Kodėl materija apskritai egzistuoja?

Kartais pakanka pažvelgti į įprastą stalą, kad klausimas apie visatą pasirodytų nebe toks tolimas. Medis, stiklinė, telefonas, mūsų pačių kūnai – visa tai atrodo savaime suprantama, kol nepaklausiame, kodėl apskritai yra daiktų, o ne tuščia erdvė. Dar keisčiau tampa tada, kai fizikai primena: po Didžiojo sprogimo materija neturėjo jokios akivaizdžios priežasties likti būtent tokia, kokią ją matome šiandien.

Visata galėjo likti beveik tuščia

Šiuolaikinė fizika materiją apibūdina ne kaip vientisą, nedalomą substanciją, o kaip dalelių – arba, tiksliau, kvantinių laukų sužadinimų – pasaulį. Elektronas yra elektrono lauko sužadinimas, fotonas – elektromagnetinio lauko kvantas. Tai reiškia, kad „daiktai“ mūsų kasdienine prasme kyla iš gilesnės, nematomos struktūros.

Tačiau net ir priėmus tokį aprašymą lieka vienas ypač nepatogus klausimas. Ankstyvojoje visatoje materija ir antimaterija turėjo rastis beveik vienodais kiekiais. Susitikdamos jos anihiliuoja: protonas ir antiprotonas, elektronas ir pozitronas gali virsti spinduliuote. Jeigu jų būtų buvę visiškai tiek pat, po tokio proceso visatoje daugiausia liktų fotonai, o žvaigždžių, planetų ir gyvybės nebūtų.

Vis dėlto materijos pasirodė vos vos daugiau. Maždaug vienai papildomai materijos dalelei teko milijardas porų, kuriose materija ir antimaterija tarpusavyje susinaikino. Tas nedidelis skirtumas tapo visa šiandien matoma kosmine medžiaga. Kitaip tariant, galaktikos ir mes patys galime būti ne didžiulės kosminės atsargos, o ankstyvosios visatos „likutis“ po beveik tobulo susinaikinimo.

Paslaptis slypi ne tik dalelėse

Fizikai šį materijos persvarą vadina barionų asimetrija. Dar 1967 metais sovietų fizikas Andrejus Sacharovas iškėlė tris sąlygas, kurios galėtų paaiškinti, kaip tokia asimetrija atsirado. Reikėjo procesų, pažeidžiančių barionų skaičiaus tvermę, skirtumo tarp materijos ir antimaterijos elgesio bei visatos sąlygų, kurios neleistų sistemai paprasčiausiai grįžti į pusiausvyrą.

Kai kuriuos materijos ir antimaterijos elgesio skirtumus fizikai iš tiesų stebi. Jie vadinami krūtinio pariteto, arba CP, simetrijos pažeidimais. Tokie reiškiniai aptikti dalelių skilimuose, tačiau pagal dabartinį Standartinį modelį jų nepakanka, kad būtų paaiškintas visas kosmose matomas materijos perteklius.

Todėl ieškoma naujos fizikos. Viena galimybė – vadinamoji leptogenezė, kai pirmiausia susidaro nevienodas leptonų, pavyzdžiui, neutrinų, ir antileptonų kiekis, o vėliau ši asimetrija per ankstyvosios visatos procesus virsta materijos pertekliumi. Kita hipotezė siejama su kosminiu infliacijos laikotarpiu, kai visata akimirksniu išsiplėtė ir galėjo sukurti negrįžtamas sąlygas dalelių persvarai.

Kol kas nė viena teorija nėra galutinai patvirtinta. Tai svarbi detalė: mokslas jau gana tiksliai aprašo, kaip materija elgiasi, tačiau dar neturi vieno atsakymo, kodėl jos liko daugiau už antimateriją.

Tuščia erdvė nėra visiškai tuščia

Klausimą dar labiau apsunkina pati „nieko“ sąvoka. Kasdienėje kalboje tuštuma reiškia vietą, kurioje nėra jokių daiktų. Kvantinėje fizikoje vakuumas nėra absoliutus nebuvimas. Net ir žemiausios energijos būsenoje kvantiniai laukai gali svyruoti, o dalelės ir antidalelės trumpam pasirodyti kaip virtualūs procesai.

Tai nereiškia, kad iš vakuumo paprastai iššoka stabilūs daiktai. Tačiau rodo, jog erdvė nėra paprasta tuščia dėžė, kurioje vėliau kažkas atsiranda. Erdvė, laikas ir laukai sudaro pačią fizinės tikrovės sceną, o kai kuriose teorijose ši scena gali turėti skirtingas energijos būsenas.

Higso laukas čia atlieka ypatingą vaidmenį. Sąveikaudamos su juo elementariosios dalelės įgyja masę. Be šio lauko elektronai ir kvarkai elgtųsi kitaip, negalėtų susiformuoti atomai, o įprasta materija neegzistuotų tokia forma, kokią pažįstame. Vis dėlto Higso laukas nepaaiškina, kodėl apskritai yra kvantiniai laukai, kodėl jų savybės tokios, kokios yra, ar kodėl visata prasidėjo būtent tokioje būsenoje.

Tai riba, kurioje vienas atsakymas dažnai tik perkelia klausimą giliau. Iš kur atsirado dalelės? Iš laukų. O iš kur atsirado laukai ir jų dėsniai? Čia dabartinė fizika dar neturi patikimo atsakymo.

Kur baigiasi fizika ir prasideda filosofija

Mokslas gali tirti materijos atsiradimo mechanizmus, ankstyvosios visatos temperatūrą, dalelių savybes ir dėsnius, pagal kuriuos iš pirmųjų svyravimų susiformavo galaktikos. Tačiau klausimas, kodėl egzistuoja patys dėsniai, yra kitokio pobūdžio. Jis ne visada turi eksperimentu patikrinamą formą.

Kai kurie fizikai tikisi atsakymo iš kvantinės gravitacijos – teorijos, kuri sujungtų bendrąjį reliatyvumą su kvantine mechanika. Galbūt materija, erdvė ir laikas nėra pagrindiniai tikrovės elementai, o atsiranda iš dar gilesnės struktūros. Kiti svarsto multivisatos scenarijus, kuriuose skirtinguose kosmoso regionuose galioja skirtingos fizikinės sąlygos. Tokiu atveju mūsų materijos savybės galėtų būti vienos iš daugelio galimybių.

Tačiau kol nėra stebėjimų, kurie šias idėjas aiškiai atskirtų, jos lieka hipotezėmis. Patikimiausia šiandienos išvada kuklesnė: materija egzistuoja todėl, kad ankstyvojoje visatoje susidarė nedidelis, bet lemiamas skirtumas tarp materijos ir antimaterijos, o šį skirtumą palaikė kvantinių laukų ir kosminės evoliucijos procesai. Kodėl tie procesai apskritai įvyko, dar nežinome.

Galbūt būtent todėl šis klausimas išlieka toks stiprus. Jis prasideda nuo stiklinės ant stalo, bet nuveda iki visatos pradžios ir pačių fizikos dėsnių ribų. Kol ieškome atsakymo, kiekvienas egzistuojantis daiktas primena ne apie savaime suprantamą tvarką, o apie neįtikėtinai mažą persvarą, iš kurios išaugo visas matomas pasaulis.