Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации
Шрифт:
Было оно стимулом и для Стивена Вайнберга, нобелевского лауреата, написавшего в своей книге о ранней Вселенной «Первые три минуты»:
Число барионов, приходившееся на один фотон, могло вначале иметь какую-то разумную величину, возможно, близкую к единице, а затем могло упасть до нынешнего малого значения из-за образования многих фотонов. Загвоздка здесь в том, что никому не удалось предложить механизм образования таких лишних фотонов. Я сам пытался что-нибудь придумать в этом роде, но безуспешно.
Лишь помянув некие «нестандартные возможности», Вайнберг принял барионную асимметрию как факт, не поддающийся объяснению.
К выходу книги Вайнберга на русском
Яков Борисович спросил, какая из моих чисто теоретических работ больше всего мне нравится. Я сказал: «Барионная асимметрия Вселенной». Он как-то весь сморщился, сжался: «Это та работа, где барионный заряд не сохраняется и время течет в обратную сторону?» — «Да, та самая». Зельдович промолчал, но было ясно, что он сильно сомневается в ценности этих моих идей.
Эти идеи Сахаров изложил в надписи на экземпляре статьи, подаренной близкому коллеге:
Из эффекта С. Окубо при большой температуре для Вселенной сшита шуба по ее кривой фигуре.О чем говорит этот научно-популярный стишок?
Три условия для ранней Вселенной
Сусуму Окубо, американский теоретик японского происхождения, о космологии не думал. Он занимался физикой элементарных частиц, когда там в середине 1950-х всплыла загадочная асимметрия. До того времени молчаливо считалось, что в микромире все в высшей степени симметрично и, в частности, зеркально симметрично — полный паритет (Рarity) правого и левого, или P– симметрия, как у идеальной бабочки: если возможно некоторое явление в мире элементарных частиц, то столь же возможно и явление, зеркально симметричное. Однако в 1956 году экспериментаторы обнаружили, что в мире элементарных частиц это не так: существуют явления, зеркальные версии которых не столь же возможны.
Обнаруженная асимметрия упала как снег на головы теоретиков. Они стали вглядываться в две другие симметрии, которые до того времени молчаливо считались столь же несомненными в микромире: операция С заменяет всякую элементарную частицу на ее античастицу, то есть всякий заряд (Charge) на противоположный, а операция Т поворачивает время (Time) вспять, — заменяет всякое движение на противоположное.
Представим себе частицы белыми шариками, античастицы — черными, а каждую из операций Р, С, Т уподобим взмаху волшебной палочки. Взмах Р– палочки меняет картину на зеркально-отраженную, С– палочка меняет цвет шариков на противоположный, а Т– палочка меняет события так, как меняется видеокартинка, если пленку запускают в обратную сторону.
До 1956 года физики были уверены, что жизнь микромира симметрична для любой из С– , Р– , Т– волшебных палочек. Быть теоретиком в таком мире проще, но простота, говорят, бывает хуже воровства. Переупрощение мира крадет у него глубину. Если бы правая и левая руки были одинаковы, то делать
Физикам предстояло понять непростые асимметрии микромира. Из основ ch– теории следовало лишь то, что взмах сразу тремя палочками физику не меняет. Это назвали СРТ– симметрией.
Эйнштейн советовал все делать как можно проще, но не проще, чем надо. При этом не сказал, как же избежать переупрощения. Зеркальная кособокость микромира, подтвержденная в экспериментах, побуждала теоретиков строить воздушные замки, в которых наблюдаемый асимметричный флигель был бы лишь частью симметричного мироздания. И уже через год такой замок построил Ландау, обнаружив, что все известные тогда P– асимметричные явления подчиняются комбинированной CP– симметрии. Эту симметрию он провозгласил новым законом природы: одновременный взмах C— и P– палочками не меняет мира. Иначе говоря, Ландау предположил, что бабочка микромира имеет вид
который не меняется, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета — частицы поменять местами с античастицами.
Важность научной работы можно измерять тем, насколько она помогает задавать новые вопросы Природе, и, значит, помогает опровергнуть себя — если Природа ответит отрицательно. Работа Ландау помогла Окубо задать вопрос: а что, если и CP– симметрия не всемогуща в микромире? И он придумал, как этот вопрос можно задать Природе. В статье 1958 года он указал, что если CP– симметрия нарушается, то частица и античастица, имея одинаковые времена жизни, могут по-разному свои жизни кончать, по-разному распадаясь на другие частицы. Это оставалось чисто теоретической возможностью до 1964 года, когда экспериментаторы обнаружили, что CP– симметрия действительно нарушается, хоть и очень мало. Так гипотеза Ландау, опровергнутая экспериментом, продвинула поиск научной истины.
В 1966 году настала очередь Сахарова продвинуть этот поиск дальше. Эксперименты о нарушении CP– симметрии и эффект Окубо в микромире соединились в его размышлениях с фактом барионной асимметрии Вселенной. И родилась идея о микрофизическом происхождении этой асимметрии — «кривой фигуры» Вселенной.
Он исходил из того, что в микромире действует лишь самая общая CPT– симметрия, то есть бабочка микромира выглядит так:
Она не изменится, если переставить сразу все три: правое на левое, частицу на ее античастицу, прошлое и будущее (перевернуть букву T). Рядом с этой бабочкой микромира Сахаров увидел, можно сказать, бабочку Вселенной:
Точнее, в наблюдаемой расширяющейся Вселенной он разглядел одно крыло вселенской бабочки и применил CPT– симметрию микрофизики для объяснения барионной асимметрии Вселенной.