Андрей Сахаров - Воспоминания

Третьей группе гипотез начало положено, по-видимому, мной (подробней, однако, смотри ниже — в вопросах приоритета всегда существуют нюансы). В 1966 году я высказал предположение о возникновении наблюдаемой барионной асимметрии Вселенной (и предполагаемой лептонной асимметрии) на ранней стадии космологического расширения из зарядово-нейтрального начального состояния, содержащего равное число частиц и античастиц. Работа была опубликована в 1967 году («Письма в ЖЭТФ», 1967, т. 5, вып. 1).[94]

Такой процесс возможен, только если:

1) закон сохранения барионного (и лептонного) заряда не является точным и нарушается при высоких температурах на ранней стадии космологического расширения (причем так, что не возникает противоречия с наблюдаемым большим временем жизни бариона при обычных температурах!);

2) различны вероятности образования частиц и античастиц при неравновесных процессах при начальном зарядово-симметричном состоянии.

Начну с обсуждения второй предпосылки. В 1966 году она уже не была гипотезой, а следовала из сенсационных экспериментов по распаду нейтральных ка-мезонов, осуществленных двумя годами ранее Крониным, Кристенсеном, Фитчем и Терлеем. Обнаруженный ими распад долгоживущего нейтрального ка-мезона (ка-лонг) на два пи-мезона свидетельствовал о нарушении CP-инвариантности (я ниже разъясню этот термин и связь с различным образованием частиц и античастиц). До указанных авторов распад ка-лонг на два пи-мезона пыталась обнаружить группа советских физиков во главе с Подгорецким, но у них в распоряжении был слишком слабый пучок ка-мезонов, и они смогли установить лишь верхний предел вероятности искомого распада, равный, по их оценкам, примерно одной сотой от полной вероятности распада (пишу по памяти). Потом оказалось, что искомый эффект составляет около одной пятисотой. Подгорецкий и его товарищи были так близки к цели![95]

Открытие нарушения CP-инвариантности завершило тот путь пересмотра законов симметрии при «отражениях», который был начат в 1956 году Ли и Янгом (оба они — китайцы по происхождению, работали в США; за работу 1956 года им была присуждена Нобелевская премия; с точки зрения психологии научной работы интересно, что одновременно со статьей по «отражениям» они проводили изящные и трудоемкие вычисления по другой, гораздо менее известной работе по статистической физике и уделяли ей не меньше внимания; Янгу, совместно с Миллсом, принадлежит еще одна фундаментальная работа — о так называемых калибровочных полях). До Ли и Янга в физике элементарных частиц считалось самоочевидным и бесспорным, что существует три точных дискретных симметрии (слово «дискретная» тут антоним слова «непрерывная»; пример непрерывной симметрии — симметрия относительно вращения шара или цилиндра):

1) Симметрия относительно так называемого P-отражения (пространственного), эквивалентного отражению в зеркале (т. е. предполагалось, что все, что мы видим в зеркале, может происходить и в реальном мире).

2) Симметрия относительно C-отражения, отображающего частицы в античастицы. Другое название C-отражения — зарядовое сопряжение, так как заряды (электрический, барионный, лептонный) частиц и античастиц противоположны. Все процессы с участием античастиц, согласно этому предположению, должны происходить так же, как процессы с частицами.

3) Симметрия относительно T-отражения, меняющего направление процесса на обратное, превращающего, например, распад частицы на две частицы в их слияние.

Идея Ли и Янга была необыкновенно смелой и плодотворной. Они высказали мысль, что все эти симметрии являются приближенными; в особенности они подчеркнули, что в слабых взаимодействиях, возможно, сильно нарушаются P-симметрия и C-симметрия, а в сильных, гравитационных и электромагнитных взаимодействиях симметрии не нарушаются. Эта идея имела огромное значение для всей физики элементарных частиц, стимулировала множество экспериментальных и теоретических исследований.

Еще за несколько лет до этого Паули и Людерс установили, что из основных принципов квантовой теории поля следует симметрия относительно совместного преобразования C, P и T (так называемая CPT-симметрия). Затем этот вывод был сильно подкреплен другими авторами. Поэтому физики имеют некий рубеж, дальше которого им, по всей вероятности, отступать не придется. Но сначала была сделана попытка «закрепиться на промежуточном рубеже». Ряд авторов, среди них Ландау и Салам, высказали предположение, что точной симметрией является «комбинированная симметрия» CP. Предпосылка, из которой при этом исходил Ландау — равенство нулю массы нейтрино, — по-видимому, неправильна. Но сама идея оказалась плодотворной, и вскоре на ее основе была построена теория слабых взаимодействий (для процессов с изменением заряда частиц, в частности — бета-распада), хорошо согласующаяся с опытом.

CP-симметрия (или инвариантность — это синоним) означает, что любой процесс с античастицами происходит так же, как процесс с частицами, если античастицы расположены и двигаются в пространстве зеркально-симметрично по сравнению с частицами. Как следствие, полная вероятность любой реакции превращения частиц одинакова для частиц и античастиц (таким образом, для проблемы барионной асимметрии следствия CP-симметрии были бы такими же, как C-симметрии).

Между тем, червь сомнения, порожденный Ли и Янгом, продолжал свою работу… Начались проверки «комбинированной» CP-симметрии (можно сказать, частично комбинированной, если CPT-инвариантность называть полно комбинированной). При этом одновременно решалась судьба T-инвариантности — в силу CPT-теоремы Паули–Людерса, либо одновременно и CP и T симметрии точные, либо обе эти симметрии приближенные.

Физики усиленно искали явления, в которых происходит нарушение CP-симметрии и T-симметрии. Как я уже писал, таким явлением оказался распад ка-лонг-мезона на два пи-мезона. Я не буду объяснять, почему этот распад свидетельствует о нарушении CP-симметрии. Через несколько лет было открыто другое явление, где нарушение CP-симметрии и отличие частиц от античастиц проявляются более наглядно. Среди многих способов распада ка-лонг-мезона существуют два способа (как говорят — два канала), являющиеся CP- или C-отражением друг друга, — распад на пи-плюс-мезон, электрон и нейтрино и распад на пи-минус-мезон, позитрон и антинейтрино (мы будем интересоваться полными вероятностями каждого канала, поэтому CP- и C-симметрии для нас эквивалентны).

Оказалось, что полные вероятности распада по этим двум каналам отличаются на 0,6%! Это как раз эффект того типа, который был мне необходим для объяснения возникновения барионной асимметрии Вселенной из нейтрального состояния.