ביקום יש בערך 1080 חלקיקים ו-1089 פוטונים. למה יש הרבה יותר פוטונים מחלקיקים? כדי לענות על השאלה היסודית הזאת, צריך לבחון את רעיון הסימטריה בטבע. סימטריה פירושה שלתופעות שנראות שונות יש בסיס דומה. (בגאומטריה, הכדור הוא הצורה הסימטרית ביותר, כי הוא נראה אותו דבר מכל כיוון. לעומתו, סלע גבשושי נראה שונה מכל כיוון). המדענים מחפשים סימטריה כדי לאחד את המגוון של הטבע. לסימטריה יש גם היבט אסתטי – היא מבטאת איזון והרמוניה.
יש בפיזיקה כמה דוגמאות חשובות לסימטריה. חשמל ומגנטיות נראים תופעות שונות מאוד, ובכל זאת הנס כריסטיאן ארסטד הראה ב-1820 שזרם חשמלי יוצר שדה מגנטי, ומייקל פאראדיי הראה ב-1831 שמגנט נע יכול ליצור זרם חשמלי. יחסי הגומלין בין הכוח החשמלי לכוח המגנטי באים לידי ביטוי היפה ביותר בגלים אלקטרומגנטיים; האור הוא הדוגמה היומיומית שלנו לסימטריה בין חשמל למגנטיות. גם חלקיקים וגלים נראים תופעות שונות מאוד. ובכל זאת, לאור יש תכונות גליות ברורות, אבל הוא מתנהג גם כמו חלקיק זעיר של אנרגיה שנקרא פוטון. באותו אופן, החלקיקים התת-אטומיים "מטושטשים" לפי התפיסה הקוונטית של הטבע, ולעתים קרובות יש להם תכונות של גלים. הדוגמה האחרונה היא התוצאה המפורסמת של איינשטיין: E = mc2. המשוואה הזאת מבטאת את העובדה שמסה ואנרגיה אינן נפרדות זו מזו. המסה היא צורה "קפואה" של אנרגיה.
הסימטריה אולי קיימת בתיאוריות שלנו, או במשוואות שמבטאות אותן, אבל היא לא תמיד גלויה ביקום שאנחנו חיים בו. המשוואה E = mc2 אומרת שמסה ואנרגיה יכולות להפוך זו לזו, אבל רק בתנאים הקיצוניים שבתוך כוכבים אנחנו רואים אחוז קטן מהמסה הופך לאנרגיה. בעולם היומיומי איננו רואים לעולם את התהליך ההפוך: אור אינו הופך מעצמו לחלקיקים. ביקום שלנו יש אי-סימטריה עצומה בין קרינה לחומר: מספר הפוטונים עולה על מספר החלקיקים בערך פי מיליארד. כמובן, האנרגיה של הפוטונים האלה נמוכה כל כך היום, שבקושי אפשר לגלות את השפעתם.
הסימטריה מוסתרת מאיתנו גם בטבעו של החומר. אנטי-חומר הוא חומר שלחלקיקים שלו יש מערכת הפוכה של תכונות קוונטיות. אפשר לחשוב על האנטי-חומר כעל תמונת הראי (או ה"רוח") של החומר. בעולם המיקרוסקופי של הקוונטים, לכל חלקיק יש אנטי-חלקיק מקביל. לחלקיקים טעונים יש אנטי-חלקיקים בעלי מטען הפוך: למשל, האנטי-חלקיק של האלקטרון הוא הפוזיטרון, בעל המטען החיובי, והאנטי-חלקיק של הפרוטון הוא האנטי-פרוטון, בעל המטען השלילי. המקביל של הנייטרון הוא האנטי-נייטרון הנייטרלי, והמקביל של הנייטרינו הוא האנטי-נייטרינו. הפוטון הוא האנטי-חלקיק של עצמו. חוקי הפיזיקה מעמידים את החומר ואת האנטי-חומר במעמד שווה, אז למה העולם הרגיל עשוי כמעט כולו חומר? כשיוצרים אנטי-חלקיק במעבדה, הוא אינו שורד זמן רב לפני שהוא פוגש חלקיק, ושניהם נעלמים בהבזק של קרני גמא.
האסטרונומים שאלו את עצמם אם יש ריכוזים גדולים של אנטי-חומר במקום כלשהו ביקום. אין כוכבים של אנטי-חומר בשום מקום ליד השמש – הם היו מגיבים עם התווך הבין-כוכבי ויוצרים הרבה יותר קרני גמא ממה שנצפה. האסטרונומים אף פסלו גלקסיות רחוקות של אנטי-חומר, העשויות כוכבי אנטי-חומר. היום גלקסיות ואנטי-גלקסיות היו מופרדות במעמקי החלל, אבל בעבר הן היו חייבות להיות קרובות יותר זו לזו, ואיננו רואים קרני גמא מהמפגשים ביניהן, שהיו עוברות היסט לאדום לאנרגיות נמוכות יותר. בכל קני המידה שאנחנו יכולים לצפות בהם, אנטי-חומר נדיר או חסר. היקום עשוי חומר.
הסימטריות של הטבע היו גלויות יותר ביקום המוקדם. בטמפרטורה גבוהה מספיק, מסה ואנרגיה הפכו זו לזו בחופשיות, ושרר איזון בין יצירת חלקיקים להשמדתם, ובין חומר לאנטי-חומר. היקום של היום עשוי כמעט כולו קרינה וחומר, ואנטי-חומר אפשר לייצר רק בכמויות זעירות וחולפות. במספרים עגולים, ביקום יש כמיליארד פוטונים על כל חלקיק, ואין אנטי-חלקיקים. אבל ביקום המוקדם נוצרו חלקיקים ואנטי-חלקיקים ונהרסו במספרים שווים. כמיליונית שנייה (10−6 שנייה) אחרי המפץ הגדול הייתה הטמפרטורה עצומה – 1013 K – ולפוטוני הגמא הייתה מספיק אנרגיה ליצור זוגות חלקיק–אנטי-חלקיק מסוגים רבים. בתוך שניות ספורות אחרי המפץ הגדול, ההתפשטות הקוסמית גרמה לקרינה לעבור היסט לאדום עד אנרגיה נמוכה מכדי ליצור חלקיקים ואנטי-חלקיקים.
אילו היו מספרי החלקיקים והאנטי-חלקיקים שווים בדיוק מיד אחרי המפץ הגדול, כולם היו נעלמים בזוגות, והיה נשאר יקום מלא בקרינה בלבד! לכן ביקום המוקדם מאוד היה חייב להיות עודף זעיר של חומר על אנטי-חומר: על כל מיליארד אנטי-חלקיקים היו מיליארד ועוד חלקיק אחד. אחרי שהחלקיקים והאנטי-חלקיקים התחברו בזוגות ויצרו מבול של קרני גמא, נשארה שארית קטנה של חומר. עכשיו, מיליארדי שנים אחר כך, קרני הגמא המקוריות של המפץ הגדול עברו היסט לאדום והפכו לגלי מיקרוגל חלשים. לפוטונים האלה יש אנרגיה נמוכה, אבל בכל מטר מעוקב של חלל יש כ-400 מיליון מהם. רוב החלקיקים ביקום הושמדו לפני זמן רב עם האנטי-חלקיקים המתאימים להם, ושארית החומר הנייטרלי יצרה את כל המבנים הכבידתיים ביקום. במילים אחרות, הקיום שלנו תלוי באי-סימטריה זעירה בין חומר לאנטי-חומר ביקום המוקדם מאוד!
מאין באה אי-הסימטריה בין חומר לאנטי-חומר? אפשרות אחת היא שהיקום התחיל כך – שהיא הייתה חלק מתנאי ההתחלה. רוב האנשים רואים בזה השערה עקרה למדי. ההסברים הסבירים ביותר נשענים על פיזיקה של איחוד הכוחות, או על מנגנונים שנובעים מהיפרדות כוחות היסוד מוקדם מאוד בתולדות היקום. זה תחום פעיל מאוד בפיזיקה התיאורטית, ואין פתרון באופק.
→ הסעיף הקודם: 17.24 מסה ואנרגיה ביקום המוקדם | הסעיף הבא: 17.26 כוחות הטבע ←