A Brief History of Time, Universe
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#38 บทที่ 5 อนุภาคมูลฐานและแรงแห่งธรรมชาติ : สมมาตร CPT
แม้ว่าการสังเกตการสลายตัวของโปรตอนที่เกิดขึ้นเองทำได้ยาก แต่ก็อาจเป็นไปได้ว่าการมีอยู่ของมนุษย์เราเป็นผลมาจากกระบวนการย้อนกลับของการผลิตโปรตอน หรือพูดง่ายๆ ก็คือ ของควาร์ก จักรวาลเริ่มต้นด้วยการมีจำนวนควาร์กและแอนติคาวร์กเท่ากัน สสารบนโลกประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่ซึ่งประกอบขึ้นจากควาร์ก ไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอนที่สร้างขึ้นจากแอนติควาร์ก ยกเว้นบางตัวที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้นมาในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่
เรามีหลักฐานจากรังสีคอสมิกว่าไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอนในกาแล็กซี่ของเรา ยกเว้นคู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจำนวนเล็กน้อยที่ถูกสร้างขึ้นในการชนกันที่พลังงานสูงในเครื่องเร่งอนุภาค หากจักรวาลของเรามีปฏิสสารจำนวนมาก เราจะพบการแผ่รังสีในปริมาณมากที่มีผลมาจากการชนกันของสสารกับปฏิสสาร ทำลายล้างซึ่งกันและกันและปล่อยพลังงานออกมา
เราไม่มีหลักฐานโดยตรงว่าสสารในกาแล็กซี่อื่นประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนหรือแอนติโปรตอนและแอนตินิวตรอนหรือไม่ แต่จะต้องเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ไม่สามารถมีองค์ประกอบผสมในกาแล็กซี่เดียวกันได้ การศึกษาทำได้โดยสังเกตการแผ่รังสีจำนวนมากจากการทำลายล้างของสสารกับปฏิสสาร ดังนั้นเราจึงเชื่อว่ากาแล็กซี่ทั้งหมดประกอบด้วยควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก ดูเหมือนไม่น่าเป็นไปได้ที่กาแล็กซี่บางแห่งจะมีทั้งมีสสารและปฏิสสารอยู่ด้วยกัน
ทำไมจึงควรมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์กเป็นจำนวนมาก? ทำไมควาร์กและแอนติควาร์กมีจำนวนไม่เท่ากัน? นับว่าโชคดีสำหรับเราที่ตัวเลขไม่เท่ากัน เพราะหากพวกมันเท่ากัน ควาร์กและแอนติควาร์กเกือบทั้งหมดจะทำลายล้างกันและกันในจักรวาลยุคแรกและปล่อยให้จักรวาลเต็มไปด้วยรังสี แทบจะไม่มีสสารอะไรเลย จากนั้นจะไม่มีกาแล็กซี ดาวฤกษ์ หรือดาวเคราะห์ใดๆ ที่ชีวิตมนุษย์สามารถพัฒนาได้
โชคดีที่ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand unified theories; GUTs) อาจให้คำอธิบายว่าเหตุใดจักรวาลจึงควรมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก แม้ว่าจักรวาลจะเริ่มด้วยจำนวนที่เท่ากันของควาร์กและแอนติควาร์ก ดังที่เราได้เห็นแล้ว GUTs ยอมให้ควาร์กเปลี่ยนเป็นแอนติอิเล็กตรอน (positron) ที่พลังงานสูง GUTs ยังอนุญาตให้มีกระบวนการย้อนกลับ แอนติควาร์กเปลี่ยนเป็นอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนเปลี่ยนเป็นแอนติควาร์กและควาร์ก มีช่วงเวลาหนึ่งในจักรวาลยุคแรกๆ ที่มันร้อนมากจนมีพลังงานสูงเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงนำไปสู่ควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก? เหตุผลก็คือกฎของฟิสิกส์ใช้ไม่ได้กับอนุภาคและปฏิอนุภาคในลักษณะเดียวกัน ส่งผลให้เกิดความไม่สมดุลที่เราเห็นในปัจจุบัน
ผู้เขียน : สตีเฟน ฮอว์คิง กล่าวถึงความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารในจักรวาลยุคแรก ก่อนที่จะกล่าวถึงการละเมิดสมมาตร CP (CP-violation) ในเนื้อหาถัดไป ซึ่ง CP-violation สามารถอธิบายความไม่สมดุลนี้ได้
Giorgio Moroder – Right Here, Right Now ft. Kylie Minogue
จนถึงปี 1956 เชื่อกันว่ากฎของฟิสิกส์ปฏิบัติตามสมมาตรที่แยกจากกันสามแบบที่เรียกว่า สมมาตร C, P และ T
สมมาตร C หมายความว่ากฎสำหรับอนุภาคและปฏิอนุภาคนั้นเหมือนกัน
สมมาตร P หมายความว่ากฎจะเหมือนกันในสถานการณ์ที่เป็นภาพสะท้อนในกระจก (ภาพสะท้อนในกระจกของอนุภาคที่หมุนไปในทิศทางขวา จะเป็นอีกภาพหนึ่งที่หมุนไปในทิศทางซ้าย)
สมมาตร T หมายความว่าหากคุณเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคทั้งหมด ระบบควรกลับไปเป็นเหมือนเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎจะเหมือนกันหากเวลาย้อนกลับ
สมมาตร (Symmetry) หมายความว่ามีบางสิ่งไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการดำเนินการบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในกรณีของสมมาตรเชิงเรขาคณิต การกำหนดค่าจะยังคงเหมือนเดิมหลังจากหมุนไป 180o
จักรวาลมีสมมาตรหรือไม่? เป็นคำถามที่น่าสนใจ ในทางฟิสิกส์ มีสมมาตรเกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนแปลงสามารถนำไปใช้ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนกฎของฟิสิกส์ ฟิสิกส์ส่วนใหญ่ที่ค้นพบในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา รวมทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม มีพื้นฐานมาจากสมมาตรหลักสามประการ ได้แก่ ประจุ (charge) ความเท่าเทียมกัน (parity) และเวลา (time)
สมมาตรของประจุ (Charge symmetry) หมายความว่า เราสามารถสลับประจุบวกทั้งหมดของจักรวาลเป็นประจุลบหรือในทางกลับกัน โดยไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ เช่น แรงแม่เหล็กไฟฟ้ายังคงเหมือนเดิม ถ้าเอาอิเล็กตรอนสองตัวมาวางใกล้กัน พวกมันยังคงผลักกันด้วยแรงเท่ากัน ถึงแม้นว่าอนุภาคทั้งสองจะมีเครื่องหมายของประจุเปลี่ยนเป็นประจุบวก +e
สมมาตรความเท่าเทียมกัน (Parity symmetry) หมายความว่าเราสามารถพลิกจักรวาลจากขวาไปซ้ายเหมือนกระจกเงา โดยไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง ความเท่าเทียมกันจะถูกอนุรักษ์ไว้เมื่อกฎฟิสิกส์ยังคงเหมือนเดิม หากตำแหน่งและทิศทางของอนุภาคทั้งหมดกลับกัน
ในแผนภาพด้านล่างจะแสดงการหมุนของอิเล็กตรอน P-symmetry เปลี่ยนทิศทางของการหมุนนั้นจากตามเข็มนาฬิกาเป็นทวนเข็มนาฬิกาหรือกลับกัน
มาดูกันว่า P-symmetry หมายถึงอะไร เมื่อเราบอกว่าปฏิกิริยาเป็นสมมาตร P ลองนึกภาพปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ สมมติว่าอิเล็กตรอนสองตัวเข้ามาใกล้กัน ในขณะที่ทั้งคู่เคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา การแลกเปลี่ยนโฟตอนระหว่างกันจะปรับเปลี่ยนโมเมนตัมดังรูปด้านล่าง
หากปฏิกิริยาที่เห็นในกระจกมีอยู่ในธรรมชาติ ปฏิกิริยา P-symmetry ที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนสองตัวของเราจะเกิดปรากฏการณ์เดียวกัน แต่ด้วยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากขวาไปซ้าย
สมมาตรของเวลา (Time symmetry) หมายความว่าเราสามารถย้อนเวลาของจักรวาลได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงกฎของฟิสิกส์
ลองนึกภาพคุณบันทึกวีดิโอด้วยกล้องสุดเจ๋ง อิเล็กตรอนพุ่งเข้าหาคุณขณะหมุนตามเข็มนาฬิกา จากนั้น คุณดูหนังย้อนกลับ: สิ่งที่คุณสังเกตคืออิเล็กตรอนจะหนีจากคุณขณะหมุนทวนเข็มนาฬิกา
เป็นเวลาหลายปีที่นักฟิสิกส์คิดว่าถ้ากระแสของเวลาย้อนกลับ กฎของฟิสิกส์จะยังคงเหมือนเดิมทุกประการ ถ้าคุณถ่ายวิดีโอ โฟตอนสองตัวชนกันเพื่อให้เกิดอิเล็กตรอนและโพซิตรอน จากนั้นเล่นเทปแบบย้อนกลับเพื่อดูโพซิตรอนและอิเล็กตรอนชนกันเพื่อให้เกิดโฟตอนสองตัว สิ่งนี้เป็นไปตามกฎฟิสิกส์ หากสามารถสังเกตปรากฏการณ์ที่ย้อนเวลาได้ในธรรมชาติ แสดงว่าปรากฏการณ์นี้เป็น T-Symmetry
NF – Time
ในปี 1956 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันเชื้อสายจีนสองคน Tsung-Dao Lee และ Chen Ning Yang เสนอว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนนั้นไม่เป็นไปตามสมมาตร P หรือละเมิดสมมาตร P (P-violation) กล่าวอีกนัยหนึ่ง แรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนจะทำให้จักรวาลพัฒนาไปในทางที่ต่างไปจากภาพสะท้อนของจักรวาลที่จะพัฒนาขึ้น สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องในปีเดียวกันนั้นโดยเพื่อนร่วมงานชื่อ Chien-Shiung Wu เธอได้วางนิวเคลียสของอะตอมกัมมันตภาพรังสีในสนามแม่เหล็ก เพื่อให้พวกมันหมุนไปในทิศทางเดียวกัน และแสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกไปในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง
ปีต่อมา Lee และ Yang ได้รับรางวัลโนเบลจากแนวคิดของพวกเขา นอกจากนี้ยังพบว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนไม่เชื่อฟังสมมาตร C ด้วย กล่าวคือ มันจะทำให้จักรวาลที่ประกอบด้วยปฏิอนุภาคมีพฤติกรรมแตกต่างจากจักรวาลของเราที่ประกอบด้วยอนุภาค อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนจะเชื่อฟังสมมาตรที่รวมกัน CP (CP-symmetry) นั่นคือ จักรวาลจะพัฒนาในลักษณะเดียวกับภาพสะท้อนในกระจก นอกจากนี้ ทุกอนุภาคถูกสลับด้วยปฏิอนุภาคของมัน!
Parity violation (P-violation)
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์เชื่อว่าสมมาตร CPT (CPT-symmetry) เป็นสมมาตรพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับฟิสิกส์ แต่ในเวลาต่อมาพวกเขาก็พบว่าสมมาตรเหล่านี้ไม่เป็นจริงเสมอไป สมมาตรแรกที่พบว่าไม่เป็นจริงคือ สมมาตรความเท่าเทียมกัน (Parity symmetry หรือ P-symmetry)
เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์เชื่อว่าสมมาตรความเท่าเทียมกันเป็นกฎของจักรวาล แต่ในปี 1956 นักฟิสิกส์ Tsung-Dao Lee และ Chen Ning Yang เสนอว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อน (weak nuclear force) นั้นไม่เป็นไปตามสมมาตร P และเสนอการทดลองเพื่อตรวจสอบสิ่งนี้ ในปีเดียวกันนั้นมีการทดลองที่ยืนยันว่าแนวคิดนี้ถูกต้องโดยเพื่อนร่วมงาน Chien-Shiung Wu เธอได้ค้นพบสิ่งที่น่าตกใจ: ในโลกของฟิสิกส์นิวเคลียร์ ภาพสะท้อนของอนุภาคในกระจกไม่ได้ทำสิ่งที่เป็นภาพสะท้อนในกระจกเสมอไป โดยได้ทำการทดลองที่พิสูจน์ว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนนั้นไม่เป็นไปตามสมมาตร P สิ่งนี้เรียกว่า “การละเมิดสมมาตร P (Parity violation หรือ P-violation)”
ในการทดลอง Chien-Shiung Wu ได้ศึกษาการสลายตัวของเบต้า (beta decay) ของอะตอมกัมมันตภาพรังสีโคบอลต์-60 อะตอมเหล่านี้แต่ละอะตอมมีทิศทางการหมุนโดยธรรมชาติ – ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา เนื่องจากมีกัมมันตภาพรังสี พวกมันยังคายอิเล็กตรอนออกมาเป็นระยะๆ ในขณะที่สลายตัว
จากภาพทางซ้าย แสดงให้เห็นว่าภาพสะท้อนในกระจกของการทดลองนี้ ควรผลิตอิเล็กตรอนที่ไหลลงสู่ด้านล่างมากกว่าขึ้นข้างบน อย่างไรก็ตาม เมื่อทำการทดลองโดยที่ทิศทางของสนามแม่เหล็กกลับด้านเพื่อเปลี่ยนทิศทางการหมุนของอะตอมโคบอลต์ให้เหมือนกับภาพสะท้อนในกระจกคือหมุนตามเข็มนาฬิกา สิ่งที่ได้สร้างความประหลาดใจให้กับทุกคน นักวิทยาศาสตร์พบว่ามีการผลิตอิเล็กตรอนออกมาจากด้านบนมากกว่าด้านล่าง
จากการทดลองของจริงกับทิศทางการหมุนกลับด้านของอะตอมโคบอลต์ มีพฤติกรรมแตกต่างจากภาพสะท้อนในกระจก สิ่งนี้พิสูจน์ทฤษฎีของ Lee และ Yang ที่ว่าสมมาตรความเท่าเทียมกันถูกละเมิดในกระบวนการสลายตัวของเบต้า ซึ่งเกิดขึ้นจากแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อน
Lee และ Yang ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1957 จากการศึกษาของพวกเขาที่เสนอว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนนั้นไม่เป็นไปตามสมมาตร P และการเสนอแนะการทดลองในลักษณะดังกล่าว
Zara Larsson – All the Time
อย่างไรก็ตาม ในปี 1964 ชาวอเมริกันอีกสองคนคือ J.W. Cronin และ Val Fitch ค้นพบว่ามีการละเมิดสมมาตร CP ในการสลายตัวของอนุภาคบางชนิดที่เรียกว่า K-mesons ในที่สุด Cronin และ Fitch ก็ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานของพวกเขาในปี 1980 (มีการมอบรางวัลมากมายจากการแสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่ได้เรียบง่ายอย่างที่เราคิด!)
มีทฤษฎีบททางคณิตศาสตร์ที่บอกว่าทฤษฎีใดๆ ที่เชื่อฟังกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพจะต้องเชื่อฟังสมมาตร CPT ที่รวมกันเสมอ กล่าวอีกนัยหนึ่ง จักรวาลจะต้องมีพฤติกรรมแบบเดียวกัน หากมีการแทนที่อนุภาคด้วยปฏิอนุภาค นำภาพสะท้อนในกระจกมาแทนที่ และเปลี่ยนทิศทางของเวลาด้วย แต่ Cronin และ Fitch แสดงให้เห็นว่าหากมีการแทนที่อนุภาคด้วยปฏิอนุภาคและนำภาพสะท้อนในกระจกมาแทนที่ จักรวาลจะไม่แสดงพฤติกรรมแบบเดียวกัน กฎของฟิสิกส์จึงต้องเปลี่ยนไปหากมีการย้อนทิศทางของเวลา—กฎเหล่านี้ไม่เป็นไปตามความสมมาตร T ด้วย
Charge-parity violation (CP-violation)
การค้นพบการละเมิดสมมาตร P (P-violation) จากการทดลองของ Chien-Shiung Wu พิสูจน์ว่าสมมาตรความเท่าเทียมกัน (P-symmetry) ไม่ได้เกิดขึ้นเสมอไป ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงเสนอให้รวมสมมาตรความเท่าเทียมกันกับสมมาตรของประจุ เพื่อสร้างสมมาตรความเท่าเทียมกันของประจุ “Charge-parity symmetry (CP-symmetry)” ตามทฤษฎีนี้ ถ้าคุณพลิกไปทางซ้ายและขวาพร้อมกับประจุบวกและประจุลบ ฟิสิกส์ก็ควรจะทำงานในลักษณะเดียวกัน
นักฟิสิกส์ในขณะนั้นคิดว่าการรวมกันของสมมาตร CP เป็นสมมาตรที่ถูกต้องของจักรวาล น่าเสียดายที่มันกลับกลายเป็นว่าไม่เป็นความจริง จากการค้นพบการละเมิดสมมาตร CP ในปี 1964 ในการทดลองเกี่ยวกับการสลายตัวของอนุภาค kaon ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า K meson
ในขณะที่แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic force) แรงนิวเคลียส์อย่างเข้ม (strong nuclear force) และแรงโน้มถ่วง (gravitational force) เป็นไปตามสมมาตร P และ C นักฟิสิกส์พบว่าแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อน (weak nuclear force) ซึ่งมีหน้าที่ในปฏิกิริยา เช่น การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียสของอะตอม นอกจากจะไม่เป็นไปตามสมมาตร P มันยังไม่เป็นไปตามสมมาตร C หรือละเมิดทั้งสมมาตร C และ P (Charge-parity violation; CP-violation)
ในปี 1964 กลุ่มวิจัยชาวอเมริกันที่นำโดย James Cronin และ Val Fitch ค้นพบในการทดลองที่ Brookhaven National Laboratory ว่าสมมาตร CP ถูกละเมิดในการสลายตัวของ K0 mesons ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า ซึ่งโดยปกติจะสลายตัวผ่านแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อน การค้นพบ CP-violation ส่งผลให้ Dr. Cronin และ Dr. Fitch ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1980
ในการทดลอง พวกเขาจึงใช้เครื่องเร่งโปรตอน Synchrotron เพื่อผลิตลำแสงของ K0 mesons ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า จากนั้นใช้อาร์เรย์เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่และซับซ้อนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ พวกเขาบันทึกและวัดค่าการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของ K0 mesons ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในแต่ละครั้งได้อย่างแม่นยำ ชนิดของ K0 mesons ที่พวกเขาศึกษาสลายไปเป็นอนุภาคครึ่งหนึ่งและปฏิอนุภาคครึ่งหนึ่ง พวกเขาพบว่าสองในหนึ่งพัน (0.2%) ของการสลายตัวของ K0 mesons ละเมิดสมมาตร CP
K0 mesons มีสองเวอร์ชั่นที่มีมวลเท่ากัน แต่อายุการสลายตัวต่างกัน! ในการทดลอง ลำแสงของ K0 mesons ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าใน Synchrotron สามารถแยกออกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งประกอบด้วย K0 mesons ที่มีอายุสั้น “K-short” ซึ่งสลายตัวเป็น pion สองตัว (π+, π– หรือ π0, π0) และอีกส่วนประกอบด้วย K0 mesons ที่มีอายุยืนยาว “K-long” ซึ่งสลายตัวเป็น pion สามตัว (π+, π–, π0 หรือ π0, π0, π0)
หมายเหตุ: pion ที่มีประจุสองตัวนั้น (π+, π–) เป็นอนุภาคและปฏิอนุภาคซึ่งกันและกัน
การทดลองแสดงให้เห็นว่าในการชนกันหลายล้านครั้ง “K-short” จะสลายตัวเป็น pion สองตัวเสมอ ในขณะที่ “K-long” จะสลายตัวเป็น pion สามตัวแต่ไม่เสมอไป Cronin และ Fitch พบว่า สองในหนึ่งพันของการสลายตัวของ “K-long” จะสลายตัวเป็น pion สองตัว แทนที่จะเป็น pion สามตัว การสลายตัวของ “K-long” จึงละเมิดสมมาตร CP ถึงแม้นว่า CP-violation นั้นเล็กมาก แต่ไม่ใช่ศูนย์ มี CP-violation ที่ 0.2%
การค้นพบการสลายตัวของ K0 mesons เป็นหลักฐานแรกสำหรับการละเมิดสมมาตร CP ของแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อน นอกจากนี้การละเมิดสมมาตร CP ยังหมายถึงการละเมิดสมมาตรของเวลา (Time violation) ด้วย เพราะคุณจะไม่ได้รับผลลัพธ์แบบเดียวกันหากคุณย้อนเวลา ปฏิกิริยาที่วิ่งสวนทางกันไม่ได้ย้อนเส้นทางของปฏิกิริยาเดิม สิ่งนี้ทำลายความเชื่อของนักฟิสิกส์ที่ว่ากฎธรรมชาติถูกควบคุมโดยสมมาตร
ความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารในจักรวาลยุคแรก
การละเมิดสมมาตร CP (CP-violation) สร้างความตกใจให้กับนักฟิสิกส์ เพราะมันบอกเป็นนัยว่าสสารและปฏิสสารไม่ใช่ภาพสะท้อนของกันและกัน ตามทฤษฎีบิกแบงที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางที่สุดเกี่ยวกับต้นกำเนิดของจักรวาล เมื่อจักรวาลก่อตัวขึ้นในบิกแบงเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน มีการสร้างสสารและปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากัน หากธรรมชาติปฏิบัติต่อทั้งสองอย่างเหมือนกันหมด สสารและปฏิสสารจะทำลายล้างกันและกัน โดยไม่ทิ้งสิ่งใดไว้นอกจากพลังงาน แต่ทุกวันนี้ จักรวาลที่มองเห็นได้ประกอบด้วยอนุภาคของสสาร โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน แทนที่จะเป็นคู่ปฏิอนุภาค แอนติโปรตอน แอนตินิวตรอน และโพซิตรอน ปฏิสสารนั้นหาได้ยากมากในจักรวาล หนึ่งในปริศนาที่ยิ่งใหญ่สำหรับนักวิทยาศาสตร์คือเหตุใดจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสารในจักรวาล—เหตุผลที่เราดำรงอยู่
ผลของการละเมิดสมมาตร CP ที่ระดับอนุภาคอาจเป็นส่วนหนึ่งของคำตอบ หากความไม่สมมาตรประเภทนี้มีอยู่ในกระบวนการสลายตัวของอนุภาคบางอย่างในจักรวาลยุคแรก ก็สามารถอธิบายได้ว่าทำไมจึงมีการสร้างสสารมากกว่าปฏิสสารในบิกแบง สสารและปฏิสสารส่วนใหญ่ได้ทำลายล้างกันและกัน แต่การละเมิดสมมาตร CP ทำให้เหลือสสารส่วนเกินไว้เบื้องหลัง (ประมาณหนึ่งต่อล้าน) ทำให้เกิดความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารเพียงเล็กน้อยในจักรวาลยุคแรก แต่นำไปสู่การพัฒนาสภาวะที่มีสสารเหนือปฏิสสารในจักรวาลปัจจุบัน
อย่างไรก็ตามแรงนิวเคลียส์อย่างอ่อนสามารถอธิบายการละเมิดสมมาตร CP ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ไม่เพียงพอที่จะอธิบายความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสารได้ทั้งหมด อาจมีแรงอื่นๆ ซ่อนอยู่ที่ไม่ได้ถูกระบุไว้ในแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคและแรง ซึ่งรับผิดชอบต่อการละเมิดสมมาตร CP เพิ่มเติมที่นำไปสู่การพัฒนาของจักรวาลที่เราสังเกตได้ การทดลองในเครื่องเร่งอนุภาคในปัจจุบันและอนาคตได้รับการออกแบบมาเพื่อค้นหาแหล่งที่มาของการละเมิดสมมาตร CP ที่มีขนาดใหญ่พอที่จะอธิบายจักรวาลของทุกสิ่งรอบตัวเรา
One Direction – Night Changes
แน่นอนว่าจักรวาลยุคแรกไม่เชื่อฟังสมมาตร T: เมื่อเวลาผ่านไป จักรวาลขยายตัว—ถ้าย้อนเวลากลับ จักรวาลจะหดตัว และเนื่องจากมีแรงที่ไม่เชื่อฟังสมมาตร T ดังนั้นเมื่อจักรวาลขยายตัว แรงเหล่านี้อาจทำให้แอนติอิเล็กตรอนกลายเป็นควาร์กมากกว่าอิเล็กตรอนไปเป็นแอนติควาร์ก จากนั้น เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง แอนติควาร์กและควาร์กจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน แต่เนื่องจากจะมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก จึงมีควาร์กเหลืออยู่เล็กน้อย ทำให้เกิดสิ่งที่เราเห็นในปัจจุบันนี้ ดังนั้นการมีอยู่จริงของเราจึงถือได้ว่าเป็นการยืนยันทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand unified theories) แม้ว่าจะเป็นเพียงทฤษฎีเชิงคุณภาพเท่านั้น ความไม่แน่นอนนั้นเป็นสิ่งที่เราไม่สามารถคาดเดาจำนวนควาร์กที่จะถูกทิ้งไว้หลังจากการทำลายล้าง หรือแม้แต่ควาร์กหรือแอนติควาร์กที่ยังคงอยู่ (อย่างไรก็ตาม หากมีแอนติควาร์กมากเกินไป เราก็คงจะตั้งชื่อว่า antiquarks quarks และ quarks antiquarks)
ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ (Grand unified theories) ไม่รวมแรงโน้มถ่วง สิ่งนี้ไม่สำคัญมากนักเพราะแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอ จนมักถูกมองข้ามผลกระทบของมันเมื่อเราจัดการกับอนุภาคมูลฐานหรืออะตอม อย่างไรก็ตาม ความจริงที่ว่ามันเป็นแรงที่มีพิสัยระยะไกลและเป็นแรงดึงดูดอยู่เสมอ หมายความว่าผลกระทบของมันจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นสำหรับโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีอนุภาคสสารจำนวนมากเพียงพอ แรงโน้มถ่วงสามารถครอบงำแรงอื่นๆ ทั้งหมดได้
นี่คือเหตุผลที่แรงโน้มถ่วงเป็นตัวกำหนดวิวัฒนาการของจักรวาล แม้แต่วัตถุที่มีขนาดเท่าดาวฤกษ์ แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงก็สามารถเอาชนะแรงอื่นๆ ทั้งหมดและทำให้ดาวยุบได้ งานของฉันในปี 1970 มุ่งเน้นไปที่หลุมดำที่อาจเป็นผลมาจากการยุบตัวของดาวฤกษ์และสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงรอบตัวพวกมัน นี่คือสิ่งที่นำไปสู่คำใบ้แรกที่ว่าทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจส่งผลกระทบซึ่งกันและกันอย่างไร ซึ่งเป็นเพียงแวบหนึ่งของเค้าโครงของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม (quantum theory of gravity) ที่ยังมาไม่ถึง
จบบทที่ 5