Геннадий Горелик - Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Сахарову, во всяком случае, было «трудно представить себе», что изначально, по природе вещей, на 1 000 000 000 фотонов приходилось столько же антибарионов, а барионов всего на одну штуку больше — 1 000 000 001. Такие изначальные соотношения, пояснял Сахаров, «режут глаз»: «Именно это обстоятельство (как видит читатель, из области интуиции, а не дедукции) и было исходным стимулом для многих работ по барионной асимметрии, в том числе и моей».

Было оно стимулом и для Стивена Вайнберга, нобелевского лауреата, написавшего в своей книге о ранней Вселенной «Первые три минуты»:

Число барионов, приходившееся на один фотон, могло вначале иметь какую-то разумную величину, возможно, близкую к единице, а затем могло упасть до нынешнего малого значения из-за образования многих фотонов. Загвоздка здесь в том, что никому не удалось предложить механизм образования таких лишних фотонов. Я сам пытался что-нибудь придумать в этом роде, но безуспешно.

Лишь помянув некие «нестандартные возможности», Вайнберг принял барионную асимметрию как факт, не поддающийся объяснению.

К выходу книги Вайнберга на русском языке в 1981 году стало ясно, что зря он проигнорировал нестандартную возможность, открытую Сахаровым в 1967-м. Этой возможности посвятил специальное дополнение Зельдович, под редакцией которого выходил русский перевод книги. Но и сам Зельдович, первым узнавший о сахаровской идее, долго считал ее слишком нестандартной, чтобы быть правильной. Сахаров вспоминает их разговор 1967 года:

Яков Борисович спросил, какая из моих чисто теоретических работ больше всего мне нравится. Я сказал: «Барионная асимметрия Вселенной». Он как-то весь сморщился, сжался: «Это та работа, где барионный заряд не сохраняется и время течет в обратную сторону?» — «Да, та самая». Зельдович промолчал, но было ясно, что он сильно сомневается в ценности этих моих идей.

Эти идеи Сахаров изложил в надписи на экземпляре статьи, подаренной близкому коллеге:

О чем говорит этот научно-популярный стишок?

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: