Глава из книги:

Геннадий Горелик.
АНДРЕЙ САХАРОВ: НАУКА И СВОБОДА.
Москва: Молодая гвардия, 2010

 

Глава пятая. От военной физики к мирной космологии

 

Изобретатель или теоретик?

Физика Вселенной

На пути от «атомной Проблемы» к проблемам Вселенной

Симметрия в асимметричной Вселенной

Три условия для ранней Вселенной

Упругость пустоты

Теоретик-изобретатель

  

Изобретатель или теоретик?

Объясняя, почему он в 1962 году не ушел немедленно с Объекта, Сахаров назвал заботу о запрете испытаний хотя и главной, но лишь одной из причин. Другая причина – уходить ему, собственно, было некуда. Не в том, конечно, смысле, что для него не нашлось бы места в каком-нибудь из институтов Академии наук. Но чем он там займется? Теоретической физикой? Это был нелегкий вопрос для него – с его честностью и чувством собственного достоинства, с его манерой поведения «внешне скромной, а на самом деле совсем наоборот».

Сохранилось предание, что после выборов 1953 года у Ландау спросили, как он оценивает новоизбранного физика-теоретика. Ландау переспросил, кого имеют в виду, и услышав, что Сахарова, ответил: «Ну какой же он теоретик?! Он – физик-изобретатель». Действительно, Сахаров тогда – и еще добрый десяток лет, – работал как физик-изобретатель. Да, начинал он как теоретик, но сколько нынешних бизнесменов и политиков начинали с кандидатской диссертации по физматнаукам?

Это был болезненный вопрос для Сахарова. В его памяти запечатлелось, как он – после нескольких лет на Объекте, – приехал в Москву и, встретив В. Л. Гинзбурга, рассказал ему о какой-то чисто научной идее. Тот усмехнулся и сказал: «Да вы не только бомбочкой, но и физикой хотите заниматься?!». И Сахаров задним числом согласился, что совмещать такие вещи «оказалось очень трудно, в основном невозможно».

Запомнил он и печаль в словах отца, за несколько недель до его смерти в конце 1961 года: «Когда ты учился в университете, ты как-то сказал, что раскрывать тайны природы – это то, что может принести тебе радость. Мы не выбираем себе судьбу. Но мне грустно, что твоя судьба оказалась другой. Мне кажется, ты мог бы быть счастливей».

Разработка ядерного оружия не просто далека от раскрытия тайн природы, скорее, они «противопоказаны» друг другу. На глазах Сахарова заглох математический талант Н. А. Дмитриева, о котором Зельдович говорил: «У Коли – может, единственного среди нас – искра Божия. Можно подумать, что Коля такой тихий, скромный мальчик. Но на самом деле мы все трепещем перед ним, как перед высшим судией». Талант математика-ювелира, мастера единичных шедевров, стал не нужен, когда на Объекте разработку «изделий» поставили на поток. А раз не нужен, то и обречен на угасание.

Редкой – и спасительной, – особенностью Сахарова была его двойная одаренность.

Как теоретика его стали узнавать с середины 1960-х годов, когда он начал бывать на теоретических семинарах в ФИАНе и ИТЭФе (Институт теоретической и экспериментальной физики). Его коллег поражало сочетание в нем талантов теоретика-исследователя и конструктора-изобретателя[1]. Эти таланты различны по своей природе не менее, чем таланты физика и литератора. Потому и сочетания такие встречаются крайне редко.

В. Л. Гинзбург, комментируя свое – когда-то задевшее Сахарова, – замечание о «бомбочке», пояснил: «Я о нем могу четко сказать: он, безусловно, очень талантливый человек, именно физик талантливый, он был из того материала, из которого мог получиться, конечно, настоящий толк, в смысле физики. Просто… У него всегда был такой изобретательский дух… Да, он был сделан из материала, из которого делаются великие физики»[2].

Сахаров, похоже, еще в аспирантские годы имел представление о том, из какого материала он сделан. Но одного материала недостаточно. Он с трезвой жесткостью рассказал о своих попытках придать этому материалу рабочую форму – и об успехах и о неудачах. О том, как ему в 1947 году не хватило духу, интуиции, смелости пройти по дороге, которая вела к главной проблеме тогдашней теоретической физики*. Он сумел сделать лишь первый шаг. Он строг к себе, подытожив «каждый делает те работы, которых он достоин», но это личное чувство не загородило общей перспективы: «Вспоминая то лето 1947 года, я чувствую, что я никогда – ни раньше, ни позже – не приближался так близко к большой науке, к ее переднему плану. Мне, конечно, немного досадно, что я лично оказался не на высоте (никакие объективные обстоятельства тут не существенны). Но с более широкой точки зрения я не могу не испытывать восторга перед поступательным движением науки – и если бы я сам не прикоснулся к ней, я не мог бы ощущать это с такой остротой!»

Его пристрастное отношение видно в его рассказах о теоретической физике. Объясняя в Воспоминаниях свою аспирантскую работу, он не удержался и брякнул нечто о «пи-мезонах» и их «изовекторной природе». А спохватившись, извинился в скобках: «Я не разъясняю в этой книге некоторые термины – пусть читатель не-физик извинит меня, рассматривая их как некие туманные и прекрасные образы».

Найдется ли нефизик, который усмотрит в слове «изовектор» что-нибудь кроме холодного тумана? Другое дело – эмоции рассказчика по поводу этой туманной материи. Особенно если учесть, что рассказчику за шестьдесят, и пишет он в ссылке, под надзором гэбистов, которые уже несколько раз похищали рукописи его книги.

Рассказывая о почетной и трудной обязанности таммовских аспирантов излагать на семинарах новейшие научные статьи, он вспоминает, как рассказывал о работе одного американского физика и при этом «чувствовал себя посланцем богов». И как после его сообщения «к доске выскочил Померанчук и в страшном волнении, теребя волосы, произнес что-то вроде: “Если это верно, это исключительно важно; если это неверно, это тоже исключительно важно”».

Померанчук, напомним, дал отзыв на Сахаровскую диссертацию. И он же называл «пузырьками» задачи, не относящиеся к большой науке – не «исключительно важные». Об этом Сахаров упомянул, рассказав о своей первой успешной маленькой теории, созданной им весной 1945 года – о распространении звука в воде, заполненной пузырьками воздуха. И с горечью заметил: «Я немало имел дело с такими несолидными вещами, по существу и то, чем я занимался с 1948 по 1968 год, было очень большим пузырем».

Надо учитывать, однако, когда это написано – в начале 1980-х годов, в горьковской ссылке, уже после того, как он переключился на теоретическую физику. После того, как он расстался с иллюзиями по поводу Советского государства и с тревогой думал, какое применение его изобретениям найдут руководители страны.

Страсть к изобретательству видна в его воспоминаниях о первом успешном опыте на патронном заводе в Ульяновске. Он прямо-таки смакует свое изобретение сорокалетней давности. Объясняет, как сердечник пули «с легким трением плавно скользит внутри наклонной медной трубки через намагничивающую катушку», а другая, размагничивающая, катушка позволяет определить, имеется ли в сердечнике «непрокаленная сердцевина, состоящая из стали с уменьшенной коэрцитивной силой» и так далее, и тому подобное.

Вряд ли больше, чем один из тысячи читателей поймет что-нибудь из его объяснений. Но остальные 999 легко поверят, что он «очень гордился» своим изобретением для проверки бронебойных сердечников, и что ему в самом деле «было немного жалко оставить ту изобретательскую работу, которая начала получаться». Еще легче поверить, что возможность термоядерного изобретательства, которая ему представилась через пять лет, притягивала его не меньше. И что, если бы не секретность, он рассказал бы о «термоядерных сердечниках» с не меньшим увлечением. Ведь там была увлекательная цель – создать звездный источник энергии на земле. Была свобода использовать любые физические идеи. И, наконец, возможность, воплотив изобретение «в железки», проверить его работу.

Когда Сахаров сказал о физике термоядерного взрыва «рай для теоретика», то это говорил не просто теоретик, а теоретик-и-изобретатель. Даже после того, как на это изобретательство легла черная тень дублирующего испытания 1962 года, Сахаров еще в течении шести лет занимался разработкой оружия и, по его словам, «работал не за страх, а за совесть».

Удивительно, что после столь длительного перерыва – почти 20 лет, – он сумел вернуться к работе в теоретической физике. Ведь физика за эти два десятилетия сильно изменилась, и, кроме того, как свидетельствует история науки, «физика – игра молодых». Особенно теоретическая физика. Главные результаты теоретики добывают в возрасте от тридцати до сорока лет. А Сахаров вернулся в теоретическую физику в сорок с лишним.

Два таланта в одном человеке могут помогать друг другу, но могут и мешать. В судьбе Сахарова было и то и другое, а, возможно, еще и третье – когда один талант спасал внутренний источник, родник творческой энергии, без которого никакой талант не работает. Во время перерыва в биографии Сахарова-теоретика родник питал Сахарова-изобретателя, и потому не заглох.

Теперь, когда известно, что именно удалось Сахарову в теоретической физике, легко рассуждать о спасительных переключениях творческой энергии. Труднее об этом было думать ему в начале 1960-х годов, когда его изобретательство становилось все более военно-промышленным, все менее оправданным морально, и… все более скучным. Сахаров знал, как быстро идет поезд научного прогресса, и не был уверен, что сорокалетний человек может вскочить в этот поезд на ходу.

Свое отставание он стал осознавать очень рано. Приехав на Объект, он, по просьбе Зельдовича, читал сотрудникам лекцию по квантовой теории поля: «К сожалению, я тогда (за два года) уже сильно поотстал, а как раз за это время произошел великий скачок. Я не знал новых методов и результатов Швингера, Фейнмана и Дайсона; мой рассказ был на уровне уже несколько устаревших книг Гайтлера и Венцеля».

Оглядывая свою научную биографию, шестидесятилетний Сахаров видел, как ему повезло. В «рукописной беседе» с женой – укрываясь от ушей ГБ в Горьковской ссылке, – он сказал-написал «о четырех годах [своего] научного максимума, позднего по обычным меркам»: «На самом деле, подарок судьбы, что я смог что-то сделать после спецтематики. Никому, кроме Зельдовича и меня, это не удалось. И в США тоже ни Теллер, ни Оппенгеймер, не смогли вернуться к большой науке. Там исключение – Ферми. Но он быстро умер и он – гений»[3].

Имя Зельдовича появилось здесь не случайно. Он сыграл важную роль в возвращении Сахарова в чистую науку, – можно сказать, втащил его туда за собой.

 

Физика Вселенной

Занятый совершенно секретными обязанностями, Сахаров следил издалека за тем, как раскрывались секреты природы. Возвращаясь из Москвы, Тамм и Зельдович рассказывали объектовским теоретикам о научных новостях. Но смотреть, как альпинисты штурмуют вершину, и быть среди них – разные занятия.

После отъезда Тамма на Объекте рядом с Сахаровым остались два выдающихся теоретика – Зельдович и Франк-Каменецкий. Они были старше Сахарова на семь и одиннадцать лет, получили важные научные результаты еще в довоенные годы и, работая в ядерном проекте, продолжали заниматься чистой физикой, публикуя статьи.

Сохранилось не слишком серьезное свидетельство того, что и Сахаров думал тогда о чистой теории. Это – листок, на котором его рукою зафиксировано пари, заключенное в 1956 году с Франк-Каменецким[4]:

17 февраля 1973 года Проблема квантового детерминизма. Существует ли однозначное решение уравнения Шредингера, описывающего все степени свободы вселенной во все времена? (17 лет тому назад Д. А. Ф[ранк]-К[аменецкий] отвечает «Нет»  А. Д. С[ахаров] – «Да»)

 

Это не просто чистая физика, это – почти метафизика, а то и теология. И поэтому отложим до последней главы вопрос, какова в этой шутке доля правды. А пока лишь заметим, что доля Сахарова в этом пари больше, чем его каллиграфия. Франк-Каменецкий много занимался физикой звезд, но то была «земная» астрофизика, основанная на астрономических измерениях и смежная с той «технической астрофизикой», которой занимались на Объекте[5]. А Вселенная как физический объект – предмет космологии, – требует совсем иной астрофизики. Слишком этот объект особый.

Конечно, не поэкспериментируешь и со звездами, но их по крайней мере много, – можно сопоставлять наблюдения. Вселенная как целое – объект принципиально единичный, и даже сказать, что видишь этот объект, а не какую-то малую, случайную его часть – требует изрядной интеллектуальной смелости. Или нахальства, или безрассудства. Так считал, например, В. А. Фок, помогавший когда-то своему учителю А. А. Фридману перевести его знаменитую статью 1922 года о расширении Вселенной на немецкий язык и написавший фундаментальную монографию по теории гравитации[6]. О таком же отношении к космологии в США в 50-е годы пишет начинавший тогда свою научную карьеру будущий нобелевский лауреат С. Вайнберг: «повсюду считалось, что изучение ранней Вселенной – это не та задача, которой должен посвящать свое время уважающий себя ученый»[7].

Космология тогда была очень далека от того, чем жила физика.

 

Возможность говорить о Вселенной как физическом объекте открыл в 1917 году Эйнштейн на основе своей теории гравитации, соединившей ньютоновское всемирное тяготение и теорию относительности. В последующие сорок лет космология давала лишь возможность говорить о Вселенной на математическом языке, а чтобы стать физической наукой, в космологии надо было научиться делать физические измерения и сравнивать их с предсказаниями теории – как должно быть в физической науке.

За сорок лет космология получила в свое распоряжение лишь один измерительный факт, хотя и очень важный. И биография этого факта красноречиво говорит о том, насколько необычна физика самого большого природного объекта – Вселенной. Факт был предсказан в 1922 году Александром Фридманом – российским математиком, увлеченно следившим за революционным обновлением физики. Посмотрев глазами математика на космологическую теорию Эйнштейна, он понял, что великий физик нашел лишь одно – самое простое – решение своих уравнений. Если бы речь шла о маятнике, то самое простое решение - когда маятник висит неподвижно. Однако маятник может и двигаться. И Фридман, исходя из уравнений Эйнштейна, обнаружил «движение» космологического маятника. Оказалось, что Вселенная может расширяться, когда все галактики удаляются друг от друга.

Статью о своем открытии Фридман назвал не особенно красноречиво «О кривизне пространства» и весной 1922 года послал ее в немецкий физический журнал – послал из разоренного гражданской войной Петрограда, еще не переименованного в Ленинград. Результат русского автора, в физике совершенно неизвестного, не лез ни в какие астрономические ворота, и Эйнштейн заподозрил математическую ошибку в рассуждениях автора. Так он написал в заметке, опубликованном в следующем выпуске того же журнале, и это - знаменитая ошибка самого Эйнштейна. Вскоре он в этом убедился и опубликовал вторую заметку, назвав результаты Фридмана «правильными и проливающими новый свет».

Но не этот теоретический свет помог космологии сделать следующий шаг, а слабый свет от далеких небесных туманностей. Их изучал американский астроном Эдвин Хаббл с помощью телескопа. Он не занимался ни гравитацией, ни кривизной пространства, ему хватало забот со своими туманностями. И его любознательное усердие было вознаграждено двумя большими открытиями. Сначала в своих туманностях он распознал гигантские скопления звезд, которые казались туманными облачками лишь потому, что находились очень далеко. Затем он понял, что в каждой из его туманностей миллиарды звезд, так же, как в Млечном пути, звездной полосой пересекающей наше ночное небо. У Млечного пути было и другое название – Галактика, - и Хаббл пришел к выводу, что далекие туманности – это далекие галактики.

С новым пылом он стал изучать слабый свет от этих галактик и обнаружил удивительный факт: чем слабее свет, тем он краснее, то есть чем дальше галактика, тем краснее ее излучение. Этот наблюдательный астрономический  факт назвали «законом Хаббла» и нашли ему удивительное физическое объяснение.  Удивительное, но понятное, однако,  каждому, кто слышал, как понижается тон гудка локомотива, который мчится мимо: чем быстрее мчится, тем сильнее понижается. Так же и галактики: чем она дальше, тем с большей скоростью удаляется.

Теоретики, следившие и за астрономией и за физикой, быстро сообразили, что это и есть предсказанное Фридманом расширение Вселенной. То был астрономический триумф теоретической физики. И других таких триумфов не было еще три с лишним десятилетия. Астрономы лишь уточняли измерения Хаббла.

Жить в расширяющейся Вселенной, однако, не всем было уютно, и некоторые теоретики стали искать иное объяснение для дальнегалактических наблюдений. Искали и нашли в мутноватой воде новейшей микрофизики. Выглядело это объяснение как покраснение частиц света – фотонов – за огромное время их путешествия от далеких, но покоящихся галактик к наблюдателю. Маленький эффект покраснения фотонов заменял грандиозную картину всеобщего разбегания галактик, или расширения Вселенной.

Эту анти-грандиозную гипотезу опроверг в 1936 году российский теоретик Матвей Бронштейн, который знал толк и в микрофизике и в космологии. В результате космология надежно оперлась на астрономические наблюдения, но одной точки опоры мало для устойчивого равновесия, и это совершенно не похоже на другие части физики, которые опираются на тысячи разнообразных наблюдений-измерений. К тому же космология не влияла в исследованиях строения вещества, где действуют силы, превосходящие гравитацию в астрономическое число раз. Только если собрать в одном месте столь же астрономическое количество частиц, гравитация становится соизмеримой с другими силами.

Все это вместе взятое делало космологию уважаемой, но чудаковатой далекой родственницей физического семейства. Считанным теоретикам хватало любознательности, чтобы стать профессионалами и в космологии и в физике микромира. Одним из считанных был Ландау, включивший теорию гравитации в свой знаменитый «Курс теоретической физики». Это помогло начинающему теоретику Сахарову держать в поле зрения далекую родственницу ядерной физики. В тетради, где он отмечал заинтересовавшие его статьи, рядом с новостями тогдашней микрофизики можно увидеть записи о «расширяющейся вселенной» из журнала «Physical Review» за 1949 год[8]. Но переезд в следующем году на Объект и развернувшаяся там спецфизика заслонили вселенную на годы.

В начале 1960-х годов, неожиданно для многих, космология из чудаковатой старой девы преобразилась в юную, волнующе-загадочную особу. И уже в 1967 году Зельдович вместе со своим сотрудником выпустил книгу, подытожив первые годы бурной физической молодости космологии[9]. В книге изложена и давняя работа Бронштейна по физической космологии, хотя расширение Вселенной стало очевидным после открытия (1965) космического фонового радиоизлучения, равномерно заполняющего Вселенную. Это замечательное явление, подобно хаббловскому разбеганию галактик, было тоже предсказано (Гамовым в 1948 году) и тоже обнаружено случайно. Космическое радиоизлучение оказалось того же рода, что и тепло, идущее от печки. Только от печки, «нагретой» до температуры минус 270°С, всего на три градуса выше абсолютного нуля. Не зря искусство экспериментаторов-открывателей заслужило нобелевскую премию. А теоретикам это излучение сказало нечто важное о начале расширения Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то, значит, раньше они были ближе друг к другу и, значит, когда-то образовывали сплошное вещество, не разделенное космическими пустотами. А нынешнее чуть теплое вселенское излучение когда-то было сверхгорячим, и, значит,  вещество Вселенной было разогрето до огромных температур. То непонятное, что происходило тогда – миллиарды лет назад, – назвали Большим взрывом или рождением горячей Вселенной. По мере расширения Вселенной излучение остывало, и за миллиарды лет – остыло в миллиарды раз. Но все же высокочувствительные приборы обнаружили этот реликт Большого взрыва, отсюда и название – реликтовое излучение.

Кроме этого, самого впечатляющего космологического открытия в 1960-е годы астрофизики открыли и другие удивительные явления. В словарь науки вошли новые слова: квазар, пульсар, черная дыра. И в эту область, где новейшие экспериментальные открытия соединялись с теоретическими загадками немыслимо далекого прошлого вошел – ворвался – Зельдович, опубликовав свою первую работу по космологии в 1961 году. «Вслед за ним о «большой космологии» стал думать» и Сахаров - так он написал в своих воспоминаниях. К тому времени Зельдович был уже автором нескольких десятков работ по фундаментальной физике, он и не прерывал свое общение с чистой наукой. А Сахаров все еще был сосредоточен на спецфизике.

 

На пути от «атомной Проблемы» к проблемам Вселенной

Сахаров и Зельдович уже по внешнему стилю научной жизни различались радикально. Говорят, склонность к поли- или моногамии заложена глубоко в структуре личности. Зельдович легко заводил «романы» с разными научными идеями и доводил их до рождения публикаций. За свою жизнь он опубликовал около трехсот работ в чистой науке при нескольких десятках соавторах. У Сахарова всего две дюжины чисто научных работ и никаких соавторов - за исключением самого Зельдовича, который знал что делает, увлекая Сахарова за собой в чистую науку. Для теоретиков вне Объекта, знакомых лишь с опубликованными результатами, Сахаров в 50-60 был темной лошадкой. А Зельдович безо всяких публикаций, на собственном опыте знал, что это, по его выражению, «говорящая лошадь», - настолько редкостным он считал его талант[10]. Их первая совместная статья (1957 года) восходит к фиановскому отчету Сахарова о так называемом мюонном катализе*. В своих рабочих тетрадях Зельдович тогда, не сдержав эмоций, написал: «глубочайшая идея АДС»^[11].

Глубокие идеи, конечно, не могут рождаться часто. Один из теоретиков Объекта запомнил фразу Зельдовича: «Андрей Дмитриевич, у Вас уже второй год ни одной сногсшибательной идеи»[12].

Сахарову с его малой общительностью не найти было более подходящего окна в науку. Зельдович заменял сразу несколько семинаров. С его остротой восприятия и быстротой мышления он обо всем слышал, всем интересовался, даже если сам в данный момент и не занимался этим. В довоенные годы, к примеру, его занятия вовсе не касались космологии, но услышанную в научной юности красивую теорию Бронштейна «взял с собой» и, тридцать лет спустя, изложил в первой советской книге по космологии. При этом история науки его мало занимала. По его словам, «прошлое Вселенной бесконечно интереснее прошлого науки о Вселенной»[13]. Быть может, потому, что для понимания истории науки – даже такой чистой науки, как космология – одной лишь науки недостаточно. Особенно, когда речь идет о повороте от физики супербомб к физике Вселенной. Объясняя этот крутой поворот в своей научной автобиографии, семидесятилетний Зельдович упомянул «атомную проблему», которая его «целиком захватила»:

«В очень трудные годы страна ничего не жалела для создания наилучших условий работы. Для меня это были счастливые годы. Большая новая техника создавалась в лучших традициях большой науки. <...> К середине 50-х годов некоторые первоочередные задачи были уже решены. <...> Работа в области теории взрыва психологически подготавливала к исследованию взрывов звезд и самого большого взрыва – Вселенной как целого. <...> работа с Курчатовым и Харитоном дала мне очень много. Главным было и остается внутреннее ощущение того, что выполнен долг перед страной и народом. Это дало мне определенное моральное право заниматься в последующий период такими вопросами, как [элементарные] частицы и астрономия, без оглядки на практическую ценность их»[14].

О бомбах здесь ни звука, но предполагается, что читатель все понимает. И есть почти все, чтобы объяснить поворот в научной биографии Зельдовича, хотя кое-что перевернуто или нуждается в переводе с советского языка на простой русский. Не помешает и перевод на американский язык. Ведь в США столь же сильное преображение испытал участник американской «атомно-водородной» проблемы Джон Уилер[15]. Напомню, что секретно-термоядерный документ, пропавший у него в поезде в 1953 году, подозревали в пересечении советской границы. Еще больше оснований думать, что Уилер «завербовал» своего термоядерного коллегу Зельдовича для изучения гравитации, - за несколько лет до того, как Зельдович занялся гравитацией в СССР, ведущим гравитационистом в США стал Уилер. Узнать, что видный американский ядерщик сменил профессию, можно было не похищая никаких документов, достаточно было открыть ведущий физический журнал  «Physical Review». Впрочем, говоря серьезно, для физика столь одаренного, как Зельдович, внешний пример не столь влиятелен, как внутренние мотивы.

Способность к лидерству может пояснить, почему оба теоретика-оружейника стали национальными лидерами в гравитации и космологии. Но само изменение их научных ориентаций связано с чем-то другим. И это «другое» у них сходно несмотря на все различия социализма и капитализма.

Перечитывая приведенные строки Зельдовича и не упуская написанное между строк, получим такую картину. К концу 1950-х годов (в США несколько раньше) теоретическая физика термоядерного оружия исчерпалась (сменившись физикой инженерной). Первоочередная задача «большой новой техники» действительно была решена: американские и советские физики совместными усилиями создали для политиков «бич Божий». Его назвали Взаимное Гарантированное Уничтожение – способность каждой из сверхдержав уничтожить другую, даже после внезапной массированной атаки противника.

В результате власть имущие, осознав взаимосвязь «большой новой техники» и «большой науки», испытывали почтение к тем, кто эту связь осуществил, и предоставили им возможность заниматься, чем они хотят (думая при этом, что их неземные занятия тоже могут привести к какой-то новой оружейной технике). Тем более, что на теоретические исследования денег надо совсем немного. Гораздо больше тратилось на экспериментальную науку – ускорители частиц и космические аппараты.

«Работа в области теории взрыва» если и готовила к космологии, то лишь приучая к дистанции между теорией и ее проверкой и, соответственно, приучая теоретика к смелости. Теорию термоядерной бомбы физики строили, не имея возможности проверять свои расчеты на маленьких, пробных, лабораторных бомбочках. Сначала полная теория, и только потом полномасштабный мегатонный взрыв … или пшик. Космология с этим сопоставима не масштабами, а психологией: нужна смелость решиться строить теорию столь ненаблюдаемого объекта как Вселенная миллиарды лет назад!

И, наконец, то, что Зельдович назвал моральным правом заниматься вопросами «без оглядки на практическую ценность их». Легко себе представить, что термоядерные грибы, которые выращивали на Объекте, выполняя «долг перед страной и народом», так осточертели любознательным теоретикам, что хотелось уйти от их «практической ценности» куда подальше.

Куда уйти, подсказывали уже газеты того времени, заговорившие о космических объектах науки. Теоретики Объекта лучше других знали, что за сигналами первого спутника и улыбкой Гагарина скрывалась не чисто научная фантазия, а другая «большая новая техника», предназначенная доставлять за тысячи километров ту технику, которую придумывали они. Но они же лучше других понимали, что удаление от поверхности планеты уже на сотню километров необычайно расширяет горизонт и в прямом, и в переносном смысле. Это подтвердилось очень скоро. Открытие реликтового излучения – наследия горячих мгновений рождения Вселенной, – сделали в 1965 году случайно, но совершенно неслучайно то, что это открытие сделали при разработке радиосвязи со спутниками.

Конечно, эти факторы сработали в биографиях Зельдовича и Сахарова лишь потому,  что теория гравитации и космология рождали интригующие вопросы о настоящих тайнах природы в чистом виде. И раскрыть их могла только чистая наука.

Рассказывая о своем возвращении в эту самую чистую науку, Зельдович в творческой автобиографии 1984 года не упоминает имя Сахарова (тогда уже пятый год пребывавшего в ссылке), но в космологию – за двадцать лет до того, – они входили вместе.

Свою новую науку Зельдович назвал «релятивистской астрофизикой», то есть физикой космических явлений, для понимания которых необходима теория относительности. Релятивистская астрофизика объединила физику экзотических объектов в космосе и физику Вселенной в целом как экзотически единичного объекта, хотя это две очень разные экзотики. Квазар, пульсар, черную дыру можно себе представить среди светящихся звезд на небосводе. И легко представить себе, что телескоп показывает эти звездоподобные объекты со все большим увеличением, со все большей детальностью. Но никаким телескопом не увидеть Вселенную как целое. Здесь необходимы зоркие глаза интеллекта, – умение видеть то, что невидимо для других.

Если по публикациям судить о том, как входили в космологию Зельдович и Сахаров и кто из них был впередсмотрящим, то лидерство Зельдовича не вызывает сомнений. Ко времени первой статьи Сахарова по космологии (1965) Зельдович был уже автором более двух десятков. Однако если вглядеться в их неформальное научное общение, возникнет иная картина.

Вспомним пари, заключенное с Франк-Каменецким в 1956 году, за пять лет до первой космологической публикации Зельдовича. Из короткого текста пари ясно, что уже тогда Сахаров держал перед своими глазами такой физический объект, как «вселенная со всеми степенями свободы во все времена».  Сахаровский серьезный стиль – даже в чувстве юмора -  исключает, что он без особых размышлений соединил трудно сочетаемые слова, просто ради красного словца. Стало быть, уже в 1956 году он считал вполне законным очень странный физический объект – Вселенную. По тем временам это был крайне экзотический объект для работающего физика. И в окружении Сахарова не видно никого, кто помог бы ему выработать этот взгляд. Один из близких сотрудников  Сахарова пишет, что когда тот увлекся космологией, его учитель Тамм выразил «удивление и сожаление по этому поводу, говоря, что эти гипотезы невозможно ни доказать, ни опровергнуть в обозримое время»[16].

Так что, зная отношение Зельдовича к «глубочайшим» и «сногсшибательным» идеям своего коллеги и товарища по оружию, можно думать, что как раз уверенность Сахарова в законности физического объекта – Вселенной как целого, – могла укрепить Зельдовича в решении взять этот объект в свой арсенал.

В 1966 году, через десять лет после космологического пари своих друзей по Объекту, Зельдович пришел к необычной идее: заполнить пространство Вселенной… вакуумом. Знакомство с этой идеей нам еще предстоит, а Зельдович, рассказав о ней на семинаре, встретил безжалостную критику. После семинара он позвонил Сахарову, рассказав о своей работе. Новая идея настолько понравилась Сахарову, что он сделал следующий шаг - шаг вглубь и шаг необычайно смелый.

Смелость Сахарову придала первая после долгого перерыва чисто-научная работа, которую он начал в 1963 году и опубликовал в 1965-м. Делал он ее, следуя направлению мыслей Зельдовича, и завершил статью благодарностью ему за «многочисленные обсуждения [которые] привели к постановке всей проблемы в целом и обогатили работу рядом идей»[17].

В той статье Сахаров исходил из предположения Зельдовича о «холодной» Вселенной. Открытие реликтового излучения доказало, однако, что ранняя Вселенная была горячей. И поэтому первая работа Сахарова по космологии пошла в архив «безработных идей» теоретической физики (считается, что до 95% новых теоретических идей идут в этот архив). Тем не менее эта работа стала поворотной для Сахарова, и он даже запомнил день, когда ему удалось найти решение одного трудного вопроса – 22 апреля 1964 года: «…я вновь уверовал в свои силы физика-теоретика. Это был некий психологический «разбег», сделавший возможными мои последующие работы тех лет».

Его новую уверенность в своих силах запечатлела «программа на 16 лет», которую он составил для себя, на одном листке бумаги, в 1966 году. Почему шестнадцать? Быть может, потому что шестнадцать предыдущих лет он провел на Объекте, в отрыве от большой науки. Видимо, по той же причине программа включила в себя шестнадцать тем, начиная с солидной «Фотон + Гравитация» и кончая таинственным «Мегабиттрон».

Особого внимания заслуживает пункт 14 в этой программе. Похоже, поставив себе цель набрать 16 задач, он задумался в этом месте, поставил вопросительный знак и, вспомнив, как трудно наука поддается планированию, дописал:

 «14) “?” Именно это я и буду, наверно, делать»

Он оказался прав, – «именно этим», незапланироованным, он и занялся очень скоро, и даже уместил в этот пункт две самые яркие свои теоретические работы.

Во-первых, он придумал объяснение, почему во Вселенной частиц гораздо больше чем античастиц, или, на языке физики, предложил путь к объяснению барионной асимметрии Вселенной. То была самая успешная из его чисто физических идей.

А по красоте с ней может конкурировать выдвинутый им новый подход к гравитации. В старом всемирном тяготении он увидел проявление ультрамикроскопических свойств самого пространства-времени.

Эти сахаровские идеи 1966-1967 годов заслуживают более подробного рассказа.

 

Симметрия в асимметричной Вселенной

Неблагодарное дело - искать точное определение слову «красота». Среди его синонимов - таких, как гармония, соразмерность, – к миру точных наук ближе всего слово «симметрия». Это понятие математически точное и, кроме того, очень наглядное. Симметрия крыльев бабочки - самый простой (и симпатичный) пример. Всякая симметрия – это закономерность формы, в силу которой это форма не меняется при каких-то переменах. Если правое крыло бабочки отразить в зеркале и поставить на место левого, никакой энтомолог разницы не заметит.

Простое свойство из обыденного мира, получив математически точное определение, 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. Но почему? Потому что не знает, куда упасть: все направления, поперечные его оси, равноправны, – все направления в пространстве симметричны относительно этой оси. Такая 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 и, 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.

«…Электродинамика 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 1920-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 электроном, когда необходимы сразу обе теории. Он нашел возможность объединить теорию относительности и квантовую механику в одном элегантном хотя и необычно выглядящим уравнении для электрона.

Одна лишь проблема мешала аплодисментам. Для уравнения Дирака помимо электрона требовалась еще одна частица – в чем-то очень похожая на электрон, а в чем-то прямо противоположная. Масса эта частица должна была совпадать с электронной, а заряд иметь противоположный. Настолько противоположный, что встреча такой частицы с электроном закончилась бы их аннигиляцией, т.е. взаимоуничтожением.

Никаких частиц, кроме хорошо известных электронов и протонов, физика тогда не знала, но Дирак решился поверить в симметрию своего уравнения, предсказал новую частицу и дал ей название «антиэлектрон». Спустя считанные месяцы экспериментаторы обнаружили в космических лучах такую частицу, но первооткрыватель назвал ее позитроном – из-за ее позитивного заряда, что особенно изумило экспериментатора. Для теоретиков же главное свойство новой частицы – быть антикопией электрона.

Позже были открыты другие элементарные частицы, и их антикопиям уже давали правильные имена: антипротон, антинейтрон, анти-S⁺ гиперон… Главное взаимоотношение частицы и ее античастицы по-прежнему в том, что при встрече они аннигилируют – взаимно уничтожаются. При этом рождаются новые пары частица-античастица или частицы света – фотоны, наследующие суммарную энергию родительской пары.

Мощь симметрии в объяснении реального мира убедила Дирака в том, что, как он говорил, «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 совершенно гуманитарной Лидии Чуковской свою способность писать зеркально и написал «электрон + позитрон = 2 фотона». Затем он написал ее имя-отчество одновременно двумя руками в противоположных направлениях, а она безуспешно попыталась воспроизвести его фокус.

                           

Зеркальная симметрия, или симметрия бабочки, так же как зеркальная асимметрия, воплощенные в этом двойном автографе, причастны к самой значительной идее Сахарова в космологии. В 1966 году, уже составив себе научный план на шестнадцать лет вперед, Сахаров обратил внимание на обозначившуюся тогда асимметрию природы: античастиц в окружающей нас Вселенной очень мало по сравнению с частицами.

 С тех пор, как Дирак предсказал существование античастиц, вещество и антивещество имели равное право на существование - чисто теоретически. А практически, после того, как экспериментаторы открыли в 1932 году первую античастицу – антиэлектрон (позитрон), следующую античастицу, антипротон, удалось наблюдать лишь через три десятилетия. И лишь в конце века экспериментаторы сумели из антипротонов и антиэлектронов сделать первые, простейшие антиатомы – атомы антиводорода. Сделали всего несколько штук, и прожили эти атомы 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» – вторая профессия дала о себе знать. Итак, соприкосновение двух таблеток с ноготок провело бы к такому же взрыву, как 20 тысяч тонн, или десять эшелонов, обычной взрывчатки.

После такого пояснения сразу пропадает сочувствие к экспериментаторам, создающим анти-атомы. Подумать страшно, 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 1930-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 физики назвали барионами. А видимое отсутствие антибарионов назвали барионной асимметрией Вселенной.

Пока физики смотрели на Вселенную просто как на собрание всевозможных астрономических объектов, можно было думать, что только в космических окрестностях Земли так сильно преобладает вещество, а где-то есть и звезды и планеты из антивещества. Поэтому астрофизики искали признаки антивещества в космосе. Писатели-фантасты устраивали драматические встречи земного космического корабля с неземным и – вполне возможно! – состоящим из антивещества. А остряки предложили способ узнать, не из антимира ли прилетел корабль, – если среди физиков на борту корабля преобладают антисемиты.

Ситуация изменилась после открытия в 1965 году реликтового космического излучения. Даже скептики поверили, что к Вселенной можно относиться как к единому физическому объекту с историей, определяемой законами физики. Стало ясно, что Вселенная когда-то была очень горячей. Оставшееся от того времени реликтовое излучение остыло до температуры, лишь на три градуса теплее абсолютного нуля, – но зато этого излучения очень много – оно заполняет все пространство Вселенной. А обычное вещество сосредоточено в звездах и планетах, разделенных огромными расстояниями.

Если излучение и вещество пересчитать на частицы – фотоны и барионы, то окажется, что сейчас на один барион приходится около миллиарда фотонов – сегодняшних «еле теплых» фотонов.

А что было вчера? Вчера, когда Вселенная была меньше в размерах, фотоны – по законам физики– были горячее. И если углубиться в прошлое достаточно далеко, то был момент, когда энергии среднего фотона хватало, чтобы родить пару барион-антибарион. До того момента фотоны легко превращались в такие пары, а всякая пара при встрече так же легко превращалась в фотоны – аннигилировала. Поэтому в то горячее время подобных пар было примерно столько же, сколько фотонов. А, значит, пар барион-антибарион было в миллиард раз больше, чем дошедший до наших дней избыток барионов над антибарионами. Эти барионы остались после того, как фотоны остыли настолько, что их энергии уже не хватало на рождение новой пары.

Значит, в юной горячей Вселенной барионов было лишь на одну миллиардную часть больше чем антибарионов. Так что барионная асимметрия, присущая природе, не просто мала, а вызывающе мала.

Сахарову, во всяком случае, было «трудно представить себе», что изначально, по природе вещей, на 1000 000 000 фотонов, приходилось столько же антибарионов, а барионов всего на одну штуку больше – 1000 000 001. Такие изначальные числа, по словам Сахарова, «“режут глаз”, “такого не может быть”. Именно это обстоятельство (как видит читатель, из области интуиции, а не дедукции) и было исходным стимулом для многих работ по барионной асимметрии, в том числе и моей».

Было оно стимулом и для Стивена Вайнберга, нобелевского лауреата 1979 года и автора бестселлера о первых три минутах Вселенной. В 1977 году он писал: «Число барионов, приходившееся на один фотон, могло вначале иметь какую-то разумную величину, возможно, близкую к единице, а затем могло упасть до нынешнего малого значения из-за образования многих фотонов. Загвоздка здесь в том, что никому не удалось предложить механизм образования таких лишних фотонов. Несколько лет тому назад я сам пытался что-нибудь придумать в этом роде, но безуспешно»[18]. Поэтому Вайнберг решил игнорировать все «нестандартные возможности» и принял барионную асимметрию как факт, не поддающийся объяснению.

К выходу книги Вайнберга на русском языке в 1981 году, однако, обнаружилось, что зря он проигнорировал нестандартную возможность, указанную Сахаровым в 1967 году. Зельдович, под редакцией которого выходил русский перевод книги Вайнберга, посвятил этой возможности специальное дополнение. Но и сам Зельдович, первым узнавший о сахаровской работе, долго считал ее слишком нестандартной, чтобы быть правильной. Сахаров вспоминает их разговор 1967 года:

«Яков Борисович спросил, какая из моих чисто теоретических работ больше всего мне нравится. Я сказал: “Барионная асимметрия Вселенной”. Он как-то весь сморщился, сжался: “Это та работа, где барионный заряд не сохраняется и время течет в обратную сторону?” – “Да, та самая”. Зельдович промолчал, но было ясно, что он сильно сомневается в ценности этих моих идей».

Новая идея Сахарова показалось «фантастической и безумной» также Е. Л. Фейнбергу. Получив экземпляр статьи с дарственной надписью, он подумал: «Ну, конечно, Сахаров может себе все позволить, даже такую фантастику»[19]. Дарственная надпись была стихотворной:

Из эффекта С. Окубо при большой температуре для Вселенной сшита шуба по ее кривой фигуре.

Что же такое фантастическое и безумное крылось за этим стишком?

Барионная фигура Вселенной лишь слегка кривая, всего на одну миллиардную. Ни один портной не станет принимать в расчет, если правое плечо клиента на один миллиметр выше левого. Различие, в миллион раз меньшее, озадачило Сахарова лишь потому, что в этом различии он угадал нечто, связанное с самим происхождением Вселенной.

 

Три условия для ранней Вселенной

Американский теоретик японского происхождения Сусуму Окубо о космологии не думал. В середине 1950-х годов он занимался физикой элементарных частиц, когда там всплыли свои загадочные асимметрии. До того времени молчаливо считалось, что в мире элементарных, простейших, частиц все должно быть в высшей степени симметрично. У этих точечных частиц вещества не было ничего похожего на правую и левую руку. И потому не должно было быть ничего похожего на асимметрию правшей и левшей в мире людей. В микромире царила, как считалось, зеркальная симметрия - полный паритет (Рarity) правого и левого, или P-симметрия. Как у крыльев идеальной бабочки.

Точнее говоря, считалось, что если возможно некоторое явление в мире элементарных частиц, то, отразив это явление в зеркале – поменяв местами правое и левое, получилось бы явление столь же возможное. Однако в 1956 году произошло знаменательное событие - экспериментаторы обнаружили, что мир элементарных частиц не вполне P-симметричен, то есть существуют явления, зеркальная копия которых не столь же возможна.

Обнаруженная асимметрия микромира 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. Операция Т поворачивает время (Time) вспять, – заменяет всякое движение на противоположное. Представим себе все частицы белыми биллиардными шариками, а их античастицы - черными. Тогда операция P заменяет всё на зеркально-отраженное,  операция С меняет цвет шариков на противоположный, а операция Т столкновение шариков, записанное на видеопленку, заменяет на такое, когда пленку пускают в обратную сторону.

Каждая из операций Р, С, Т подобна взмаху волшебной палочки. Так что в 1956 году физики, к своему удивлению, обнаружили, что взмах Р-палочки меняет микромир. Из основных принципов теории следовало только то, что взмах сразу тремя палочками одновременно ничего в физике не меняет. Это назвали СРТ-симметрией.

А по отдельности? Несколько десятилетий физики были уверены, что жизнь микромира симметрична для любой из С-, Р-, Т-волшебных палочек. Быть теоретиком в таком мире, может быть, и проще, но…  Если бы у людей правая и левая руки были одинаковы, то делать перчатки было бы в два раза проще. Однако вряд ли можно понять человеческий мир, не различая правого и левого полушарий мозга – образного и логического. Простота, говорят, бывает хуже воровства. Переупрощение мира крадет у него глубину.

Беда в том, что нет точных инструкций, как избежать переупрощения. Надежный инструктор только один - это эксперимент, как умный вопрос, умело заданный самой природе. 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 был построен. Ландау обнаружил, что все известные тогда P-асимметричные явления подчиняются комбинированной CP-симметрии и провозгласил эту симметрию новым законом природы: одновременный взмах C- и P-палочками не меняет мира[20]. Иначе говоря, Ландау предположил, что бабочка микромира имеет вид

Этот вид не изменится, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета – частицы поменять местами с античастицами.

Работа Ландау, находящаяся на самом переднем крае науки привлекла большое внимание. То была его первая советская статья, посланная в журнал «Nuclear Physics», и, по воспоминаниям Окубо, ее опубликовали немедленно безо всякого рецензирования[21].

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 своей статье 1958 года он указал, что если CP-симметрия не соблюдается, то частица и античастица, имея одинаковые времена жизни, могут по разному свои жизни кончать, по разному распадаясь на другие частицы[22].  Это оставалось чисто теоретической возможностью до 1964 года, когда экспериментаторы обнаружили, что CP-симметрия, действительно, не абсолютна. Оказалось, что и она нарушается, хотя и очень мало.

Как ни удивительно, главный теоретик советско-термоядерного оружия следил за этими тонкими перипетиями, не имевшими отношения к его служебной спецфизике. Об этом говорит отзыв Сахарова о CP-работах Ландау, направленный в комитет по Ленинским премиям в области науки 18 декабря 1958 года. Отзыв он подытожил: «По своему влиянию на развитие науки в нашей стране и во всем мире Ландау стоит на одном из первых мест»[23]. Ленинскую премию, однако, Ландау тогда не дали. И вряд ли потому, что в ЦК иначе смотрели на проблему CP-симметрии. Они там, в ЦК, уже целый год смотрели на пространный отзыв из КГБ, согласно которому у Ландау повернулся язык сказать, что «Ленин был первым фашистом»[24]. И такому давать Ленинскую премию!?

При всем тогдашнем несогласии Сахарова с антиленинской фразой Ландау, он вряд ли счел бы это относящимся к делу – к оценке научной работы Ландау. Не относилось к делу и то, что гипотеза Ландау 1957 года о комбинированной СР-симметрии оказалась опровергнута экспериментом в 1964-м. Главное, что эта работа 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 у него родилась идея о микрофизическом происхождении этой асимметрии – «кривой фигуры» Вселенной.

Он исходил из того, что в микромире действует лишь самая общая CPT-симметрия, что бабочка микромира выглядит так:

Она не изменится только если сделать сразу три перестановки: правое и левое, частицу и ее античастицу, прошлое и будущее (перевернуть букву T).

Рядом с этой бабочкой микромира Сахаров, можно сказать, поставил бабочку расширяющейся горячей Вселенной:

Он использовал CPT-симметрию микрофизики для объяснения асимметрии Вселенной. В эпоху Большого взрыва вещество было так сжато, что элементарные частицы чувствовали друг друга, и Вселенная жила, можно сказать, по законам микромира. По идее Сахарова, именно тогда асимметрия Вселенной складывалась в процессах, бурлящих в каждой микро-точке космического пространства. На языке наглядных симметрий можно сказать, что T-асимметрия расширения позволила породить наблюдаемую С-асимметрию – разное содержание частиц и античастиц в P-асимметричных крыльях Вселенной по разные стороны от Большого Взрыва. Помимо крыла вселенской бабочки, видного астрономам, физик-теоретик Сахаров увидел 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, и 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.

В конце статьи Сахаров благодарит «за обсуждение и советы» шестерых физиков, начиная с Зельдовича[25]. Зельдович привел Сахарова в Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), к ученикам Померанчука – Б. Л. Иоффе, И. Ю. Кобзареву и Л. Б. Окуню. Сахаров писал, что «только с некоторой натяжкой может считать себя специалистом по физике элементарных частиц»[26]. ИТЭФовцы могли считать себя специалистами без всяких натяжек, они всё знали о C, P, T и обо всём таком. Из дискуссии с ними у Ландау возникла его CP-идея.

И все же Лев Окунь, помогавший Сахарову советами, считает его статью о барионной асимметрии Вселенной «одной из самых глубоких и смелых статей XX века»[27]. Смелость была ясна сразу: ведь Сахаров посягнул на казавшийся тогда незыблемым физический закон - закон сохранения барионного заряда.

В школе изучают только электрический заряд, и сохранение его заложено в самих законах электромагнитного поля. А сохранность барионного заряда – числа всех барионов минус число антибарионов, - не следовала из какой-то «теории барионного поля». Эта сохранность опиралась лишь на то, что не наблюдалось иное, в частности, не наблюдался распад самого первого бариона, протона, на какие-то небарионы. Этот факт был достоин уважения, и Сахаров проявил своё уважение в том, что количественно оценил темп распада протона в предложенной им теории. Распад оказался «астрономически» медленным, что объясняло, почему он не наблюдался, – требовалась невиданная точность измерений.

Уважать факт или беспрекословно ему подчиняться, решает сам исследователь. В конце 1960-х годов XX века почти все физики, включая Зельдовича, выбрали абсолютное подчинение барионной симметрии. История провела мини-опрос общественного мнения по этому вопросу и среди американских коллег Сахарова и Зельдовича. Как раз в 1966 году Р. Оппенгеймер и Э. Теллер в своих статьях выразили безоговорочную веру в закон сохранения барионного заряда[28]. А Теллер на своей уверенности основал даже гипотезу: квазар – это столкновение галактики и анти-галактики, которых во Вселенной должно было быть поровну. Как пел в те годы Окуджава: все поровну, все справедливо, на каждого умного - по дураку, на каждый прилив - по отливу. И, аналогично, на каждый протон - по антипротону, а на каждую галактику - по антигалактике.

Почему в 1966 году Сахаров вышел из этого единогласия? Быть может, он глубже других усвоил только что преподанный урок CP-симметрии, согласно которому в физике, как в правовом государстве, разрешено все, что не запрещено законом. Или глубже осознал факт космологической асимметрии вещества-антивещества и не стал себя уговаривать, что наблюдаемую с Земли – «местную» - асимметрию как-нибудь удастся совместить с симметрией обще-вселенской. Фактически, речь идет о научной интуиции, которая знает о фактах и теориях, но к ним не сводится.

Когда в 1948 году Сахаров пришел к мысли, что полученный из рук Зельдовича проект термоядерной бомбы ведет в никуда, и придумал совершенно новый путь, это сработала его научная интуиция. И Зельдович «мгновенно оценил серьезность» новой мысли. В 1966-м году предложенный Сахаровым путь слишком круто уходил от протоптанных дорог, и Зельдовичу, на глазах которого работала интуиция Сахарова, потребовались годы, чтобы оценить серьезность нового пути. Это произошло, когда развитие теории элементарных частиц также поставило под вопрос стабильность протона. Тогда сахаровское объяснение барионной асимметрии Вселенной заняло, наконец, свое место в арсенале современной физики. По словам Окубо, «хотя эта идея кажется сейчас такой простой, понадобился гений Сахарова, чтобы соединить много разных сторон теории в стройную картину»[29].

Картину эту рано еще вставлять в золоченую рамку. Физики разных стран экспериментально изучают элементы этой картины. Это - обычная судьба развития физических идей,  когда, сотрудничая и соперничая, международное сообщество ученых добывает знание для всего человечества.

К чему приведет экспериментальная проверка и развитие теории, объясняющей асимметрию вещества и антивещества, мы узнаем в наступившем тысячелетии. А в обзоре перспектив более близкого будущего в журнале «Scientific American» читаем: «Можно себе представить, что Вселенная родилась кривобокой, то есть уже с самого начала имела неравные количества частиц и античастиц.<...> Теоретики предпочитают альтернативный сценарий, в котором численности частиц и античастиц в ранней Вселенной были одинаковы, но по мере ее расширения и охлаждения частицы стали преобладать. Советский физик (и диссидент) Андрей Сахаров указал три условия, необходимые для накопления этой асимметрии»[30].

Указав одним из этих условий несохранение барионного заряда - или нестабильность протона, - Сахаров стал диссидентом в физике. Он решился сказать вслух о том, что увидел глазами своей интуиции, когда другие этого еще не видели или не решались увидеть. Действительно ли он разгадал новый закон природы, пока еще неизвестно. Но известно, что тайны природы раскрывают себя лишь подобным диссидентам.

Если в центре этой главы находится работа Сахарова, то не потому, что эта работа была в самом центре теоретической физики или даже той ее части, которую Сахаров считал своей – «элементарные частицы, гравитация и космология»[31]. Сотни теоретиков работали в каждой из этих трех областей, об их приключениях и достижениях написано в других книгах. Сахарова отличало то, что он соединил эти три области – элементарные частицы, гравитацию и космологию. В его работе впервые конкретное свойство Вселенной как целого определялось свойствами микромира. Сахаровское объяснение барионной асимметрии Вселенной в 1967 году лишь открыло новое направления научного поиска, а не закрыло его в виде исчерпывающей законченной теории. Это направление иногда называют космомикрофизикой – соединением физики микромира и Мегамира.

До сих пор обнаружить распад протона остается целью экспериментаторов, и цель эта одновременно касается так называемого Великого Объединения, призванного объединить все фундаментальные силы природы за исключением гравитации.

 

Упругость пустоты

На гравитацию была нацелена другая идея Сахарова, которую судьба подарила ему в 1967 году. К этому подарку был причастен Зельдович, решивший заполнить пустоту вакуумом - пустое пространство-время эйнштейновской теории гравитации заполнить квантовым вакуумом микрофизики.

Пустое пространство-время тогда уже не напоминало ящик без стенок, наполненный тиканьем невидимых часов. Еще в конце 1940-х годов экспериментаторы подтвердили то, о чем теоретики говорили с начала 1930-х: если из какого-то сосуда удалить все содержащееся в нем вещество, то останется не безжизненная пустота, как можно подумать «невооруженным мозгом». Там тихо бурлит жизнь, все время рождаются и погибают – флуктуируют – частицы, и это безостановочное кипение оказалось возможным заметить «вооруженным глазом» экспериментатора. Безостановочное бурление флуктуаций меняет цвет пламени. Меняет очень мало, но экспериментаторы ухитрились это изменение заметить. А чтобы забыть о старомодной пустоте, слово это перевели на латынь. Получилось — вакуум.

Устройство вакуума экспериментаторы разглядывали в «микроскоп», а Зельдович предложил посмотреть в телескоп. Он предположил, что живой вакуум, открывшийся микрофизике, может оказывать гравитационное действие и на Мегамир – на темп расширения Вселенной. Так он рассчитывал объяснить новые астрономические данные о странном распределении квазаров[32].

О своей идее Зельдович рассказал на семинаре в ФИАНе - и не нашел никакого сочувствия. Идея противоречила привычным взглядам, что вакуум воздействует лишь на элементарные частицы, а для больших – макроскопических – тел вакуум остается прежней пустотой. В глазах физиков неосновательным был и повод, побудивший Зельдовича сказать столь новое слово в науке. И в самом деле, «наблюдательный факт», возбудивший творческую фантазию Зельдовича, в новых наблюдениях скоро рассеялся как мираж. Не только поэзии касаются слова Анны Ахматовой:

Когда б вы знали из какого сора
Растут стихи, не ведая стыда,
Как желтый одуванчик у забора,
Как лопухи и лебеда…

 

Научные идеи тоже иногда начинают свою жизнь у забора.

Сахаров не присутствовал на докладе Зельдовича и от него самого узнал, что фиановские теоретики «резко отрицательно» отнеслись к его идее: «После семинара Зельдович позвонил мне по телефону и рассказал содержание своей работы, очень мне сразу понравившейся. А через несколько дней я сам позвонил ему со своей собственной идеей, представлявшей дальнейшее развитие его подхода».

Судьба подготовила Сахарова к восприятию идеи Зельдовича, независимо от повода, который ей помог родиться. О вакууме микрофизики Сахаров размышлял еще в 1948 году, накануне его «высылки из большой науки». Двадцать лет спустя он не просто поддержал Зельдовича. Он увидел, как можно соединить микрофизику и гравитацию на самом глубоком уровне – на том, где гравитация, возможно, и коренится.

Зельдович взглянул на квантовые флуктуации вакуума через космологический телескоп, характеризуя всю вакуумную жизнь одним лишь числом – его плотностью энергии. «Астрономически малая» плотность вакуумной энергии сказалась бы лишь на астрономически больших расстояниях. Так уж устроено всемирное тяготение. А Сахаров само всемирное тяготение попытался объяснить как свойство того безостановочного кипения, что идет в квантовом вакууме[33]. Он выдвинул парадоксальную идею, что гравитации - школьного ньютонова тяготения, - в сущности нет. А что же есть? Есть упругость вакуума, которая и приводит ко всем  проявлениям всемирного тяготения — от падения яблока до коллапса звезды и образования черной дыры.

Но если статья Сахарова «отменила» гравитацию, почему же она так понравилась одному из самых видных гравитационистов – Джону Уилеру, который с энтузиазмом говорил об этой идее в фундаментальной книге «Гравитация» и в своих статьях?[34] Потому что главным для было не то, чтобы любой ценой сохранить ньютоно-эйнштейновскую теорию гравитации, а  чтобы по-настоящему ее понять, то есть решить трудные вопросы, естественно рожденные этой теорией, но не поддающиеся ответу. И важнейший из таких вопросов – квантование гравитации.

Гипотеза Сахарова открыла неожиданно новый взгляд на эту неприступную крепость, давно осажденную теоретиками. В то время как его коллеги, расположившись вокруг твердыни боевым лагерем, обдумывали, какими катапультами и стенобойными орудиями проломить ее толстые стены, Сахаров, можно сказать, обнаружил подземный ход, ведущий в центр крепости.

Он предложил всерьез отнестись к тому, что во всех точках пространства-времени бурлит жизнь вакуума, и учесть воздействие этого бурления на поведение обычных, макроскопических тел. Надежда была, что следствием полной квантовой теории вакуума станет эйнштейновская теория гравитации с ее искривленным пространством-временем, с ее коллапсами звезд и расширением Вселенной. А уж из эйнштейновской теории, когда гравитация не очень сильна, следует Ньютонов закон тяготения.

Читатель, знающий вид этого закона по школьному учебнику физики - F = GmM/r², - может спросить: «А откуда возьмется величина гравитационной постоянной G?» Сахаров исходил из того, что в полной теории микромира возникнет новая константа – длина l_G, соответствующая границе применимости геометрических представлений, известных со времен Евклида. На расстояниях, меньших l_G, обычные понятия пространства и времени должны замениться какими-то другими понятиями -гораздо более глубокими и менее наглядными. Какими именно, подход Сахарова позволяет пока не уточнять. И позволяет теоретикам продолжать поиски полной теории элементарных частиц. Однако предлагает архитектурный план, как их поиски должны соединиться с поисками полной теории гравитации. И если поиски увенчаются успехом, то из микрофизической длины l_G возникнет константа G, управляющая падением яблок и движением планет.

По Сахарову, гравитационная константа – результат микроскопической жизни вакуума. И свой подход он назвал: «гравитация как упругость вакуума». Чем же это похоже на обычную упругость, с которой люди познакомились еще до того, как стали делать первые луки. Тогда они интуитивно учитывали коэффициенты упругости, которые научились измерять во времена более просвещенные. Для изготовления лука достаточно подобрать хорошо упругие материалы, и можно не думать о том, что упругость определяется силами сцепления между молекулами. Конструктору лука стоит изучать строение вещества, лишь если его не устраивает метод проб и ошибок - перебор материалов наугад, или если надо узнать, как поведет себя лук на пределе упругости, перед тем как сломаться.

Точно так же, чтобы описать движение предметов под действием тяготения Земли, достаточно просто знать  величину G - коэффициент упругости вакуума. Но чтобы узнать, что произойдет со звездой в результате ее коллапса или как начиналось расширение Вселенной, не обойтись без квантовой структуры вакуума.

 

Теоретик-изобретатель

Механизм образования барионной асимметрии, изобретенный Сахаровым в 1967 году - до сих пор единственная работоспособная гипотеза, объясняющая наблюдаемую асимметрию вещества и антивещества. А механизм, придуманный им для образования гравитации из свойств микромира, до сих пор остается лишь архитектурной идеей.

Поэтому коллегам Сахарова по теоретической физике в оценке его результатов приходится полагаться на ту силу разумного чувства, которая называется интуицией. Разнообразие интуиций жизненно необходимо для успеха совместного предприятия – научного поиска. Но разнообразие интуиций ведет к различию оценок.

К примеру, Сахаров назвал одной из лучших идей Зельдовича ту, которая родилась «у забора» астрономии. Сам Зельдович так не думал, – в научной автобиографии 1984 года об этой идее он не сказал ни слова. А некоторые трезвомыслящие теоретики не склонны придавать серьезное значение гипотезе Сахарова о гравитации как упругости вакуума, пока она не доведена до настоящей теории – «цыплят по осени считают». Другие же считают эту идею наиболее значительной из всего сделанного Сахаровым в чистой науке и следующим после Эйнштейна шагом к раскрытию физической природы гравитации[35].

Предоставим истории окончательное решение. Но независимо от него можно сказать: физик-теоретик, который в течение одного года выдвинет две столь «сногсшибательные» идеи, как удалось Сахарову в 1967 году, может быть доволен собой. Особенно, если этот теоретик несет на себе еще и бремя ведущего разработчика термоядерного оружия.

Это удивительное совмещение возвращает нас к вопросу, которым началась эта глава «Изобретатель или теоретик?» и помогает заменить «или» на дефис, чтобы обозначить научный стиль Сахарова – «теоретик-изобретатель». Это словосочетание он употребил, говоря о своей военно-технической работе[36], но оно же применимо и к его теоретической физике.

Теоретики различаются не только интуицией, но и способом работы. Одни начинают с какой-то общей идеи, и ищут путь к ее конкретному оформлению. Другие начинают с упрощенной теории конкретного явления. Третьи – с самой общей физической теории, которую они пытаются применить к данной проблеме.

В теоретической физике Сахарова виден изобретатель - он придумывает механизмы загадок природы. Инженер-изобретатель исходят из научно изученных готовых элементов, которые можно комбинировать. А теоретик-изобретатель придумывает и сами элементы, которые использует в конструкции теоретического механизма. Изобретательность проявляется в том, насколько необычные элементы берутся для конструкции.

Можно представить себе, как в Сахарове сотрудничали теоретик и изобретатель: физик-теоретик видел необычные элементы, которые не противоречат фундаментальным законам природы. А изобретатель, уже не смущаясь их необычностью, конструировал из этих элементов работоспособный механизм: магнитное поле как бестелесные стенки сосуда; вспышка излучения от атомной бомбы для обжатия другого заряда; нестабильность протона в горячей ранней Вселенной. Теоретик говорит изобретателю, что все эти элементы допускаются фундаментальной наукой. А изобретатель придумывает, как из них сделать работающий механизм.

Быть может, так и сотрудничали в творческой лаборатории Сахарова теоретик и изобретатель. Но как они смотрели на совершенно ненаучные заботы руководителя этой лаборатории?