Яков Зельдович - "Возможно ли образование Вселенной «из ничего»?"
Первый процесс успешно осуществляется на атомных электростанциях. Второй происходит в звездах. В несколько измененной форме (начиная не с начала и не доходя до конца) второй процесс реализуется при слиянии ядер дейтерия и трития с образованием 4Не и нейтрона и в будущем станет источником термоядерной энергии на Земле. Но общим для обоих процессов является использование малой доли - менее 1 % - полного запаса энергии горючего.
Полный запас энергии, следуя закону эквивалентности Эйнштейна Е = Мс2, равен 9•1013 Дж на 1 г вещества.
Отмена закона сохранения барионного заряда означала бы принципиальную возможность прямого распада протона р = е- + энергия или р = е+ + энергия.
Итак, протон - свободный или связанный в ядре - мог бы быть нестабильным и распадаться с выделением огромной энергии, если бы не было закона сохранения барионного заряда. Огромное современное значение этого закона сохранения очевидно.
То же относится и к рождению Вселенной “из ничего”.
Барионный заряд “ничего”, очевидно, равен нулю. Если барионный заряд сохраняется, то вся Вселенная, родившаяся “из ничего”, должна иметь нулевой барионный заряд, т. е. равное количество вещества и антивещества. Так и думали те, кто первыми в начале 60-х годов высказывали идею рождения Вселенной. Они полагали, что рождается Вселенная с равным количеством барионов и антибарионов, т. е. с равным количеством вещества и антивещества. Но если вещество и антивещество в равном количестве равномерно размещены в пространстве (т. е. их плотность одинакова в каждой точке), то при охлаждении они полностью аннигилируют. К тому же нет механизма, который мог бы их разделить; тяготение стягивает вещество и антивещество одинаково.
Рождение Вселенной такой, какой мы ее наблюдаем, возможно лишь в том случае, если закон сохранения барионного заряда может быть нарушен *. Не повторяя увлекательную, но сложную трактовку вопроса, резюмируем посвященные ему статьи.
* О возможном нарушении этого закона и экспериментальном поиске нарушения подробнее см: Зельдович Я. Б., Долгов А.Д. Вещество и антивещество во Вселенной // Природа. 1982. № 8. С. 33-45; Березинский В. С. Объединенные калибровочные теории и нестабильный протон // Природа. 1984. № 11. С. 24-38.
Электрический заряд обязан сохраняться постольку, поскольку справедливы уравнения Максвелла, не допускающие несохранения этого заряда. Иными словами, связь электрического заряда с электромагнитным полем автоматически приводит к сохранению электрического заряда.
Однако не существует поля, которое играло бы подобную роль в случае барионного заряда. Убежденность в сохранении барионного заряда основывалась только на эксперименте.
Каждый эксперимент по необходимости имеет ограниченную точность. Абсолютизируя результаты опыта, физики до 60-х годов молчаливо предполагали, что в мире элементарных частиц не должно быть слишком больших количественных различий.
Когда нейтрон распадается, превращаясь в протон (b-распад), среднее время распада около 1000 с. Казалось, что природа (с маленькой буквы, т. е. не тот уважаемый журнал, где будет помещена данная статья) должна выбирать между двумя крайностями: либо сравнительно быстрый распад, по аналогии с (b-распадом нейтрона, либо совсем никакого распада, как в случае абсолютно стабильного электрона. Третий - промежуточный - случай медленного распада до 60-х годов казался неэстетичным и крайне маловероятным.
Вкусы изменились, увеличилась храбрость теоретиков, выступающих в настоящее время под лозунгом: все, что не запрещено, существует, и в частности протон может распадаться.
Однако положение и сейчас остается драматическим: усилиями экспериментаторов нижняя граница времени жизни протона доведена до 1032 лет, но распад все еще не обнаружен. Экспериментальная ситуация подробно описана В. С. Березинским *.
* См. предыдущую сноску.
В его статье не хватает только одного соображения: сегодня убежденность в несохранении барионного заряда основывается в значительной степени на том, что Вселенная содержит вещество и не содержит антивещества. При этом приходится привлекать еще различие свойств частиц и античастиц, а также нарушение термодинамического равновесия, возникающее вследствие расширения Вселенной. (Впервые это отмечено в работе А. Д. Сахарова в 1967 г. *).
* Сахаров А. Д. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной // Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35. (Прим. ред.)
Из оценок в таких теориях с несохранением барионного заряда получается, что число протонов и нейтронов в миллиард раз меньше числа фотонов или нейтрино. Главное же состоит в том, что сейчас ясно понято различие между электрическим и барионным зарядами. Кроме того, физическая общественность в целом (или, во всяком случае, физики-теоретики) избавились от страха перед большими числами. Если время жизни протона 1040 лет (что, по-видимому, на очень многие годы останется недоступным для проверки в прямых экспериментах), то понадобится предположение о процессах в горячей Вселенной, идущих при температуре порядка 1017 ГэВ (1030 К), столь же недоступной для ускорителей *. Пока не видно, какие косвенные опыты могли бы дать ответ.
* Время жизни протона tр обратно пропорционально четвертой степени массы тяжелого бозона Мx4 в теории "Великого объединения". Поэтому если при Мx ~ 1015 ГэВ tр ~1031-37 лет, то при Мx ~ 1017 ГэВ tр ~1039-40 лет. (Прим. ред.)
Возникла ситуация, которую высоко ценят астрономы: именно астрономические данные указывают путь физикам, как это было со скоростью света и законом тяготения Ньютона. Существование Вселенной, заполненной веществом, является пока единственным, но очень веским доказательством несохранения барионного заряда!
СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ
Обратимся к закону сохранения энергии для Вселенной как целого. Напомним, что энергия покоящейся частицы эквивалентна ее массе, Е = Мс2. Сохранение энергии покоя - это есть и сохранение массы.
Немного истории: Дж. Дальтон и У. Праут обратили внимание на то, что многие атомные веса выражаются целыми числами. Отсюда, естественно, последовала гипотеза, что все ядра сложены из одинаковых единичных кирпичиков. Однако тот факт, что заряд ядра не пропорционален его весу, привел к выводу, что есть две модификации таких кирпичиков - протоны и нейтроны, отличающиеся зарядом при почти одинаковой массе. Здесь мы несколько отклонились от исторической последовательности, опустив мрачный период, когда ядра строили из протонов и электронов. Грубо говоря, электроны (в силу соотношения неопределенности) не влезают, не помещаются в ядре. Первые правильные идеи о существовании нейтронов высказывались в-виде гипотезы еще в начале 20-х годов, научное доказательство существования нейтронов пришлось на 30-е годы, а в 1945 г. были Хиросима и Нагасаки. В очень кратком изложении мы опустили открытие изотопов и весьма точное определение атомных весов отдельных изотопов.
В итоге, с одной стороны, подтвердилась теория единообразного строения ядер из протонов и нейтронов, с другой стороны, первый аргумент в ее пользу - целые атомные веса изотопов - оказался неточным. Такова диалектика развития науки. Но теперь неточность целых весов изотопов приобрела другой, тоже глубокий смысл.
Из того факта, что вес одного атома гелия на 0,6 % меньше веса четырех атомов водорода, астрономы сделали вывод, что водород превращается в гелий в недрах звезд и при этом 0,6 % массы (0,006•с2 = 5,4•1018 эрг/г) превращается в энергию излучения звезд. Особенно стоит подчеркнуть, что вывод этот был сделан задолго до того, как развитие ядерной физики показало конкретные пути такого превращения'.
Этот экскурс в ядерную физику нужен нам был для того, чтобы сказать, что и энергия тяготения, выделяясь в том или ином виде, также приводит к уменьшению массы целого по сравнению с массой совокупности частей. Масса нейтронной звезды на 10-15 % меньше суммы масс составляющих ее частиц. Именно эта разность масс является источником энергии взрыва сверхновой, который сопровождает образование нейтронной звезды, даже несмотря на то, что очень большую долю этой энергии уносят нейтрино.
Наверное, не случайно В. Гейзенберг - один из крупнейших физиков нашего века - озаглавил свою автобиографию "Часть и Целое" (Der Teil und das Ganze). Появление новых свойств у целого при сложении частей - один из глубочайших вопросов науки,
Есть ли предел у той доли массы, которую тяготение превращает в энергию? Еще в 1962 г. я показал, что такого предела нет. Тело большой массы - больше 2-3 масс Солнца - достигает большой плотности естественно, в ходе эволюции звезды. Тело малой массы может достичь большей плотности, только преодолев чрезвычайно высокий барьер. Реально, железная гиря массой 1 кг устойчива - и все же любопытно, что, затратив предварительно огромную энергию сжатия Е, можно получить при последующем сжатии энергию Е+ +999 г•с2, т. е. превратить 999 г массы в энергию. Масса гири при этом уменьшится до 1 г при невообразимо малом ее размере порядка 10-28 см. С этим замечанием у меня связаны очень грустные воспоминания: эти соображения были последними, которыми я успел поделиться со своим учителем Л. Д. Ландау за несколько дней до постигшей его катастрофы...
