Три условия для ранней Вселенной
Сусуму Окубо, американский теоретик японского происхождения, о космологии не думал. Он занимался физикой элементарных частиц, когда там в середине 1950-х всплыла загадочная асимметрия. До того времени молчаливо считалось, что в микромире все в высшей степени симметрично и, в частности, зеркально симметрично — полный паритет (Рarity) правого и левого, или P- симметрия, как у идеальной бабочки: если возможно некоторое явление в мире элементарных частиц, то столь же возможно и явление, зеркально симметричное. Однако в 1956 году экспериментаторы обнаружили, что в мире элементарных частиц это не так: существуют явления, зеркальные версии которых не столь же возможны.
Обнаруженная асимметрия упала как снег на головы теоретиков. Они стали вглядываться в две другие симметрии, которые до того времени молчаливо считались столь же несомненными в микромире: операция С заменяет всякую элементарную частицу на ее античастицу, то есть всякий заряд (Charge) на противоположный, а операция Т поворачивает время (Time) вспять, — заменяет всякое движение на противоположное.
Представим себе частицы белыми шариками, античастицы — черными, а каждую из операций Р, С, Т уподобим взмаху волшебной палочки. Взмах Р- палочки меняет картину на зеркально-отраженную, С-палочка меняет цвет шариков на противоположный, а Т-палочка меняет события так, как меняется видеокартинка, если пленку запускают в обратную сторону.
До 1956 года физики были уверены, что жизнь микромира симметрична для любой из С-, Р-, Т-волшебных палочек. Быть теоретиком в таком мире проще, но простота, говорят, бывает хуже воровства. Переупрощение мира крадет у него глубину. Если бы правая и левая руки были одинаковы, то делать перчатки было бы проще. Однако важные вещи в мире людей объясняют различием правого и левого полушарий мозга — образного и логического.
Физикам предстояло понять непростые асимметрии микромира. Из основ ch-теории следовало лишь то, что взмах сразу тремя палочками физику не меняет. Это назвали СРТ-симметрией.
Эйнштейн советовал все делать как можно проще, но не проще, чем надо. При этом не сказал, как же избежать переупрощения. Зеркальная кособокость микромира, подтвержденная в экспериментах, побуждала теоретиков строить воздушные замки, в которых наблюдаемый асимметричный флигель был бы лишь частью симметричного мироздания. И уже через год такой замок построил Ландау, обнаружив, что все известные тогда P-асимметричные явления подчиняются комбинированной CP-симметрии. Эту симметрию он провозгласил новым законом природы: одновременный взмах C— и P-палочками не меняет мира. Иначе говоря, Ландау предположил, что бабочка микромира имеет вид
который не меняется, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета — частицы поменять местами с античастицами.
Важность научной работы можно измерять тем, насколько она помогает задавать новые вопросы Природе, и, значит, помогает опровергнуть себя — если Природа ответит отрицательно. Работа Ландау помогла Окубо задать вопрос: а что, если и CP?симметрия не всемогуща в микромире? И он придумал, как этот вопрос можно задать Природе. В статье 1958 года он указал, что если CP-симметрия нарушается, то частица и античастица, имея одинаковые времена жизни, могут по-разному свои жизни кончать, по-разному распадаясь на другие частицы. Это оставалось чисто теоретической возможностью до 1964 года, когда экспериментаторы обнаружили, что CP-симметрия действительно нарушается, хоть и очень мало. Так гипотеза Ландау, опровергнутая экспериментом, продвинула поиск научной истины.
В 1966 году настала очередь Сахарова продвинуть этот поиск дальше. Эксперименты о нарушении CP-симметрии и эффект Окубо в микромире соединились в его размышлениях с фактом барионной асимметрии Вселенной. И родилась идея о микрофизическом происхождении этой асимметрии — «кривой фигуры» Вселенной.
Он исходил из того, что в микромире действует лишь самая общая CPT- симметрия, то есть бабочка микромира выглядит так:
Она не изменится, если переставить сразу все три: правое на левое, частицу на ее античастицу, прошлое и будущее (перевернуть букву T). Рядом с этой бабочкой микромира Сахаров увидел, можно сказать, бабочку Вселенной:
Точнее, в наблюдаемой расширяющейся Вселенной он разглядел одно крыло вселенской бабочки и применил CPT-симметрию микрофизики для объяснения барионной асимметрии Вселенной.
В эпоху Большого взрыва вещество было так сжато, что элементарные частицы «чувствовали локтем» друг друга, и Вселенная жила по законам микромира. По идее Сахарова, именно тогда асимметрия Вселенной складывалась в процессах, бурлящих в каждой микроточке космического пространства. T-асимметрия расширения Вселенной позволила породить наблюдаемую С-асимметрию вещества — разное содержание частиц и античастиц в P-асимметричных крыльях Вселенной по разные стороны от времени Большого взрыва. Помимо крыла вселенской бабочки, видного астрономам, физик-теоретик Сахаров видел мысленно и другое крыло, раскрывшееся до Большого взрыва. Космологическая бабочка CPT- симметрична, но увидеть ее целиком не дает краткость человеческой жизни по сравнению с возрастом Вселенной.
Физический механизм, порождающий избыток барионов из первоначально симметричного состояния, Сахаров собрал из трех компонент:
1) «Из эффекта С. Окубо…» — различие распадов частицы и античастицы;
2) «При большой температуре для Вселенной…» — это различие производит нужный космологический эффект за ультракороткое время, пока Вселенная достаточно горяча, а затем результат «замерзает»;
3) «Сшита шуба…» — иглой, которая была совершенно новым инструментом в физике. Сахаров предположил, что барионный заряд не сохраняется. В частности, это означало, что протон — «кирпич мироздания», считавшийся совершенно стабильным, — должен самопроизвольно распадаться.
