Czy Wszechświat jest elektrycznie obojętny?

Pytanie

Pyta Ania

Czy Wszechświat jest elektrycznie obojętny? Jeżeli tak, to zgodnie z zasadą zachowania ładunku musi tak być od początku jego istnienia, a zatem cząstki elementarne musiałyby powstać w idealnych proporcjach, tak żeby łączny ładunek elektryczny wynosił zero. Ale dlaczego miałoby się akurat tak stać (np. w przypadku materii i antymaterii symetria została złamana)? Czy jednak było tak, że po rekombinacji w początkowej fazie istnienia Wszechświata, dla części jąder atomowych nie wystarczyło elektronów (lub na odwrót) i do teraz istniałaby nadwyżka jakiegoś ładunku w skali całego Wszechświata?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Obserwacje astronomiczne są zgodne z hipotezą, że Wszechświat jest elektrycznie obojętny. Nie obserwujemy zjawisk, które świadczyłyby o istotnie różnych od zera ładunkach elektrycznych galaktyk, gwiazd lub planet. Teoria kosmologicznej inflacji zakłada, że Wszechświat doznał gwałtownej ekspansji w pierwszych chwilach swojego istnienia na skutek bardzo dużej wtedy energii próżni. Pod koniec inflacji Wszechświat był praktycznie pusty (a zatem elektrycznie neutralny), a oscylacje pola tzw. inflatonu dostarczyły energii do kreacji wszystkich obserwowanych teraz cząstek. Kreacja następowała poprzez procesy respektujące zasadę zachowania ładunku i dlatego Wszechświat jest nadal elektrycznie neutralny.

Zasada zachowania ładunku powiązana jest z lokalną symetrią cechowania, która wymaga również, aby foton miał dokładnie zerową masę. Nie ma na razie żadnej wskazówki obserwacyjnej, która wskazywałaby, że foton uzyskuje bardzo małą masę poprzez mechanizm Higgsa, choć teoretycznie można by taką hipotezę rozważać. Nie ma tu analogii do naruszenia zasady zachowania liczby barionowej, w przypadku której mamy do czynienia z symetrią globalną, naruszoną na poziomie kwantowym przez anomalię chiralną. Powstanie asymetrii między gęstością kwarków i antykwarków zachodzi dzięki procesom naruszającym zasadę zachowania liczby barionowej, ale respektującym zasadę zachowania ładunku. Zatem, jeśli w stanie początkowym Wszechświat był elektrycznie neutralny, to ostatecznie całkowity ładunek jąder atomowych musi dokładnie kompensować ładunek elektronów.