Страница 4 из 96
Центральная часть работы Сахарова — квантовая теория возникновения начальных отклонений от равновесия, которую он строит на базе уравнения Шредингера, лежащего в основе квантовой физики.
Существенно, что при этом возникает важное состояние, характеризуемое независимостью плотности энергии от плотности барионов. (Барионы — обобщенное название семейства микрочастиц, обладающих относительно большой массой.)
Статья Сахарова заканчивается параграфом «Космологическая гипотеза». Здесь сосредоточены выводы из проведенного анализа. Квантовые флуктуации, существовавшие в начальный период расширения Вселенной, приводят к тому, что «…первыми образуются «первичные» звезды с массой, меньшей, чем 0,4 массы Солнца». Это происходит приблизительно через 100 лет после Большого взрыва.
«Скопления первичных звезд, содержащие их больше некоторого критического числа, рано или поздно испытывают гравитационный коллапс Толмена — Оппенгеймера — Снайдера — Волкова… (Гравитационный коллапс — неограниченное сжатие больших масс вещества, например очень массивных звезд под действием гравитационных сил — сил тяготения.)
Оценка показывает, что уже через 10б лет возможны коллапсы сверхзвезд с массой 500 солнечных масс… В дальнейшем происходят коллапсы более крупных скоплений вещества… В результате коллапса образуется «послеколлапсовый» объект (ПК-объект), который имеет очень малые размеры и проявляется главным образом своим гравитационным полем». (Послеколлапсовые объекты теперь называют черными дырами.)
Далее Сахаров рассматривает детали эволюции Вселенной, которые позднее были уточнены другими исследователями.
Шаги великана
Следующий шаг Сахаров сделал в короткой заметке «О максимальной температуре теплового излучения», опубликованной 1 июня 1966 года. Это был шаг к началу начал, к моменту, после которого начинается фридмановское расширение. Исходя из сделанного незадолго до того открытия Пензиаса и Уилсона и из модели расширяющейся Вселенной, он предполагает, что материя, существовавшая в начале расширения, состояла из фотонов, гравитонов и нейтрино. (Фотоны — кванты света, гравитоны — кванты поля гравитации, нейтрино — легчайшие частицы; все они лишены электрического заряда.) Плотность материи при этом предполагается столь высокой, что возникает существенное гравитационное взаимодействие фотонов между собой, пренебрежимо слабое в обычных условиях. Эта плотность так велика, что в каждом кубическом сантиметре находилось более чем 1098 фотонов. Анализ процессов, происходящих при такой огромной плотности, позволил Сахарову вычислить важнейшую характеристику начального состояния Вселенной: мешанина из фотонов, гравитонов и нейтрино имела температуру, превышающую 1032 градусов.
26 сентября 1966 года редакция журнала «Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики» получила заметку Сахарова «Нарушение CP-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной». Вот как автор определяет задачу исследования:
«Теория расширяющейся Вселенной, предполагающая сверхплотное начальное состояние вещества, по-видимому, исключает возможность макроскопического разделения вещества и антивещества (то есть раздельного существования отдельных скоплений вещества и антивещества); поэтому следует принять, что в природе отсутствуют тела из антивещества, т. е. Вселенная асимметрична в отношении числа частиц и античастиц (С-асимметрия). В частности, отсутствие антибарионов и предполагаемое отсутствие неизвестных барионных нейтрино означает отличие от нуля барионного заряда (барионная асимметрия). Мы хотим указать на возможное объяснение С- асимметрии в горячей модели расширяющейся Вселенной с привлечением эффектов нарушения CP-инвариантности. Для объяснения барионной асимметрии дополнительно предполагаем приближенный характер закона сохранения барионов». (Инвариантность — независимость от чего-нибудь; СР- инвариантность — независимость от изменения знака заряда «С» и четности «Р».)
Это предположение противоречило общепринятому мнению о невозможности изменения общего количества барионов в природе. Отказ от этого мнения ведет к следующему:
«Принимаем, что законы сохранения барионов и мюонов не являются абсолютными и должны быть объединены в закон сохранения «комбинированного» барион-мюонного заряда…» (мюон — нестабильная заряженная частица, принадлежащая к семейству лептонов.)
Это значит, что в природе, соответственно с изменением количества барионов, должно меняться и количество мюонов. Причем эти изменения строго взаимосвязаны.
Предлагаемая гипотеза была основана на совсем новой, по тем временам, гипотезе кварков — истинно элементарных частиц. Создатели гипотезы Гелл-Манн и Цвейг в 1964 году предположили, что протон и нейтрон образованы комбинацией из трех кварков, а более простые частицы — мезоны — из кварка и антикварка.
Сахаров вводит наряду с двумя известными сохраняющимися, то есть неизменными, зарядами — электрическим и лептонным — третий, «комбинированный» заряд. Он пишет:
«Вселенную считаем нейтральной по сохраняющимся зарядам — лептонному, электрическому и комбинированному, но С-асимметричной в данный момент ее развития».
С-асимметрия, заключающаяся в отсутствии в наши дни свободного антивещества, есть твердо установленный опытный факт. Это значит, что как в наше время, так и на протяжении длительной эволюции Вселенная состоит из протонов, из других барионов и лептонов, то есть из обычного вещества, а антивещество в ней отсутствует.
Сахаров поясняет:
«Возникновение С-асимметрии по нашей гипотезе является следствием нарушения CP-инвариантности при нестационарных процессах расширения горячей Вселенной на сверхплотной стадии…».
Обозначение «CP-инвариантность» выражает мысль о том, что замена частицы на античастицу остается незамеченной, если такую замену наблюдать при помощи зеркала (при непосредственном наблюдении такую замену легко обнаружить).
Сахаров продолжает:
«Мы относим возникновение асимметрии к ранним стадиям расширения…» (когда плотность частиц составляла около 1098 в кубическом сантиметре, а плотность энергии в этом же объеме была приблизительно 10114 эргов — колоссальная, ни с чем не сравнимая плотность.)
В этих экстремальных условиях сохраняется лишь полная СРТ-симметрия, то есть процессы, при которых наряду с заменой частиц на античастицы и с изменением четности («отражением в зеркале») происходит также изменение направления течения времени.
Результатом этой гипотезы становится вывод о том, что протон — нестабильная частица. Потрясающий вывод! Вопреки общепризнанному в то время мнению, будто каждый протон вечен, Сахаров высказал убеждение, что время жизни протонов ограничено.
Заключительная фраза этой статьи:
«Время жизни протона оказывается очень большим (более 1050 лет), хотя и конечным».
То, что физики не сразу осознали важность новой точки зрения на протон, можно объяснить только тем, что время жизни протона, оцененное Сахаровым как более 1050 лет, не оставляло надежды на возможность опытной проверки предсказания.
Ситуация изменилась лишь через десятилетие, когда возникла теория Великого объединения. Название новой теории отражает ее главный результат: она показала, что при чрезвычайно высокой температуре три типа взаимодействий элементарных частиц — электромагнитное, слабое и сильное — сливаются воедино. Теория Великого объединения позволила уточнить оценку времени жизни протона. Новая оценка отводила для распада индивидуального протона «всего» 1030 лет. Вспомним, что возраст Вселенной составляет, по разным оценкам, 10–15 х 1010 лет.
С первого взгляда кажется, что при таком возрасте Вселенной нельзя проверить опытом и новую оценку времени жизни протона — 1030 лет. Но это не так. Физики преодолели все трудности, наблюдая одновременно за 1031 и даже за большим количеством протонов. Однако пока не удалось надежно зафиксировать ни одного распада протона. Это заставило уточнить расчеты.