Воспоминания

Сахаров Андрей Дмитриевич

Распад икс-бозона может происходить по двум каналам – на антикварк и позитрон или на два кварка; соответственно, анти-икс может распадаться на кварк и электрон или на два антикварка. Это та самая ситуация, о которой писал Окубо. Суммарная вероятность распада икс равна суммарной вероятности распада анти-икс. Но при распаде икс образуется больше пар кварков, чем при распаде такого же количества анти-икс – пар антикварков. А также образуется меньше антикварков и позитронов, чем кварков и электронов при распаде анти-икс. Существенно, что распад икс происходит неравновесно, с «запаздыванием». В противном случае барионная асимметрия, по общим теоремам, не могла бы образоваться. (Нагляднее всего исходить из теоремы, установленной еще в ХIХ веке американским физиком Д. Гиббсом, согласно которой вероятность какого-либо состояния в равновесии однозначно

определяется его энергией, одинаковой для частиц и античастиц в силу СРТ-симметрии.) На дальнейших стадиях космологического расширения Вселенной происходит аннигиляция антикварков с кварками, затем – слияние избыточных кварков в барионы, а избыточные электроны еще позже входят в состав атомов. Так возникает вещество. Космологические следствия GUT были поняты большинством физиков не сразу.

Мне же, конечно, следовало сразу ухватиться за GUT. К сожалению, я не сразу понял идеи GUT и не сумел принять участия в их развитии. Об одном своем заблуждении, сыгравшем тут роль, я расскажу чуть ниже.

В 1976 году я был на международной конференции по физике элементарных частиц в Тбилиси. В перерыве между докладами ко мне подошел один из иностранных участников и спросил, правда ли, что у меня есть работа, в которой я рассматриваю распад протона в предположении дробных зарядов кварков. Я сказал, что такая работа была у меня 10 лет назад, но что сейчас мне больше нравится теория Пати и Салама, в которой кварки обладают целым зарядом и поэтому нестабильны и ненаблюдательны. Мой собеседник вежливо раскланялся и отошел. А через день я понял, что я зря как бы отрекся от своей работы и зря высказался в пользу кварков с целыми зарядами.

На самом деле уже тогда можно было быть почти уверенным, что гораздо более красивая теория дробно заряженных кварков соответствует действительности. Дальнейшее развитие только подтвердило эту картину, включающую так называемую квантовую хромодинамику – динамическую теорию сильных взаимодействий. Согласно этой теории кваркам приписывается дополнительная степень свободы, называемая условно цветом, – отсюда название. Квантовая хромодинамика (английское сокращение QCD) имеет большие успехи в описании масс адронов и других их свойств. Характерная ее особенность – удержание кварков: их нельзя извлечь из бариона или мезона, подобно тому, как электрон извлекается из атома. Причина – образование «струны», удерживающей кварк с силой, не падающей с расстоянием.

Я пытался найти своего собеседника на конференции в Тбилиси, чтобы исправить допущенный промах, но, не зная его фамилии, – не смог.

В 1977 году А. Ю. Игнатьев, Н. В. Красников, В. А. Кузьмин и А. Н. Тавхелидзе в докладе на международной конференции и в 1978-м М. Иошимура в получившей большую известность работе сделали то, что мог бы сделать, но не сделал я – связали теорию GUT с барионной асимметрией Вселенной. Эти работы произвели большое впечатление и вызвали множество новых исследований, в которых, в частности, была выяснена описанная роль частиц икс и других бозонов, так называемых скаляров Хиггса. Среди авторов: Кузьмин, Игнатьев, Шапошников, Красников, Вейнберг (S. Weinberg), Нанопулос (D. V. Nanopoulos), Тамвакис (K. Tamvakis), Зусскинд (L. Susskind), Димопулос (S. Dimopoulos), Тернер (M. Turner), Туссант (D. Toussant), Трейман (S. Treiman), Вилчек (F. Wilczek), Зи (A. Zee) и многие другие; я могу не знать некоторых авторов и многие работы.

После этих работ нестабильность протона, которая раньше рассматривалась как вероятный недостаток GUT, теперь стала ее важным преимуществом (я-то это понимал и раньше).

Появились и другие работы, в которых выявились новые аспекты связи физики элементарных частиц и космологии. Несомненно, эта связь – одна из примечательных особенностей современной науки. Сыграла ли моя работа 1967 года какую-либо роль в инициировании этого научного процесса? Прямых доказательств у меня нет. Иошимуре, видимо, моя работа была неизвестна. Но все же мне хотелось бы думать, что косвенно моя работа как-то повлияла на формирование научного мнения в те 10 лет, которые отделяют ее появление от работы Иошимуры.

В заключение я хочу рассказать об одном моем заблуждении, которое сильно помешало мне своевременно правильно оценить работу Джорджи и Глешоу и другие работы по GUT и барионной асимметрии и нашло отражение в моих работах.

В квантовой теории элементарных частиц известны два метода описания элементарных частиц со спином 1/2 (фермионов). Один из этих методов, исторически

первый, принадлежит Дираку, это «теория дырок», в которой античастицы рассматриваются как вакансии («дырки») в ненаблюдаемом море частиц отрицательной энергии. Другой метод – квантовой теории поля – рассматривает частицы и античастицы равноправно. Я считал, что необходимо ограничиваться такими теориями, в которых применимы оба метода и они эквивалентны. Большинство теорий, рассматривавшихся до сих пор, удовлетворяли этому критерию. Из теории «дырок» следует закон сохранения общего числа фермионов, и никак нельзя допустить такого процесса, как распад икс-бозона на два кварка. Поэтому я с сомнением относился к теории Джорджи – Глешоу, а в качестве механизма распада протона предполагал распад на три лептона (каждый кварк превращается в лептон), с выполнением закона сохранения числа элементарных фермионов (кварков и лептонов). Но теперь (в момент, когда я это пишу) мне кажется, что все это построение – заблуждение. Нет никакого закона сохранения числа фермионов, так как опыты по проверке принципа эквивалентности не обнаруживают никакого поля, сопутствующего фермионам. А значит, не надо требовать эквивалентности «теории дырок» и метода квантовой теории поля. Наиболее правдоподобной тогда оказывается теория GUT с возможным распадом протона на позитрон (в некоторых вариантах теории – преимущественно мю-плюс-мезон) и гамма-кванты (но тоже без нового точного закона сохранения разности числа барионов и лептонов, который предполагается в некоторых вариантах GUT) и с объяснением барионной асимметрии Вселенной через распад бозонов по двум конкурирующим каналам в качестве главного механизма.

Обидно, что из-за этих (и других) заблуждений я не смог довести до конца одну из лучших своих работ!

У работы 1967 года, наряду с фотонно-барионным отношением, была и еще одна предпосылка – гипотеза о «космологической СРТ-симметрии». Я предположил, что все процессы во Вселенной СРТ-симметричны относительно точки бесконечной плотности. Это – один из возможных ответов на вопрос, что было до момента «начального» состояния бесконечной плотности. Дальнейшее обсуждение СРТ-отражения – в моей работе, опубликованной в 1980 году1. Космологическое СРТ-отражение – это единственная возможность тождественного обращения времени, в соответствии с теоремой Паули–Людерса. Надо ли требовать именно тождественного обращения – отдельный вопрос, на который я не знаю ответа.

Из космологической СРТ-симметрии с необходимостью следует точное равенство нулю начальных значений всех сохраняющихся зарядов (формальное доказательство – в статье 1980 года, но по существу это ясно и так), тем самым – динамическое происхождение барионной асимметрии. Для меня именно эта предпосылка была главной. Теперь она уже не кажется мне таковой. По-прежнему будучи уверен в динамическом объяснении барионной асимметрии, я сомневаюсь в гипотезе СРТ-отражения, более того – я считаю ее неверной.

Я считаю также теперь, что нарушение СР-симметрии не заложено в основных уравнениях теории, а есть следствие некой неустойчивости СР-симметричных решений, это так называемое спонтанное нарушение симметрии, предполагаемое теоретиками для очень многих свойств симметрии. Если это так, то во Вселенной могут возникнуть области с разными знаками СР-симметрии и, соответственно, – с разными знаками барионной асимметрии. Размеры барионных и антибарионных областей для согласия с наблюдениями должны быть гигантскими (миллиарды световых лет в нашу эпоху). Подчеркну, что это совсем другая картина, чем та, которая предполагалась в старых гипотезах с пространственным разделением вещества и антивещества из зарядово-нейтральной плазмы.

В модели замкнутой Вселенной суммарные объемы барионных и антибарионных областей в теории со спонтанным нарушением симметрии могут быть различными. В частности, не исключено, что наблюдаемая нами область охватывает всю Вселенную.

Несколько слов о дальнейшем развитии проблемы барионной асимметрии Вселенной. Возникновение барионной асимметрии, сопровождающееся нарушением закона сохранения барионного заряда, является абсолютной необходимостью в теории раздувающейся Вселенной. Даже если до раздувания плотность сохраняющегося барионного заряда была отлична от нуля, в ходе раздувания она уменьшилась бы до пренебрежимо малой величины, гораздо меньшей, чем наблюдаемая плотность. Сам факт существования барионной асимметрии свидетельствует об отсутствии в природе закона сохранения барионного заряда (сейчас это единственное свидетельство).