Когда физики в цене

Радунская Ирина Львовна

Предлагаемая гипотеза была основана на совсем новой, по тем временам, гипотезе кварков — истинно элементарных частиц. Создатели гипотезы Гелл-Манн и Цвейг в 1964 году предположили, что протон и нейтрон образованы комбинацией из трех кварков, а более простые частицы — мезоны — из кварка и антикварка.

Сахаров вводит наряду с двумя известными сохраняющимися, то есть неизменными, зарядами — электрическим и лептонным — третий, «комбинированный» заряд. Он пишет:

«Вселенную считаем нейтральной по сохраняющимся зарядам — лептонному, электрическому и комбинированному, но С-асимметричной в данный момент ее развития».

С-асимметрия,

заключающаяся в отсутствии в наши дни свободного антивещества, есть твердо установленный опытный факт. Это значит, что как в наше время, так и на протяжении длительной эволюции Вселенная состоит из протонов, из других барионов и лептонов, то есть из обычного вещества, а антивещество в ней отсутствует.

Сахаров поясняет:

«Возникновение С-асимметрии по нашей гипотезе является следствием нарушения CP-инвариантности при нестационарных процессах расширения горячей Вселенной на сверхплотной стадии…».

Обозначение «CP-инвариантность» выражает мысль о том, что замена частицы на античастицу остается незамеченной, если такую замену наблюдать при помощи зеркала (при непосредственном наблюдении такую замену легко обнаружить).

Сахаров продолжает:

«Мы относим возникновение асимметрии к ранним стадиям расширения…» (когда плотность частиц составляла около 10⁹⁸ в кубическом сантиметре, а плотность энергии в этом же объеме была приблизительно 10¹¹⁴ эргов — колоссальная, ни с чем не сравнимая плотность.)

В этих экстремальных условиях сохраняется лишь полная СРТ-симметрия, то есть процессы, при которых наряду с заменой частиц на античастицы и с изменением четности («отражением в зеркале») происходит также изменение направления течения времени.

Результатом этой гипотезы становится вывод о том, что протон — нестабильная частица. Потрясающий вывод! Вопреки общепризнанному в то время мнению, будто каждый протон вечен, Сахаров высказал убеждение, что время жизни протонов ограничено.

Заключительная фраза этой статьи:

«Время жизни протона оказывается очень большим (более 10⁵⁰ лет), хотя и конечным».

То, что физики не сразу осознали важность новой точки зрения на протон, можно объяснить только тем, что время жизни протона, оцененное Сахаровым как более 10⁵⁰ лет, не оставляло надежды на возможность опытной проверки предсказания.

Ситуация изменилась лишь через десятилетие, когда возникла теория Великого объединения. Название новой теории отражает ее главный результат: она показала, что при чрезвычайно высокой температуре три типа взаимодействий элементарных частиц — электромагнитное, слабое и сильное — сливаются воедино. Теория Великого объединения позволила уточнить оценку времени жизни протона. Новая оценка отводила для распада индивидуального протона «всего» 10³⁰ лет. Вспомним, что возраст Вселенной составляет, по разным оценкам, 10–15 х 10¹⁰ лет.

С первого взгляда кажется, что при таком возрасте Вселенной нельзя проверить опытом и новую оценку времени жизни протона — 10³⁰ лет. Но это не так. Физики преодолели все трудности, наблюдая одновременно за 10³¹ и даже за большим количеством протонов. Однако пока не удалось надежно зафиксировать ни одного распада протона. Это заставило уточнить расчеты.

Новый результат гласил: время жизни протона составляет 10³¹ лет. Экспериментаторы увеличили размеры установок. Теперь оценка среднего времени жизни протона — более 10³² лет. Но никто не сомневается в справедливости предсказания Сахарова. Вопрос лишь в том, когда удастся зафиксировать распад протона и какова окажется его истинная долговечность?

Не менее вещим было предсказание, что в первые моменты расширения Вселенной, в адской жаре того времени, нарушалась СРТ-инвариантность, то есть безусловное в наши дни течение времени от прошлого к будущему. Течение, приводящее к тому, что одновременная замена частиц античастицами не может быть замечена, если до такой замены смотреть непосредственно на частицы, а после замены — на их зеркальное отражение.

28 августа 1967 года редакция журнала «Доклады Академии наук» получила еще одну короткую заметку Сахарова «Вакуумные квантовые флуктуации в искривленном пространстве и теория гравитации». В ней он возвратился к исследованию флуктуации вакуума. Теперь его интересует связь флуктуации с природой гравитационного поля.

Эйнштейн многократно говорил и писал, что Общая теория относительности есть, по существу, теория гравитации. Он указывал также, что теория имеет дело с макромиром, с Вселенной, а в микромире она нуждается в уточнении, в учете квантовой природы микромира. Без такого уточнения, писал он, невозможно объяснить длительное существование атомов. Здесь имеется, считал Эйнштейн, глубокое подобие с электродинамикой: без учета квантовых процессов невозможно объяснить, почему атомы не разрушаются вследствие потерь энергии — ее уносят электромагнитные волны, излучаемые атомами. Точно так же атомы должны были бы терять энергию на излучение гравитационных волн, но этому излучению, считал Эйнштейн, препятствуют квантовые эффекты. Устойчивость атомов требует учета квантовых процессов при излучении гравитационных волн.

Сахаров пишет, что в Общую теорию относительности входит некоторая сила, препятствующая искривлению пространства. Эта сила аналогична упругости, которая в обычной механике препятствует, например, искривлению плоской пружины.

Именно упругость становится причиной того, что искривление пространства можно обнаружить только в двух случаях. Во-первых, в непосредственной близости к очень массивным телам (например, вблизи Солнца; даже вблизи таких тел, как Земля, невозможно обнаружить искривление пространства: здесь пространство с большой точностью обладает эвклидовой геометрией и свет распространяется прямолинейно) и, во-вторых, при очень больших расстояниях.

Эйнштейн, по-видимому, не выявил упругости пространства, скрытой в Общей теории относительности и поэтому не рассмотрел причину ее появления.

Сахаров выдвигает неожиданную гипотезу о том, что в основе упругости пространства лежат квантовые флуктуации вакуума. Они возникают вследствие флуктуации полей и постоянного возникновения и исчезновения виртуальных частиц. Такие частицы нельзя наблюдать непосредственно, но их существование бесспорно проявляется в экспериментах, например в сдвиге спектральных линий атомов водорода.