Андрей Сахаров. Наука и Свобода - Геннадий Горелик

Обретя математическую мощь, понятие симметрии стало инструментом теоретической физики в изучении глубинного устройства природы. Физика прошла долгий путь, прежде чем в своих законах разглядела проявления глубинных симметрий мироздания. Все знали, что вертикально поставленный и закрученный волчок стоит на одной точке и не падает. Не падает, можно сказать, потому, что не знает куда упасть: все направления, поперечные его оси, равноправны, все направления в пространстве симметричны относительно этой оси. На языке физики такого рода симметрия определяет закон сохранения момента импульса — главный закон волчка.

Понятие симметрии — одно из самых работящих в физике. Поведение не только волчка, но и отдельного атома — не будь рядом помянут, термоядерного заряда, определяются симметрией. Физик-теоретик всегда начинает с максимально симметричного упрощения своей задачи. А всякий фундаментальный физический закон раскрывает некую симметрию природы. Если же в явлениях природы обнаруживается какая-то асимметрия, то физик-теоретик получает трудную, но захватывающе интересную задачу — найти место этой асимметрии в гармонии мироздания.

Электродинамики Максвелла — как ее обычно понимают в настоящее время — будучи приложена к движущимся телам, ведет к асимметриям, которые не кажутся присущими самим явлениям — так начинается первая статья Эйнштейна по теории относительности. Созданием этой теории он преодолел асимметрию, не присущую самим явлениям, построил описание, в котором эта асимметрия оказалась лишь одной гранью глубинной симметрии природы.

Другой триумф симметрии в физике связан с именем Поля Дирака. В конце 20-х годов он взялся за чисто теоретическую проблему. К тому времени в физике жили и работали две фундаментально общие теории: теория относительности и квантовая механика. Первая давала возможность понимать явления, в которых скорости могли достигать скорости света. Вторая описывала поведение микроскопических частиц. Но природа не держит свои явления в отдельных ящиках, и Дирак хотел узнать, какой закон управляет движением электрона, когда необходимы сразу обе теории. Он нашел возможность объединить теорию относительности и квантовую механику в одном элегантном, хотя и необычно выглядящем уравнении для электрона.

Одна только проблема сдерживала восторги. Уравнение Дирака помимо электрона требовало существования другой частицы — в чем-то очень похожей на электрон, а в чем-то прямо противоположной. По массе эта частица должна была быть в точности такой же, как электрон, а по заряду — противоположной. Настолько противоположной, что встреча такой частицы с электроном ведет к их взаимоуничтожению.

Хотя никаких частиц, кроме хорошо известных электрона и протона, физика тогда не знала, Дирак решил поверить в симметрию своего уравнения, предсказал новую частицу и дал ей название «антиэлектрон». Спустя считанные месяцы экспериментаторы обнаружили в космическом излучении такую частицу. Из уважения к первооткрывателю и к положительному заряду новой частицы, ее, правда, назвали позитроном. Это название не отражает главного свойства частицы — быть антикопией электрона. Потом были открыты другие элементарные частицы, и их антикопии уже получали правильные названия: антипротон, антинейтрон, анти-Σ⁺гиперон…

Но главное взаимоотношение частицы и ее античастицы по-прежнему в том, что при встрече они аннигилируют — взаимно уничтожаются. При этом рождаются частицы света — фотоны, не имеющие никаких зарядов и наследующие суммарную энергию родительской пары. И наоборот, если у фотона хватает энергии, он может породить или превратиться в пару «частица + античастица».

Мощь симметрии уравнений в объяснении реального мира побудила Дирака поверить на всю жизнь и убедить многих своих коллег, что «физические законы должны обладать математической красотой». А вся история его успеха — одна из любимых у физиков-теоретиков. Во всяком случае у Сахарова эта история об антиэлектроне была под рукой. Это наглядно проявилось, когда он однажды демонстрировал своим гуманитарным друзьям способность писать зеркально и написал «Электрон + Позитрон = 2 фотона».

Тогда же он продемонстрировал свое умение писать обеими руками одновременно в разные стороны, написав имя и отчество хозяйки дома.

А Лидия Корнеевна Чуковская, которой он демонстрировал свое умение и которая сберегла эти автографы, попыталась повторить фокус и написала свое имя, но, как мы видим, без особого успеха.

Зеркальная симметрия — симметрия бабочки — так же, как зеркальная асимметрия, воплощенные в приведенном двойном автографе, причастны к самой значительной идее Сахарова в космологии.

В 1966 году, вскоре после того как Сахаров составил себе научный план на 16 лет вперед, он обратил внимание на обозначившуюся тогда асимметрию природы: античастиц в окружающей нас Вселенной очень мало по сравнению с частицами.

Для теоретиков, с тех пор как Дирак предсказал в 1931 году существование античастиц, вещество и антивещество имели равное право на существование. «Имели равное право» чисто теоретически. А практически, после того как экспериментатор Карл Андерсон открыл в 1932 году первую античастицу — антиэлектрон (позитрон), следующую античастицу — антипротон — удалось наблюдать только через три десятилетия. И всего несколько лет назад экспериментаторы сумели из антипротонов и антиэлектронов сделать первые, простейшие, антиатомы — атомы антиводорода. Сделали всего девять штук. И жизнь этих атомов длилась лишь миллиардные доли секунды — до первой встречи с обычным веществом и, увы, аннигиляции.

Поясняя в популярной статье, что такое антивещество, Сахаров привел пример: аннигиляция 0,3 г антивещества с 0,3 г вещества даст эффект взрыва атомной бомбы»,^[362] — вторая профессия дала себя знать. Так что соприкосновение двух маленьких таблеток произвело бы такой же силы взрыв, как 20 тысяч тонн — десяток эшелонов — обычной взрывчатки.

После такого пояснения сразу пропадает сочувствие к экспериментаторам, создающим антиатомы. Представить только, что антивещество было бы легче изготовить!..

Но остается и даже усиливается сочувствие к теоретикам. Ведь все эксперименты с античастицами ничего не изменили в том теоретическом равноправии вещества и антивещества, о котором теоретики узнали еще в 30-е годы. Как же им свести концы с концами — теоретические с эмпирическими? Как объяснить, что равноправные вещество и антивещество так неравно представлены во Вселенной?

Наиболее весомую часть вещества составляют ядерные частицы — протоны, нейтроны и их близкие родственники. Это семейство — барионы. И видимое отсутствие антибарионов физики называют барионной асимметрией Вселенной.