Сахаровский сборник - Бабенышев Александр Петрович
Теория элементарных частиц и космология переживают сейчас период бурного развития. По образному выражению И.Е. Тамма, они находятся на переднем крае современной физики. Гигантский прогресс экспериментальной техники позволил за сравнительно короткий отрезок времени (условно — двадцать лет) накопить множество новых опытных фактов. Некоторые из них несомненно должны рассматриваться как крупные открытия, заставляющие существенно пересматривать научные представления, казалось бы — весьма прочно установленные. Укажем некоторые примеры. В космофизике: реликтовые излучения, представляющие собой след процессов, происходивших в первые мгновения существования мира; открытие пульсаров — нейтронных звезд и, возможно, наблюдение черных дыр в двойных системах звезд (правда, по вопросу о черных дырах, насколько мне известно, мнения ученых несколько расходятся). В физике частиц: несохранение CP-четности, "очарованные" частицы, ипсилон — частицы, тяжелые лептоны. Список этих примеров далеко не полный и приведен лишь для иллюстрации.
Такой поток открытий весьма стимулирует теоретическую мысль, заставляя ее заново переосмысливать фундаментальные научные проблемы. При этом развитие теории отнюдь не подчинено прогрессу в эксперименте. Если бы теория лишь следовала за экспериментом, пытаясь объяснить новые данные, думаю, что никакое развитие науки было бы невозможно. Теория развивается по своим внутренним законам. При этом теоретическая картина мира часто оказывается неподтвержденной (а иногда и противоречащей) существующими в данное время экспериментальными данными. (Таких примеров было много. Один из наиболее ярких — общая теория относительности.) Тем не менее "хорошая" теория выживает и сама оказывает влияние на последующее направление экспериментальных работ. В дальнейшем теория и эксперимент в большей или меньшей степени приходят в согласие друг с другом.
В результате такого развития науки возникает весьма своеобразная картина. С одной стороны, формулируются весьма общие принципы, управляющие колоссальным множеством физических явлений. С другой стороны, возникают фундаментальные проблемы, решение которых в значительной степени меняет картину науки. Как правило, такие проблемы возникают там, где фундаментальные принципы вступают в противоречие друг с другом.
В физике частиц наиболее общие принципы имеют форму законов сохранения тех или иных физических величин. Решение некоторых весьма трудных задач иногда состоит в отказе от абсолютно точного выполнения закона сохранения.
В основе современной космологии лежит общая теория относительности Эйнштейна, то есть теория гравитационного поля. Структура гравитационного поля выражается в терминах геометрии четырехмерного пространства — времени или, как говорят, Мира. Такой геометрический подход отражает весьма глубокие свойства гравитационного поля. Хорошо известно, что все тела в поле тяжести Земли движутся по одинаковым траекториям, независимо от их массы. Отсюда видно, что движение в поле тяжести имеет геометрический характер. Теория относительности является далеко идущим обобщением этого факта. Из этой теории следует, что, пока гравитационное поле слабое (например, поле Земли в этом смысле весьма слабое), геометрия пространства мало отличается от геометрии Евклида. Когда же поле становится сильным, геометрия пространства-времени кардинально меняется. Одним из выводов теории относительности является то, что весь мир как целое возник в результате "Большого взрыва" примерно 10 миллиардов лет тому назад. В момент "Большого взрыва" и сразу после него геометрия пространства была весьма непохожа на то, что мы сегодня видим вокруг. Физические условия в то время тоже весьма отличались от земных — плотность вещества и температура были огромными (теоретически — бесконечными). Могли идти такие физические процессы, которые абсолютно невозможны в земных условиях и даже в недрах Солнца или обычных звезд.
Весьма примечательной особенностью современной картины мира является то, что проблема микромира (теории элементарных частиц) и проблема космологии (теории Мира как целого) пересекаются друг с другом. Как раз в моменты сразу за "Большим взрывом" физические процессы, управляющие эволюцией вселенной, существенно определяются законами, установленными в физике элементарных частиц. На стыке этих двух полюсов науки возникают исключительно интересные научные проблемы и результаты.
Некоторые из этих проблем интересовали Андрея Дмитриевича Сахарова. Решая их, Андрей Дмитриевич старался опираться на самые общие принципы в данной области науки. Такой метод чрезвычайно труден, но зато результаты являются несравненно более важными. Подход Андрея Дмитриевича Сахарова весьма физичен. Андрей Дмитриевич всегда пытается увязать между собой несколько разнообразных (иногда, казалось бы, далеких) физических аспектов рассматриваемого круга явлений и получать максимальное число результатов, проверяемых на опыте.
2. Барионная асимметрия Вселенной. Барионы образуют большое семейство "элементарных частиц, обладающих некоторым характеристическим свойством — наличием барионного заряда". Наиболее известными представителями барионов являются протон и нейтрон, из которых строятся все атомные ядра. Протону и нейтрону приписываются значения барионного заряда равные единице. При взаимодействии барионы могут превращаться друг в друга, однако эти превращения ограничены тем условием, что барионный заряд начальных продуктов реакции равняется барионному заряду конечных продуктов. Это условие можно сформулировать как закон сохранения барионного заряда. До сих пор ни в одном эксперименте не было наблюдено нарушение этого закона. Для каждого бариона существует свой антибарион. Антибарион также принадлежит барионному семейству. Свойства антибариона аналогичны свойствам бариона, но в то же время в некотором смысле им противоположны. Барионный заряд антибариона противоположен по знаку барионному заряду соответствующего бариона.
Следует особо подчеркнуть, что нет какого-либо внутреннего свойства, позволяющего отличить частицу от античастицы. Отношение частица — античастица взаимно. Так, например, протон и антипротон являются античастицами друг относительно друга. Если бы все частицы мира заменить на античастицы, то возникший в результате мир мало бы отличался от того, в котором мы живем. Иными словами, антимир, состоящий из "антивещества", был бы устроен точно так же, как и наш мир, построенный из "вещества".
Однако если частица взаимодействует с античастицей (например, реакция протон-антипротон, хорошо изученная в лабораторных условиях), то возникает совершенно другая картина. Поскольку барионные заряды этих двух частиц противоположны по знаку, и, следовательно, суммарный барионный заряд равен нулю, нет никаких причин, запрещающих превращению пары барион-антибарион в легкие частицы — электроны, нейтрино и кванты света. Как говорят, происходит аннигиляция, в результате которой пара барион-антибарион исчезает. Если бы в нашем мире существовали тела, построенные из антивещества, то при соприкосновении с телами из вещества происходила бы их аннигиляция с выделением большого количества энергии. Никаких астрономических указаний на существование подобных явлений обнаружено не было. Таким образом, опытом с большой точностью установлено, что в нашей Вселенной нет скоплений антивещества. Конечно, всегда можно возразить, что антивещество сосредоточено где-то в отдаленных уголках Вселенной и пространственно разделено с веществом. Однако даже если это и так в современную эпоху, то в эпоху сразу после "Большого взрыва", когда материя была в сверхплотном состоянии, такое разделение вещества и антивещества весьма трудно себе представить. Остается предположить, что во Вселенной нет островов антивещества или, иначе говоря, барионный заряд Вселенной отличен от нуля. В этом состоит барионная асимметрия Вселенной: несмотря на то, что законы физики допускают замену вещества на антивещество, Вселенная состоит из частиц с барионным зарядом одного знака. Проблема барионной асимметрии Вселенной ставит вопрос: как это могло произойти в процессе эволюции? Как мы видим, в этой проблеме скрещиваются фундаментальные законы физики. С одной стороны, закон сохранения барионного заряда, с другой — представления Общей теории относительности, из которой следует модель расширяющейся Вселенной, возникшей в результате "Большого взрыва". Конечно, один из возможных ответов состоит в том, что "так было всегда", что уже сверхплотная материя во времена "Большого взрыва" имела в точности такой же барионный заряд, какой имеет Вселенная в нашу эпоху. Однако такой ответ является пустым.
