочь нам разгадать эту загадку — без сомнения, одну из величайших загадок физики.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?