Текст книги "Сахаровский сборник"

Автор книги: Александр Бабенышев

Соавторы: Евгения Печуро,Раиса Лерт
сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 24 страниц)

ЧАСТЬ II

Ю. Гольфанд

О работах по фундаментальным проблемам физики

1. Теории элементарных частиц, из которых построена вся материя, а также вопросам космологии – проблемам возникновения и эволюции мира посвящен ряд работ А.Д. Сахарова. В этих работах Андрей Дмитриевич высказал несколько замечательных идей, касающихся наиболее общих физических принципов. Я попытаюсь дать общий обзор этих работ, не углубляясь в технические подробности, доступные лишь специалистам.

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.

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.

 5. Проблема масс элементарных частиц. Масса элементарных частиц является одним из немногих фундаментальных свойств таких частиц, и поэтому установление закономерностей, описывающих массы частиц, – это одна из основных проблем теории. Правда, нужно сказать, что само понятие элементарных частиц, то есть таких частиц, из которых «строится» вся материя, оказалось весьма обманчивым. Как только какой-либо тип частиц, которые можно было бы считать элементарными, начинали пристально изучать, очень быстро число таких «элементарных» частиц обнаруживало тенденцию к увеличению – ученые открывали много новых «элементарных» частиц. Так было с атомами. Затем после открытия протона и нейтрона эти частицы были признаны элементарными, и была построена картина атомных ядер, состоящих из различного числа протонов и нейтронов. Однако с развитием экспериментальной техники были открыты многочисленные представители барионного семейства частиц (к которому принадлежат протон и нейтрон), а также множество частиц с барионным зарядом равным нулю – мезонов. Сейчас всех этих частиц известно несколько сотен, и если для них и сохраняется название «элементарных», то все понимают, насколько оно является условным. Для того, чтобы навести порядок в «хозяйстве» элементарных частиц, были выдвинуты различные гипотезы. Одной из самых успешных гипотез (она жива и в настоящее время) было предположение, что все эти частицы состоят из еще более элементарных частиц – кварков. Первоначально было предположено существование трех сортов кварков (что вполне соответствовало Д. Джойсу). Предполагалось, что все барионы состоят из трех кварков, а мезоны – из кварка и антикварка. Варьируя различные комбинации из трех сортов кварков, удалось привести в систему известные в то время «элементарные» частицы. Правда, довольно скоро трех сортов кварков оказалось мало для объяснения свойств новых частиц. Пришлось предположить существование сначала четвертого, а затем и пятого кварка. К этому набору (из чисто теоретических соображений) был добавлен еще и шестой кварк. Сейчас физики надеются, что таким набором можно будет обойтись.

В цикле работ (10,11,12,13) А.Д. Сахаров, исходя из кварковой гипотезы, строит формулы, описывающие массы наблюденных частиц. Эти формулы не вытекают из первых принципов Науки, а скорее носят полуэмпирический характер. Но замечательно то, что из весьма простых физических соображений, привлекая минимум информации о кварках и вводя минимальное число неизвестных (подгоночных) параметров, удается получить массовые формулы, дающие хорошее согласие с очень большим числом опытных данных.

Андрей Дмитриевич уточняет и совершенствует массовые формулы, приводя их в соответствие с уровнем быстро развивающейся физики частиц. Когда были открыты новые, "очарованные"' частицы, для объяснения которых потребовалось предположить существование четвертого ("очарованного") кварка, Андрей Дмитриевич учел этот кварк в своих массовых формулах (11). При этом удалось не только хорошо объяснить значения масс вновь открытых частиц, но и предсказать с хорошей точностью массы еще не известных частиц, которые тоже были вскоре обнаружены на опыте. Следующие уточнения формулы (12,13) были стимулированы прогрессом теории (квантовая хромодинамика). Андрей Дмитриевич придал своим массовым формулам более простой вид, уменьшив число параметров. Согласие с опытом оказалось вполне хорошим.

6. Я считаю, что в работах Андрея Дмитриевича Сахарова высказаны замечательные по глубине и оригинальности идеи. Лишь небольшая их часть получила некоторое развитие (это в основном касается проблемы барионной асимметрии).

Я уверен, что развитие этих идей будет крайне важным для Науки. Надеюсь, что это произойдет в достаточно близком будущем.

     РАБОТЫ А.Д. САХАРОВА

     ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМ ПРОБЛЕМАМ

1. Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной.

Письма в ЖЭТФ 5, 32 (1967).

2. Кварк-мюонные токи и нарушение CP-инвариантности.

Письма в ЖЭТФ 5, 36 (1967).

3. Антикварки во Вселенной.

Проблемы теоретической физики. (Сборник, посвященный Н.Н. Боголюбову в связи с его шестидесятилетием.) "Наука", 1969, стр. 35.

4. Барионная асимметрия Вселенной.

ЖЭТФ 76, 1172 (1979).

5. Космологическая модель Вселенной с поворотом стрелы времени.

ЖЭТФ 79, 698 (1980).

6. Топологическая структура элементарных зарядов и CPT-симметрия.

Проблемы теоретической физики. (Сборник памяти И.Е. Тамма.) "Наука", 1972, стр. 242.

7. Вакуумные квантовые флуктуации в искривленном пространстве и теория гравитации.

ДАН СССР 177, 70 (1967).

8. Спектральная плотность собственных значений волнового уравнения и поляризация вакуума.

ТМФ 23, 178 (1975).

9. О скалярно-тензорной теории гравитации.

Письма в ЖЭТФ 20, 189 (1974).

10. Кварковая структура и масса сильно взаимодействующих частиц. (Совместно с Я.Б. Зельдовичем.)

Ядерная физика, 4, 395 (1966).

11. Массовая формула для мезонов и барионов с учетом шарма.

Письма в ЖЭТФ 21, 554 (1975).

12. Массовая формула для мезонов и барионов.

ЖЭТФ 78, 2112 (1980).

13. Оценка постоянной взаимодействия кварков с глюонным полем.

ЖЭТФ 79, 350 (1980).