Kvant. Космология - III

Горелик Г. Космология XX века в лицах (часть III) //Квант. — 1996. — № 4. — С. 21-23.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Часть II

Яков Борисович Зельдович (1914 - 1987) и Андрей Дмитриевич Сахаров (1921 - 1989)

Я. Б. Зельдович

А. Д. Сахаров

В 60-е годы космология стала новой наукой. Астрономическое уточнение межгалактической шкалы расстояний устранило главный дефект предшествующей релятивистской космологии — хаббловский возраст Вселенной перестал противоречить данным космогонии, прежде всего ядерной геохронологии, согласно которой возраст Земли составлял несколько миллиардов лет.

К этому «исправленному» изданию релятивистской космологии подоспели два эпохальных открытия. Радиотелескопы обнаружили фоновое — вселенское — радиоизлучение, со всех сторон одинаково греющее Землю так, как если бы весь Космос был нагрет до 3 К. А оптические телескопы обнаружили квазары — звездоподобные объекты, излучающие с галактической интенсивностью и находящиеся на космологических расстояниях, сравнимых с расстоянием до горизонта Вселенной, откуда свет за конечное время расширения Вселенной уже не дошел бы до наблюдателя.

Нетрудно понять, насколько увеличилась «жилплощадь» космологии, если учесть, что в предыдущие три десятилетия единственной экспериментальной точкой ее опоры было хаббловское разбегание галактик. Этой точки опоры было достаточно, чтобы перевернуть мир космологических умозрений, но слишком мало, чтобы устойчиво строить здание релятивистской астрофизики и физической космологии.

Именно в ту пору в космологию пришли два зрелых физика — академики и трижды Герои Соцтруда. Первая космологическая работа Я.Б.Зельдовича датирована 1961 годом, первая работа А.Д.Сахарова — 1965 годом. У этого их биографического поворота были свои социальные, психологические и научные причины. Академические звания и звезды Героев оба получили за вклады в советский атомный проект. Зельдович вошел в этот проект еще до его государственного развертывания и сыграл ключевую роль в создании атомной бомбы. Сахаров попал в проект накануне испытания атомной бомбы и сыграл ключевую роль в создании термоядерной. По воле истории оба физика-теоретика в самом творческом возрасте должны были жить в самом секретном городе страны и заниматься самым секретным и самым разрушительным оружием. Переход от всего этого к совершенно открытой и абсолютно мирной работе с бесконечной звездной Вселенной перед глазами, каким бы прыжком не казался, был довольно естественным в силу совокупности обстоятельств.

Физико-технические задачи ядерно-оружейного проекта после решающего успеха 1955 года, когда была испытана советская супербомба, все больше эволюционировали в сторону техники. Фундаментальная физика — физика элементарных частиц — все дальше уходила от физики ядерного взрыва в глубь микромира. К этому добавлялась политическая оттепель, затронувшая и ядерное противостояние сверхдержав. Необходимость сверхусилий по созданию все более мощной взрывчатки уже не казалась столь очевидной и безусловной, как в 40-е годы. Впрочем, подобные общественно-политические факторы имеют разный вес для разных физиков. Гораздо универсальней действовало истощение физического «задачника» Министерства среднего машиностроения, руководящего спецпроблемой.

В 40-е годы у Энрико Ферми были основания сказать по поводу чудовищно-разрушительного оружия: «superb physics» (превосходная физика) . Сахаров о еще более адском оружии сказал: «рай для теоретиков». И для их коллег, привыкших к реалиям ядерного века, это была не столько кощунственная, сколько точная констатация. Ведь это была возможность воспроизвести и «подержать в руках» звездное вещество!

Однако Минсредмаш не очень-то интересовался миром звезд, и его военно-технические задачи становились все скучнее и рутиннее для физиков-теоретиков, для тех из них, кто не превратился в инженерно-технических работников и сохранил свободолюбивый исследовательский инстинкт. Этот инстинкт побуждал пренебречь привилегиями Минсредмаша (которые, впрочем, диалектически соединялись с тяготами секретности) и постараться вернуться в открытую науку. А в этой науке областью, наиболее близкой к физическому раю, была релятивистская астрофизика и космология. Для тех, кто привык иметь дело с миллионами градусов, составлять уравнения для таких состояний вещества и проверять их на полигонах, космология не была столь уж неземной областью.

В начале 60-х годов, когда Зельдович и Сахаров вернулись к чистой физике, стала осознаваться мысль, что ответы на самые фундаментальные вопросы требуют соединить микрофизику, или физику элементарных частиц, и мегафизику, т.е. космологию. Именно сюда, на стык двух филологически не стыкующихся областей, обратился мысленный взор -«отцов» советских супербомб.

Научные наследия Зельдовича и Сахарова сильно различаются, как различаются и сами эти два замечательных физика. О Зельдовиче один его западный коллега сказал, что, познакомившись с его разнообразными и многочисленными работами, он заподозрил в его фамилии коллективный псевдоним, подобный Бурбаки в математике. В библиографии работ Зельдовича раздел «Астрофизика и космология» содержит около 200 названий, а из его соавторов можно было бы составить небольшой институт. У Сахарова космологических работ раз в десять меньше, нет и соавторов. В этом отражалось и различие их интересов. Зельдович занимался всей огромной областью астрофизической космологии с ее обилием наблюдательного материала, простором для приложения разнообразных методов физики и математики. Сахарова более занимала космогоническая космология.

Я. Б. Зельдович помимо специальных статей писал обзоры, популярные статьи и книги, в которых сам рассказывал о своих астрокосмологических идеях. У А. Д. Сахарова таких рассказов практически нет. Поэтому поясним, быть может, наиболее фундаментальную и успешную его космологическую идею.

Почти сразу после открытия того, что наша Вселенная расширяется, физики-теоретики, склонные к целостному взгляду на мир, пришли в глубокое недоумение. Им было ясно, что расширение Вселенной — это не просто некая астрономическая закономерность, а фундаментальный факт мироздания. Им было ясно, что космологическая теория должна опираться на физику. Но формально глядя на физический закон — уравнение Эйнштейна, из которого Фридман получил нестатическую космологию, было еще яснее, что само уравнение в равной мере описывает и расширение, и сжатие, и более сложные движения Вселенной. Иными словами, уравнение Эйнштейна симметрично по времени, или T-симметрично, а реально наблюдаемое (одно-единственное) поведение Вселенной явно не T-симметрично.

Кто же или что же отвечает за отбор из всех возможных космологических сценариев только одного? Не лежит ли в основе космологии такая физика, объединяющая и теорию относительности, и квантовую теорию, что основной закон этой физики тоже T-несимметричен?

Наиболее отчетливо эти соображения высказал еще в тридцатые годы М.П.Бронштейн, и он же впервые обнаружил, что эйнштейновский закон гравитации, управляющий расширением Вселенной, применим лишь ограниченно. Раз Вселенная расширяется, значит, вчера ее галактики были ближе друг к другу, чем сегодня, а позавчера — еще ближе. Если бы эйнштейновское уравнение было везде и всегда правильно, то в некий момент плотность вещества во Вселенной была бы бесконечно велика. Однако в физике бесконечность обычно говорит о каком-то неблагополучии. И в 1935 году Бронштейн обнаружил, что эйнштейновский закон гравитации неабсолютен, и в ситуациях, когда на сцену выходит Его Малейшество Квант, закон Эйнштейна надо исправлять. Происходит это, например, когда плотность вещества больше некоторой величины, составленной из констант c, G и h, — невообразимо большой и называемой планковской плотностью. Все это означает, что ключ к разгадке вселенского расширения надо искать в миллиарднолетнем прошлом Вселенной, или, как иногда выражаются, в ее первых мгновениях. И несколько десятилетий этот ключ таился в кромешной космологической тьме.

Загадка, однако, была заперта двумя ключами, и второй замок долгое время был незаметен. Хотя свет из этой замочной скважины проник в физику уже в начале тридцатых годов под именем «позитрон». Под именем ошибочным, скажем прямо — вводящим в заблуждение. Подобрать имя для новой частицы надо было попросить теоретиков, тем более что один из них предсказал эту частицу до ее экспериментального открытия. Они назвали бы ее просто антиэлектроном — это длиннее, но зато гораздо понятнее. Со всеми другими подобными частицами именно так и поступили. К шестидесятым годам античастиц наоткрывали уже достаточно для того, чтобы из них творить антимиры, писать о них стихи и фантастические романы, а главное — чтобы задать вопрос: если у любой частицы имеется свой антипод, симметрично противоположный двойник, то почему эти антиэлектроны, антипротоны, антинейтроны... встречаются так редко, а сделанные из них антизвезды и антигалактики глазу астрофизиков по сию пору не встречались? Неужели наш мир столь несимметричен?

Слово «симметрия» произнесено, и поскольку живет оно не только в физике, нетрудно понять, что симметрии бывают двух типов. Например, возьмем в руки колесо. Относительно оси колесо можно повернуть на любой угол, и в результате его положение не отличишь от исходного. Если же осью вращения сделать «спицу» колеса, то для совпадения с исходной конфигурацией надо совершить поворот ровно на 180 градусов, не менее. Первая симметрия называется непрерывной, а вторая — дискретной.

В физике действуют симметрии, не сводящиеся к пространственным, а в квантовой физике особую роль играют именно дискретные симметрии. Для физика созвучны слова «атомизм», «квантовость», «дискретность». А после того как выяснилось, что квантовая физика позволяет рождать частицы сразу, целиком, на авансцену вышли три дискретные симметрии.

С одной из этих симметрии мы уже познакомились, правда без всякой квантовости: T-симметрия поворачивает время вспять, заменяя везде t на -t и, значит, заменяя все скорости на противоположно направленные. Р-симметрия, наиболее геометрическая, превращает правую руку в левую, родинку с левой щеки переносит на правую, вращение волчка меняет на противоположное — короче, делает все, что делает с нашим миром любое зеркало. И наконец, самая непонятная — С-симметрия — любую элементарную частицу заменяет на ее античастицу.

Каждая из операций С, Р, Т похожа на взмах волшебной палочки. И в общем-то ниоткуда не следует, что после такого взмаха в физическом мире ничего не изменится. Из теории относительности удалось извлечь только то, что взмах сразу тремя палочками ничего в физике не меняет — это называется CPT-симметрией. А по отдельности?

Несколько десятилетий физики были уверены, что фундаментальные законы симметричны для любой из C, Р, Т волшебных палочек. Жить в таком мире физикам, конечно, было бы проще, но...

Представьте себе, что у человека правая и левая руки совершенно одинаковы. Делать перчатки таким людям, конечно, в два раза проще, но можно ли понять, что такое человек, игнорируя различие правой и левой рук (и геометрическое, и динамическое), различие правого и левого полушарий его мозга (образного и логического)? Простота бывает признаком гениального, но бывает и хуже воровства. Чрезмерное упрощение мира крадет у него красоту.

Уже в 30-е годы наиболее проницательные из теоретиков заподозрили нечто неладное в сочетании T-симметрии фундаментальной микрофизики и явной T-несимметрии в мегафизике, т.е. в космологии. Однако всему свое время, и довольно долгим было время раздельного развития микрофизики и мегафизики. Вопросов хватало в физике элементарных частиц и в космологии по отдельности. Симметрии же целиком достались микрофизике.

Первой, в 1956 году, дрогнула право-левая симметрия Р. Оказалось, что некоторые физические законы различают правое и левое. Это открытие было шокирующим, нобелевским и всего лишь «перволасточным». Физики не могли мириться с кособокостью мироздания и предположили, что воссоздать симметрию можно операцией СР, т.е. комбинированной симметрией. И в первых обнаруженных случаях Р-несимметрии это предположение оправдалось: от перемены правого на левое и одновременно частиц на античастицы физические явления не менялись.

Дальнейшее изучение мира элементарных частиц привело к неполноте СР-симметрии: обнаружились такие законы их жизни, которые нарушают и СР-симметрию. Остался только один всеобщий закон — CPT-симметрии, и он останется в силе, пока останется сама теория относительности. Однако согласно этому закону получалось, что микрофизика несимметрична относительно переворота стрелы времени. Всю микрофизику можно разделить на три области, вложенные одна в другую и другая в третью. Явления одной, самой доступной, области симметричны относительно С, Р и Т по отдельности, в другой действительны симметрии СР и Т, наконец, в самой удаленной от «уровня Земли» — только совместно СРТ.

Но все это микрофизика, все это относится к элементарным частицам. А в мегафизике в это же время теоретики ломали себе головы над тем, как могла бы космология развести подальше друг от друга миры и антимиры, чтобы они не соприкасались (и их аннигиляция не осветила Вселенную обжигающе ярким светом) и чтобы не пришлось гадать о Творце Вселенной — правша он или левша.

Легче всего было тем, кто был готов принять асимметрию мироздания как факт изначальный и всякие размышления на этот счет назвать досужими. Однако испокон веков были такие, кто в обнаруженной асимметрии упрямо искал симметрию более глубокую.

Среди таких и был А.Д.Сахаров. Он вывел CPT-симметрию из микромира на мегапросторы Вселенной, а точнее — в мегамикромир, поскольку речь идет о бурных событиях, происходивших с элементарными частицами по всей Вселенной в самые первые мгновения ее Большого Взрыва. И суть идеи Сахарова состояла в том, что наблюдаемые С-, Т-, Р-асимметрии Вселенной связаны с CPT-симметрией микрофизики. Конечно, суть не была голой: сколь ни важна роль скелета, для жизни организма нужны и другие составляющие. И основную, скелетную, идею Сахаров ввел в жизнь в совокупности с другими: несохранение барионного заряда и распад протона, гипотетические частицы с планковской массой и теория великого объединения... Названные идеи живут и развиваются уже два десятилетия — работа Сахарова положила начало важнейшему этапу в объединении физики микромира и мегамира.

Отличие этого этапа космологии от предыдущих в том, что прежде ключевые, освещающие путь идеи появлялись поодиночке, «на межгалактических расстояниях» друг от друга. Для нынешнего этапа характерна сцепленность, одновременная значимость сразу нескольких идей. И, соответственно, обсуждает проблемы космологии целое научное сообщество.

Одно такое обсуждение состоялось в конце 1979 года в малом зале теоротдела ФИАНа. Докладывал А.Д.Сахаров. Хотя до его высылки в Горький оставались считанные недели, речь шла исключительно о неземных делах. О супертяжелых Х-бозонах, о механизме несохранения барионного заряда в ранней Вселенной. Никаких объявлений о докладе не было, поэтому пришли только «свои». И еще один коренастый и подвижный, человек в свитере. Это был ЯБ — так называли Зельдовича не только его сотрудники.

Сахаров говорил о развитии идеи барионной асимметрии Вселенной, говорил, как всегда, неуверенным по звучанию голосом. Затем у доски вынырнул ЯБ и наоборот очень уверенным голосом стал говорить о трудных местах нового эскиза космологической картины, о том, как образовывались супертяжелые бозоны в сверхплотной Вселенной...

А кто-то, глядя на них, подумал о том, как образовалась такая большая плотность Героев Соцтруда — шесть у одной доски, как за полтора десятилетия до того оба академика вышли из закрытого мира Минсредмаша на просторы Вселенной. Первым — Я.Б. Зельдович, затем А.Д. Сахаров. Они жили по-разному в мире людей, но у обоих одной из важнейших составляющих жизни была Вселенная.