Три условия для ранней Вселенной

Три условия для ранней Вселенной

Сусуму Окубо, американский теоретик японского происхождения, о космологии не думал. Он занимался физикой элементарных частиц, когда там в середине 1950-х всплыла загадочная асимметрия. До того времени молчаливо считалось, что в микромире все в высшей степени симметрично и, в частности, зеркально симметрично — полный паритет (Рarity) правого и левого, или P-симметрия, как у идеальной бабочки: если возможно некоторое явление в мире элементарных частиц, то столь же возможно и явление, зеркально симметричное. Однако в 1956 году экспериментаторы обнаружили, что в мире элементарных частиц это не так: существуют явления, зеркальные версии которых не столь же возможны.

Обнаруженная асимметрия упала как снег на головы теоретиков. Они стали вглядываться в две другие симметрии, которые до того времени молчаливо считались столь же несомненными в микромире: операция С заменяет всякую элементарную частицу на ее античастицу, то есть всякий заряд (Charge) на противоположный, а операция Т поворачивает время (Time) вспять, — заменяет всякое движение на противоположное.

Представим себе частицы белыми шариками, античастицы — черными, а каждую из операций Р, С, Т уподобим взмаху волшебной палочки. Взмах Р-палочки меняет картину на зеркально-отраженную, С-палочка меняет цвет шариков на противоположный, а Т-палочка меняет события так, как меняется видеокартинка, если пленку запускают в обратную сторону.

До 1956 года физики были уверены, что жизнь микромира симметрична для любой из С-, Р-, Т-волшебных палочек. Быть теоретиком в таком мире проще, но простота, говорят, бывает хуже воровства. Переупрощение мира крадет у него глубину. Если бы правая и левая руки были одинаковы, то делать перчатки было бы проще. Однако важные вещи в мире людей объясняют различием правого и левого полушарий мозга — образного и логического.

Физикам предстояло понять непростые асимметрии микромира. Из основ ch-теории следовало лишь то, что взмах сразу тремя палочками физику не меняет. Это назвали СРТ-симметрией.

Эйнштейн советовал все делать как можно проще, но не проще, чем надо. При этом не сказал, как же избежать переупрощения. Зеркальная кособокость микромира, подтвержденная в экспериментах, побуждала теоретиков строить воздушные замки, в которых наблюдаемый асимметричный флигель был бы лишь частью симметричного мироздания. И уже через год такой замок построил Ландау, обнаружив, что все известные тогда P-асимметричные явления подчиняются комбинированной CP-симметрии. Эту симметрию он провозгласил новым законом природы: одновременный взмах C— и P-палочками не меняет мира. Иначе говоря, Ландау предположил, что бабочка микромира имеет вид

который не меняется, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета — частицы поменять местами с античастицами.

Важность научной работы можно измерять тем, насколько она помогает задавать новые вопросы Природе, и, значит, помогает опровергнуть себя — если Природа ответит отрицательно. Работа Ландау помогла Окубо задать вопрос: а что, если и CP?симметрия не всемогуща в микромире? И он придумал, как этот вопрос можно задать Природе. В статье 1958 года он указал, что если CP-симметрия нарушается, то частица и античастица, имея одинаковые времена жизни, могут по-разному свои жизни кончать, по-разному распадаясь на другие частицы. Это оставалось чисто теоретической возможностью до 1964 года, когда экспериментаторы обнаружили, что CP-симметрия действительно нарушается, хоть и очень мало. Так гипотеза Ландау, опровергнутая экспериментом, продвинула поиск научной истины.

В 1966 году настала очередь Сахарова продвинуть этот поиск дальше. Эксперименты о нарушении CP-симметрии и эффект Окубо в микромире соединились в его размышлениях с фактом барионной асимметрии Вселенной. И родилась идея о микрофизическом происхождении этой асимметрии — «кривой фигуры» Вселенной.

Он исходил из того, что в микромире действует лишь самая общая CPT-симметрия, то есть бабочка микромира выглядит так:

Она не изменится, если переставить сразу все три: правое на левое, частицу на ее античастицу, прошлое и будущее (перевернуть букву T). Рядом с этой бабочкой микромира Сахаров увидел, можно сказать, бабочку Вселенной:

Точнее, в наблюдаемой расширяющейся Вселенной он разглядел одно крыло вселенской бабочки и применил CPT-симметрию микрофизики для объяснения барионной асимметрии Вселенной.

В эпоху Большого взрыва вещество было так сжато, что элементарные частицы «чувствовали локтем» друг друга, и Вселенная жила по законам микромира. По идее Сахарова, именно тогда асимметрия Вселенной складывалась в процессах, бурлящих в каждой микроточке космического пространства. T-асимметрия расширения Вселенной позволила породить наблюдаемую С-асимметрию вещества — разное содержание частиц и античастиц в P-асимметричных крыльях Вселенной по разные стороны от времени Большого взрыва. Помимо крыла вселенской бабочки, видного астрономам, физик-теоретик Сахаров видел мысленно и другое крыло, раскрывшееся до Большого взрыва. Космологическая бабочка CPT-симметрична, но увидеть ее целиком не дает краткость человеческой жизни по сравнению с возрастом Вселенной.

Физический механизм, порождающий избыток барионов из первоначально симметричного состояния, Сахаров собрал из трех компонент:

1) «Из эффекта С. Окубо…» — различие распадов частицы и античастицы;

2) «При большой температуре для Вселенной…» — это различие производит нужный космологический эффект за ультракороткое время, пока Вселенная достаточно горяча, а затем результат «замерзает»;

3) «Сшита шуба…» — иглой, которая была совершенно новым инструментом в физике. Сахаров предположил, что барионный заряд не сохраняется. В частности, это означало, что протон — «кирпич мироздания», считавшийся совершенно стабильным, — должен самопроизвольно распадаться.

В конце статьи Сахаров благодарит за обсуждение шестерых физиков. Один из них, Лев Окунь, считает эту работу о барионной асимметрии Вселенной «одной из самых глубоких и смелых статей двадцатого века». Смелость была ясна сразу: ведь Сахаров посягнул на казавшийся тогда незыблемым физический закон — закон сохранения барионного заряда.

В школе изучают лишь электрический заряд, сохранение которого заложено в самих законах электромагнетизма. А сохранность барионного заряда — числа всех барионов минус число антибарионов — не следовала из какой-то «теории барионного поля», а опиралась лишь на то, что пока не наблюдался распад бариона на небарионы. Факт достоин уважения, и Сахаров свое уважение проявил, оценив темп распада протона в предложенной им теории. Распад оказался «астрономически» медленным, что объясняло, почему он не наблюдался — требовалась невиданная точность измерений.

Уважать факт или беспрекословно ему подчиняться, решает сам исследователь. В конце 1960-х годов почти все физики, включая Зельдовича, выбрали абсолютное подчинение барионной симметрии. История провела мини-опрос общественного мнения об этом и среди американских коллег Сахарова и Зельдовича. Как раз в 1966 году выдающиеся теоретики (и к тому же «отцы» американского ядерного оружия) Р. Оппенгеймер и Э.?Теллер в своих статьях выразили безоговорочную веру в закон сохранения барионного заряда. Теллер на своей уверенности основал даже гипотезу, объясняющую только что открытые сверхяркие астрономические объекты — квазары — как столкновения галактик и антигалактик, которых во Вселенной должно было быть поровну. Как пел в те годы Окуджава: «…Все поровну, все справедливо, на каждого умного — по дураку, на каждый прилив — по отливу». На каждый протон — по антипротону, а на каждую галактику — по антигалактике.

Почему в 1966 году Сахаров вышел из этого единогласия? Быть может, он глубже других понял только что преподанный урок CP-симметрии, согласно которому в физике, как в правовом государстве, разрешено все, что не запрещено законом. Или глубже осознал факт космологической асимметрии вещества — антивещества и не стал себя уговаривать, что наблюдаемую с Земли — «местную» — асимметрию как-нибудь удастся совместить с симметрией общевселенской. Фактически, конечно, речь идет о научной интуиции, которая знает о фактах и теориях, но к ним не сводится.

Когда в 1948 году Сахаров заподозрил, что полученный из рук Зельдовича проект термоядерной бомбы ведет в никуда, и придумал совершенно новый путь, это сработала его интуиция. Тогда Зельдович сразу же оценил его идею. В 1966 году предложенный Сахаровым путь слишком круто уходил от протоптанных дорог, и Зельдовичу, на глазах которого работала интуиция Сахарова, потребовались годы, чтобы оценить серьезность нового направления. Это произошло, когда физика элементарных частиц также усомнилась в стабильности протона. Тогда сахаровское объяснение барионной асимметрии Вселенной заняло наконец свое место в арсенале современной физики. По словам Окубо, «хоть эта идея и кажется сейчас простой, понадобился гений Сахарова, чтобы соединить много разных сторон теории в стройную картину».

Картину эту рано еще вставлять в золоченую рамку. К чему приведет экспериментальная проверка и развитие теории, объясняющей космологическую асимметрию вещества и антивещества, наверняка выяснится в наступившем тысячелетии. А в обзоре перспектив более близкого будущего в журнале «Scientific American» читаем:

Можно себе представить, что Вселенная родилась кривобокой, то есть уже с самого начала имела неравные количества частиц и античастиц. Теоретики, однако, предпочитают другой сценарий, в котором численности частиц и античастиц в ранней Вселенной были одинаковы, но по мере ее расширения и охлаждения частицы стали преобладать. Советский физик (и диссидент) Андрей Сахаров указал три условия, необходимые для накопления этой асимметрии.

Указав одним из этих условий несохранение барионного заряда — или распад протона, — Сахаров стал диссидентом в физике. Действительно ли он разгадал новый закон природы, пока не ясно. Но история показывает, что тайны природы открывают себя лишь подобным диссидентам.