Читать онлайн «Сахаровский сборник». Страница 29

Значительно более интересной является гипотеза о том, что начальное состояние Вселенной имело барионный заряд равный нулю, а имеющаяся сейчас барионная асимметрия возникла в результате некоторых физических процессов в ходе эволюции Вселенной. С этой точки зрения рассматриваются различные аспекты барионной асимметрии Вселенной в работах А.Д. Сахарова (1,2,3,4). Андрей Дмитриевич исследует две различные гипотезы. Первая (3) состоит в том, что барионный заряд в природе строго сохраняется, однако в результате нестационарных процессов в сверхплотном веществе, возникшем в "Большом взрыве", возможно разделение барионного заряда, при котором положительный заряд сосредоточен в нуклонах, а равный ему отрицательный заряд — в некоторых гипотетических частицах, нейтральных антикварках (с барионным зарядом — 1/3). Эти антикварки по предположению не захватываются ядрами. Все окружающее пространство заполнено антикварками. Их средняя плотность втрое больше средней плотности нуклонов (суммарный барионный заряд нуклонов и антикварков равен нулю). Легко сформулировать свойства антикварков, которые не приводят к противоречию с имеющимися данными. В работе обсуждаются возможные эксперименты по наблюдению антикварков. Такие эксперименты являются наиболее прямой проверкой гипотезы.

Вторая гипотеза, рассмотренная в работах (1,4), существенно отличается от предыдущей. Предполагается, что закон сохранения барионного заряда выполняется лишь приближенно. Вводится конкретная модель взаимодействия, не сохраняющего барионный заряд. Это взаимодействие приводит к распаду протона в легкие частицы (в конкретном варианте в μ-мезоны). В работе показано, что при нестационарном процессе расширения сверхплотной материи введенный механизм может дать наблюдаемое значение барионной асимметрии. В современную эпоху видимые эффекты нового взаимодействия весьма малы. Например, хотя это взаимодействие приводит к распаду протона, тем самым делая протон нестабильным, однако время жизни протона оказывается столь большим, что наблюдение распада протона в эксперименте находится далеко за пределами современных возможностей. В последующей работе (2) Андрей Дмитриевич развивает свою гипотезу, увязывая ее с эффектом несохранения CP-четности — весьма важным явлением, экспериментально обнаруженным при распаде долгоживущих ki-мезонов.

Проблема барионной асимметрии Вселенной сейчас является одной из центральных проблем, объединяющей две важнейшие области физики — теорию элементарных частиц и космологию.

3. Космологические модели. Закон всемирного тяготения, утверждающий, что все тела в мире притягиваются друг к другу, — один из наиболее универсальных законов природы. Тот факт, что в малых масштабах свойства системы определяются не гравитационными взаимодействиями, объясняется тем, что это взаимодействие (в известном смысле) весьма слабое. Так, например, электростатическое взаимодействие между протоном и электроном в атоме водорода на много порядков сильнее их гравитационного взаимодействия. Однако ни одно взаимодействие в мире, помимо гравитационного, не носит характера всеобщего притяжения. Поэтому, когда мы переходим от рассмотрения явлений малых масштабов ко все более крупным масштабам, относительная роль гравитации возрастает. Если же рассматривать весь мир как физическую систему, то для такой системы роль гравитации становится доминирующей, а все остальные взаимодействия отходят на задний план. Можно сказать, что гравитация полностью определяет структуру мира как целого.

Общая теория относительности Эйнштейна выражает гравитационное поле в терминах геометрии четырехмерного Мира. Эта геометрия такова, что для небольших пространственно-временных областей она может весьма мало отличаться от геометрии Евклида. Однако все пространство в целом отличается кардинальным образом от Евклидового пространства. Таким образом, космологическая модель, описывающая строение всей Вселенной, по существу сводится к рассмотрению неевклидового пространства, обладающего определенными свойствами. Через геометрические характеристики этого пространства выражаются физические свойства Мира как целого.

Наиболее широко используется в настоящее время в исследованиях по космологии модель расширяющейся Вселенной Фридмана. В этой модели существует особая точка — "Большой взрыв". Эта точка соответствует моменту времени t=0. При значениях t < 0 (в рамках этой модели) пространства не существует.

В работе (5) Андрей Дмитриевич выдвигает идею космологических моделей, для которых тоже существует особая точка при t = 0, аналогичная "Большому взрыву", но в отличие от модели Фридмана возможно определить физические величины и для значений t < 0. Такие модели А.Д. Сахаров назвал космологическими моделями с поворотом стрелы времени.

Основная идея моделей с поворотом стрелы времени связана с разрешением "Глобального парадокса обратимости", сформулированного в прошлом веке. Этот парадокс состоит в том, что все динамические законы физики инвариантны относительно изменения направления времени (замена t → -t), тогда как уравнения статистической физики такой инвариантностью не обладают. Необратимость законов статистической физики составляет существо второго начала термодинамики, утверждающего рост энтропии со временем. В космологических моделях с поворотом стрелы времени удается снять "Глобальный парадокс обратимости" и так сформулировать законы динамики и статистической физики, чтобы они были инвариантны при изменении направления времени. (Заметим, что это было бы совершенно невозможно в модели Фридмана, поскольку в рамках этой модели имеет смысл говорить только о значениях времени t > 0.) Тем самым закон обратимости выступает в качестве фундаментального закона Природы. В действительности этот закон необходимо несколько усложнить: одновременно с изменением направления времени (T-преобразование) нужно произвести зеркальное отражение пространства (P-преобразование) и замену всех частиц на античастицы (C-преобразование). В результате формулируется закон TPC инвариантности как фундаментальный закон природы.

Из TPC-инвариантности вытекает, что в момент "Большого взрыва" (t =0) мир был нейтрален относительно всех сохраняющихся зарядов. Тем самым весьма остро ставится проблема объяснения барионной асимметрии Вселенной.

Чрезвычайно интересную идею о топологической природе зарядов высказал А.Д. Сахаров в работе (6). Согласно этой идее, материя состоит из "элементарных зарядов", которые представляют собой довольно хитрые топологические пространственно-временные структуры. При этом TPC-инвариантность связывает топологию Мира при t > 0 и t < 0. Эти новые и весьма радикальные идеи, к сожалению, еще недостаточно разработаны. Если развитие этих идей будет успешным, то в какой-то мере реализуется мечта Эйнштейна о сведении физики к геометрии (правда, довольно хитрой!).

4. Идея нулевого лагранжиана. В работах (7,8,9) Андрей Дмитриевич развивает идею нулевого лагранжиана, согласно которой функция действия физических полей возникает в результате взаимодействия этих полей с физическим вакуумом. Вакуум здесь трактуется не как "пустое пространство", а как некая универсальная физическая система. При отсутствии внешних полей вакуум находится в основном состоянии. Внешнее поле вызывает поляризацию вакуума, в результате которой величина действия вакуума изменяется. Это изменение можно считать действием данного физического поля. Исходя из некоторых общих принципов, развивается метод вычисления эффективного действия различных физических полей, таких как гравитационные, электромагнитное или электронно-позитронные поля. Помимо общего принципиального подхода эти работы интересны тем, что в них развивается новый метод вычисления квантово-полевых эффектов.

В работе (9) рассматривается вопрос об обобщении Эйнштейновской теории гравитации путем введения в теорию некоторого скалярного поля. (Различные варианты такой скалярно-тензорной теории гравитации неоднократно обсуждались в литературе.) Введение в теорию нового поля, вообще говоря, нарушает основной принцип, лежащий в основе теории Эйнштейна, — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. А.Д. Сахаров показывает, что если выводить скалярно-тензорную теорию гравитации из принципа нулевого лагранжиана, то возникает специальный вариант теории, в котором принцип эквивалентности не нарушается, и тем самым новое скалярное поле становится принципиально не наблюдаемым. Полученная таким образом теория оказывается физически эквивалентной теории Эйнштейна.