Андрей Сахаров - Воспоминания

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 CPT-симметрии». Я предположил, что все процессы во Вселенной CPT-симметричны относительно точки бесконечной плотности. Это — один из возможных ответов на вопрос, что было до момента «начального» состояния бесконечной плотности. Дальнейшее обсуждение CPT-отражения — в моей работе, опубликованной в 1980 году.[97] Космологическое CPT-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 CPT-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 CPT-отражения, более того — я считаю ее неверной.

Я считаю также теперь, что нарушение CP-симметрии не заложено в основных уравнениях теории, а есть следствие некой неустойчивости CP-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 CP-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).

С другой стороны, объяснение образования барионной асимметрии в теории раздувающейся Вселенной встречается с некоторой трудностью. Ведь если образование избытка кварков над антикварками произошло до раздувания, то этот избыток тоже будет распределен на гигантский объем. Избыток кварков над антикварками обязательно должен образоваться после раздувания. Между тем совершенно не ясно, достаточно ли была высока после раздувания температура для того, чтобы могли образоваться икс-бозоны (в некоторых вариантах теории раздувания температура относительно мала). Возможный выход из этой трудности заключается в том, что барионная асимметрия может пережить опасный период в «скрытом» состоянии — в виде обладающих барионным зарядом скалярных частиц, существование которых предполагается в теории суперсимметрии (работа Я. Аффлека и М. Дайна).

В последние годы важными явились работы А. Ю. Игнатьева, В. А. Кузьмина и М. Е. Шапошникова. Основываясь на работе Хофта о нарушении барионного заряда в объединенной теории электрослабого взаимодействия, они нашли, что такое нарушение происходит при температуре, гораздо меньшей, чем необходимо для образования икс-бозонов. При этом процессы превращения частиц происходят почти равновесно, барионная асимметрия, возникшая на более ранней стадии, уменьшается (с одновременным образованием избытка антинейтрино).

С гипотезой космологической CPT-симметрии связано название моей популярной статьи «Симметрия Вселенной», которую я написал в 1965 году по предложению редакции сборника «Будущее науки».[98] Статью для сборника я писал одновременно со статьей для научного журнала, это было очень полезно для моей работы (все основные научные идеи пришли мне в голову, когда я писал популярную статью!!!). Но я не знаю, удался ли мой научно-популярный дебют. Боюсь, он был не очень понятен даже специалистам; во всяком случае, я не знаю никаких отзывов ученых на эту статью (хотя она была перепечатана одним немецким научно-популярным журналом).