Ирина Радунская – Когда физики в цене (страница 5)
Понимая место Сахарова в науке, Тамм, руководивший его первыми исследованиями, немедленно пригласил Сахарова возвратиться в Физический институт. Сахаров колебался, начальство возражало, но смертельно больной, прикованный к постели Тамм настоял на своем.
Начался новый этап в жизни Сахарова. Со свойственной ему целеустремленностью он совмещал занятия наукой со все более активной общественной деятельностью.
Поворот стрелы времени
В первой части этих заметок обсуждены исследования Сахарова в области космологии, опубликованные в 1965–1967 годах. Он вел их в то время, когда еще активно трудился над термоядерным оружием и все глубже осознавал, чем грозит это оружие человечеству.
В следующие два года Сахаров не опубликовал ни одной научной работы. Вероятно, он глубоко переживал насильственное прекращение его двадцатилетней исследовательской работы. Может быть, не предполагал, что власть имущие решатся покарать его за свободомыслие в ущерб безопасности страны.
В течение этих лет он написал несколько научно-популярных статей.
Начиная с 1970 года вновь появляются научные публикации. Сперва это статья «Релятивистский коллапс и топологическая структура Вселенной» (совместно с И. Д. Новиковым), напечатанная в форме препринта Института прикладной математики АН СССР, то есть доступная очень узкому кругу ученых. В ней говорится о многолистной модели Вселенной, способной к многократной смене расширения и сжатия. Затем последовал доклад в Физическом институте АН СССР «Теория нулевого лагранжиана гравитационного поля», оставшийся в форме рукописи.
После годичного перерыва в «Сборнике, посвященном И. Е. Тамму» появилась работа Сахарова «Топологическая структура элементарных зарядов и СРТ-симметрия».
Наконец, в 1974 году вышла важная статья «О скалярно-тензорной теории гравитации», в которой Сахаров защищает Общую теорию относительности Эйнштейна от попыток отвергнуть ее основу — принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы.
С этой статьи мы продолжим знакомство с космологическими исследованиями Сахарова.
Мы знаем, что основой современной космологии стала Общая теория относительности Эйнштейна. Физические принципы ее просты, но математика, в которую она облечена, сложна. Она была непривычна для большинства физиков. Понимали ее с трудом. Предложения упростить эту теорию зазвучали почти сразу после ее опубликования в 1916 году. Эйнштейн неоднократно разъяснял, почему недопустимы упрощения, в основе которых было желание сохранить постоянство скорости света и в присутствии гравитации. В некоторых случаях доминировало стремление отказаться от принципа эквивалентности (эквивалентность поля гравитации ускорению, если наблюдение происходит в малом объеме пространства).
Отдавая все силы работе над созданием единой теории поля — теории, охватывающей одновременно гравитационное и электромагнитное поля, — Эйнштейн скоро перестал реагировать на попытки ревизовать Общую теорию относительности.
С 1948 года начали входить в моду новые варианты пересмотра Общей теории относительности — их объединяло название «скалярно-тензорная теория гравитации».
В упомянутой выше статье Сахаров опирался на гипотезу нулевого лагранжиана, выдвинутую им в 1967 году. Из этой гипотезы, писал он, следует, «что скалярное поле является ненаблюдаемым и исключается из теории, которая при этом переходит в обычную теорию Эйнштейна» (Смысл термина «лагранжиан» пояснен в первой части этих заметок.)
Сахаров продолжает: «Если же отказаться от гипотезы нулевого лагранжиана, то скалярное поле проявляется (точнее — должно проявиться) в наблюдаемых эффектах. Но одновременно выявляется невозможность удовлетворить условию эквивалентности (пропорциональности) инертной и тяготеющей масс. Теория с нарушением принципа эквивалентности не представляется нам удовлетворительной».
Напомним, что справедливость принципа эквивалентности установлена многими опытами, погрешность лучшего из них не превосходит 10-12.
Существенное значение гипотезы нулевого лагранжиана побудило Сахарова в 1975 году опубликовать методические и математические соображения, лежащие в ее основе. Эта, богатая содержанием статья, столь насыщена сложной математикой, что мы оставили ее тем, кому она адресована — специалистам в области теоретической физики.
К концу 1978 года Сахаров закончил большую работу, сжатое изложение которой содержится в статье «Барионная асимметрия Вселенной». Она вышла в 1979 году и начинается напоминанием:
«В 1966 году автор высказал предположение о возникновении барионной асимметрии Вселенной (и предполагаемой лептонной асимметрии) на ранней стадии космологического расширения из зарядово-нейтрального начального состояния. Такой процесс возможен вследствие нарушения CP-инвариантности в нестационарных условиях расширения, если предположить нарушение барионного и лептонного зарядов».
Так в двух фразах изложено революционное содержание работы 1966 года, в которой впервые было сделано предположение о том, что барионный заряд не является неизменной характеристикой Вселенной. (Об этой работе шла речь в первой части заметок.)
Статья густо насыщена математикой. Для того чтобы побудить специалистов погрузиться в эту математику, ей, в качестве напутствия, предпослана фраза, четко формулирующая физическое содержание работы:
«Отклонения от симметрии между частицами и античастицами проявляются только благодаря нестационарности, вызванной расширением Вселенной».
После математического анализа проблемы несимметрии между частицами и античастицами, возникшей на ранней стадии расширения Вселенной, следует короткий параграф: «Многолистная модель Вселенной». Обсуждаемый параграф начинается так:
«В 1969 году автор включил предположение о нейтральности Вселенной по строго сохраняющимся зарядам… в выдвинутую им космологическую гипотезу «многолистной Вселенной». Другое предположение гипотезы — плоская пространственная метрика в среднем и в больших масштабах, то есть бесконечный радиус кривизны Вселенной. Эти два предположения делают возможным бесконечно кратное повторение космологических циклов расширения-сжатия Вселенной с повторяющимися от цикла к циклу статистическими характеристиками».
Здесь нужно сделать два пояснения. Первое: слова — «плоская пространственная метрика» означают, что в среднем и в больших масштабах во Вселенной справедлива геометрия Евклида. Второе пояснение: «бесконечно кратное повторение космологических циклов расширения-сжатия Вселенной» — тут имеется в виду восходящая к Фридману возможность расширения и сжатия Вселенной, заложенная в уравнениях Общей теории относительности.
Уравнения показывают, что для Вселенной возможны лишь две судьбы: первая — Вселенная расширяется вечно, вторая — расширение Вселенной сменяется ее сжатием. Какая из этих двух возможностей реализуется, зависит только от одной величины, от средней плотности вещества и энергии. Если эта плотность меньше определенной величины, то Вселенная будет расширяться вечно. Если же средняя плотность больше этой величины, то расширение Вселенной будет неоднократно сменяться сжатием, а сжатие Вселенной сменяться ее новым расширением.
Астрофизики до сих пор не способны точно определить среднюю плотность материи во Вселенной. Они могут только признать, что эта величина близка к ее пограничному — критическому — значению. Поэтому космологи должны анализировать обе возможности.
Первая возможность — средняя плотность материи меньше ее критической плотности — не содержит противоречий. Вселенная будет расширяться, причем скорость расширения постепенно уменьшается силами тяготения, но никогда не достигнет нуля. Вторая возможность — средняя плотность материи больше ее критической плотности — приводит к принципиальной трудности. Она лежит не в уравнениях Эйнштейна и не в решении, найденном Фридманом. Они способны описать бесконечное повторение смены расширения — сжатием и новым расширением. Фридман, рассматривавший эту проблему с точки зрения математики, считал, что Вселенная сжимается в точку, в особую точку. Его не волновало, что при этом плотность вещества и энергии должна стать бесконечно большой, что невозможно с точки зрения физики. Он довольствовался признанием того, что эволюция Вселенной не может прекратиться и что после критического сжатия вновь последует расширение.
Теоретики по-разному подходят к анализу этого критического перехода, но пока не могут в деталях проследить за тем, как происходит переход от сжатия к расширению Вселенной.
Но такая трудность не идет в сравнение с другой — принципиальной. Здесь вступает в игру второе начало термодинамики, пренебрегать которым недопустимо.
Второе начало термодинамики и включающая его в себя статистическая физика говорят о том, что в сложных системах (Вселенная, конечно, весьма сложная система) все процессы развиваются только в одном направлении — от прошлого к будущему, что тепло переходит от горячего тела к холодному так, что горячее тело остывает, а холодное нагревается (если в систему не вводится извне энергия, принуждающая горячее тело нагреваться или сохранять постоянную температуру). Второе начало термодинамики приводит к тому, что все изолированные периодические процессы постепенно затухают и прекращаются; например, размахи маятника после толчка постепенно уменьшаются, и он останавливается, если какой-либо механизм не поддерживает его колебаний.