Вселенная существует, потому что черные дыры съели антиматерию: как теория Эйнштейна-Картана объясняет Большой взрыв

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, Большой взрыв должен был произвести материю и антиматерию в строго равных пропорциях. Законы сохранения требуют, чтобы на каждый возникший электрон приходился один позитрон, а на каждый кварк — один антикварк. Однако встреча частицы с ее античастицей всегда приводит к аннигиляции: они уничтожают друг друга, высвобождая энергию в виде гамма-излучения.

Если бы Вселенная развивалась в строгом соответствии с базовой симметрией, вся начальная масса исчезла бы в первые доли секунды. Космос представлял бы собой однородное пространство, заполненное исключительно излучением. Тот факт, что существуют галактики, звезды, планеты и наблюдатели, означает одно: на самых ранних этапах формирования Вселенной этот идеальный баланс был нарушен. На каждые десять миллиардов частиц антиматерии возникло десять миллиардов и одна частица обычного вещества. После глобальной аннигиляции эта ничтожная разница выжила и сформировала весь материальный мир.

Физики долго ищут причину этого явления, известного как барионная асимметрия Вселенной. Большинство современных гипотез предполагает введение новых, пока не открытых частиц или дополнительных полей, выходящих за рамки Стандартной модели. Однако физик-теоретик Никодем Поплавски в своей работе пытается доказать, что ответ на вопрос об исчезновении антиматерии заложен не в новых элементах квантовой механики, а в более точной математической модели гравитации и геометрии самого пространства-времени.

Ограничения Общей теории относительности и тензор кручения

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает гравитацию не как силовое взаимодействие, а как следствие искривления пространства-времени под воздействием массы и энергии. Эта модель многократно подтверждена наблюдениями и абсолютно точно описывает макроскопический космос — от орбит планет до слияния черных дыр.

Но у уравнений Эйнштейна есть предел применимости. Они разрабатывались до того, как квантовая механика окончательно сформировалась, и потому не учитывают одно из базовых свойств элементарных частиц — спин.

Спин — это собственный момент импульса частицы, ее неотъемлемая квантовая характеристика. В 1920-х годах французский математик Эли Картан предложил расширение теории Эйнштейна. Он математически обосновал, что если масса и энергия искривляют пространство-время, то наличие спина у фермионов (частиц, составляющих вещество) должно приводить к его скручиванию. В геометрии пространства появляется новый параметр — тензор кручения.

В современных условиях плотность материи во Вселенной слишком мала, чтобы спины частиц могли создать измеримое геометрическое кручение. Теория Эйнштейна-Картана дает те же проверяемые результаты, что и стандартная теория относительности. Однако в первые мгновения после Большого взрыва ситуация была принципиально другой. Вещество находилось в состоянии так называемой плотности Картана (около 10⁴⁵ килограммов на кубический метр). При таких экстремальных показателях кручение пространства-времени, порожденное совокупным спином частиц, стало доминирующим физическим фактором.

Нелинейная физика Дирака и нарушение симметрии

Поведение фермионов, включая электроны и кварки, описывается уравнением Дирака. Именно это уравнение в свое время позволило теоретически предсказать существование антиматерии. В классическом виде, без учета торсионного поля (кручения пространства), уравнение Дирака является линейным. Оно постулирует строгую симметрию: частицы и античастицы обладают абсолютно одинаковой массой и подчиняются одним и тем же кинематическим законам.

Никодем Поплавски рассчитал, что произойдет с уравнением Дирака, если поместить его в рамки теории Эйнштейна-Картана — то есть в среду, где пространство-время экстремально скручено. Математическая структура взаимодействия кардинально изменилась.

Из-за того, что тензор кручения пропорционален спину самих частиц, уравнение перестало быть линейным и стало кубическим. Физический смысл этой трансформации заключается в том, что энергия частицы начинает зависеть от ее собственного состояния. Анализ собственных значений энергии для обновленной системы показал, что в присутствии геометрического кручения нарушается зарядовое сопряжение (С-симметрия) и зарядово-пространственная четность (CP-симметрия).

Энергия частицы в скрученном пространстве-времени стала зависеть от направления ее спина и от того, является ли она материей или антиматерией. Переводя математические результаты в физические термины: в условиях экстремальной плотности ранней Вселенной эффективная масса антифермионов превышала массу соответствующих им фермионов. Антиматерия стала тяжелее обычной материи. Причем эта разница возрастала пропорционально увеличению плотности среды.

Кинематика гравитационного захвата

Появление разницы в массах между материей и антиматерией запустило строгий кинематический механизм сепарации.

В первые доли секунды существования Вселенной непрерывно происходили процессы рождения и аннигиляции пар «частица-античастица». Поскольку частицы антиматерии обладали большей эффективной массой, их кинетическая энергия распределялась иначе. При равном энергетическом импульсе более тяжелая частица движется с меньшей скоростью. Следовательно, новорожденная антиматерия двигалась медленнее, чем обычная материя.

Параллельно с этим процессом сверхплотная среда ранней Вселенной генерировала множество первичных черных дыр — локальных областей гравитационного коллапса. Взаимодействие движущихся частиц с горизонтом событий черной дыры подчиняется строгим законам небесной механики. Вероятность того, что пролетающий мимо объект будет захвачен гравитацией черной дыры (сечение гравитационного захвата), находится в обратной зависимости от скорости этого объекта.

Быстрая частица обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационный потенциал черной дыры, изменить траекторию и продолжить движение в открытом пространстве. Медленная частица проводит больше времени в зоне критического гравитационного воздействия, ее кинетической энергии недостаточно для избегания захвата, и она пересекает горизонт событий.

Именно это произошло в масштабах всей Вселенной. Первичные черные дыры поглощали медленную, тяжелую антиматерию с гораздо большей интенсивностью, чем легкую и быструю обычную материю. Черные дыры выступили в роли глобального однонаправленного фильтра.

Важно отметить, что предложенный механизм полностью удовлетворяет трем условиям Сахарова, необходимым для объяснения бариогенеза:

1. Нарушение барионного числа происходит фактически — антиматерия необратимо уходит за горизонты событий.
2. C- и CP-симметрия нарушаются из-за разницы эффективных масс в торсионном поле.
3. Отсутствие теплового равновесия обеспечивается однонаправленным движением частиц внутрь черных дыр.

При этом закон сохранения барионного числа не нарушается на фундаментальном уровне. Антиматерия не уничтожается бесследно в нарушение правил Стандартной модели, она просто изымается из наблюдаемой Вселенной и навсегда изолируется внутри сингулярностей.

Отмена сингулярности и формирование новых миров

Расширение физической картины мира с помощью теории Эйнштейна-Картана решает не только проблему исчезновения антиматерии. Внедрение тензора кручения устраняет главный парадокс черных дыр — математическую сингулярность.

В рамках Общей теории относительности гравитационный коллапс звезды приводит к сжатию материи в точку с нулевым объемом и бесконечной плотностью. В этой точке законы физики перестают работать. Однако Поплавски показывает, что на сверхвысоких плотностях геометрическое кручение пространства, порождаемое спинами фермионов, начинает функционировать как мощнейшая сила гравитационного отталкивания.

Это отталкивание имеет отрицательный вклад в общую плотность энергии. По мере сжатия материи внутри черной дыры сила торсионного отталкивания растет. В определенный момент она компенсирует гравитационное притяжение. Коллапс останавливается до того, как материя сожмется в математическую точку. Происходит не формирование сингулярности, а так называемый «несингулярный отскок».

Материя, достигнув предела сжатия, начинает расширяться. Но это расширение происходит не обратно в нашу Вселенную (что запрещено горизонтом событий), а формирует новое, изолированное пространство-время. Каждая черная дыра, таким образом, может инициировать локальный Большой взрыв и породить новую замкнутую вселенную.

Если эта физическая модель верна, она приводит к странному, но строго обоснованному выводу. Поскольку первичные черные дыры нашей Вселенной интенсивнее поглощали антиматерию, дочерние вселенные, образованные внутри них, должны иметь обратную асимметрию — они состоят преимущественно из антивещества. Следовательно, наблюдаемая нами реальность, состоящая из обычной материи, является прямым результатом процессов отбора на самых ранних этапах гравитационного формирования пространства. И, возможно, наша собственная Вселенная также зародилась в результате коллапса внутри гигантской черной дыры в другом, более древнем родительском пространстве.

Источник:arXiv