Чистой науки Сахаров

14 декабря отмечается очередная годовщина со дня смерти Андрея Дмитриевича Сахарова (21.05.1921 – 14.12.1989), лауреата Нобелевской премии мира, академика АН СССР. В памяти общества он сохранился как выдающийся ученый-физик, «отец» водородной бомбы, а также как гуманист, непримиримый борец с социальной и политической несправедливостью. Однако мало кто помнит, что одним из любимых научных направлений Андрея Дмитриевича являлась космология. Об этом и рассказал его близкий друг, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Борис Львович Альтшулер


Двадцать лет своей творческой деятельности, с 1948 по 1968 гг., Андрей Дмитриевич, посвятил работам по созданию ядерного оружия и восстановлению стратегического равновесия СССР и США. А после отстранения Сахарова от секретной тематики он еще 21 год, вплоть до своего ухода из жизни, следуя нравственному долгу, посвятил борьбе за ядерное разоружение, соблюдение прав человека, устранение угрозы самоуничтожения человечества в термоядерной войне. При этом он боготворил теоретическую физику, «чистую» науку, на занятия которой в указанных обстоятельствах не всегда хватало времени.

Из воспоминаний Бориса Львовича Альтшулера:

«Когда Вы займетесь наукой?», — спросил я его в бурный общественно-политический период конца 1980-х после возвращения из ссылки.

«Когда меня снова сошлют в Горький», — ответил Андрей Дмитриевич, улыбнувшись.

Работа «Космологические переходы с изменением сигнатуры метрики» была написана в ссылке в 1983 г., а опубликована в августе 1984 г. Для А.Д. Сахарова это было тяжелое время: уже четвертый месяц он держал бессрочную голодовку с требованием разрешить его жене поездку в США для проведения операции на сердце. Появление этой работы было как бы весточкой его друзьям и знакомым. Он словно говорил: «Я — жив, я — работаю».

Данная работа явилась логическим продолжением и развитием более ранних работ Андрея Дмитриевича: «Космологические модели Вселенной с поворотом стрелы времени» (1980 г.) и «Многолистные модели Вселенной» (1982 г.).

Слова «сигнатура метрики» упрощенно означают число осей времени риманова многообразия или риманова пространства, в малых областях которого имеет место приближенно евклидова геометрия, хотя в целом такое пространство может не быть евклидовым. В нашей Вселенной — одно время, значит, сигнатура равна единице. В своей статье А.Д. Сахаров предлагает считать сигнатуру (равно как и число пространственных измерений) не наперед заданной величиной, а динамической переменной, которая может меняться в процессе квантовой эволюции пространства-времени. Им был предложен квантовый динамический принцип, позволяющий учитывать метрики произвольной сигнатуры.

Рассмотрение проблемы барионной асимметрии Вселенной привело Андрея Дмитриевича к идее космологической CPT-симметрии Вселенной, из которой следует, что при изменении направления течения времени (T-преобразование) необходимо произвести зеркальное отражение пространства (P-преобразование) с заменой всех частиц на античастицы (C-преобразование). Именно из этой CPT-симметрии и следовал вывод о несохранении барионного заряда и, как следствие, барионной асимметрии Вселенной.

Развивая идею CPT-симметрии, Андрей Дмитриевич столкнулся с вопросом: а как же быть с постулатом о необратимости времени в существующем мире? Необратимость времени Сахаров связывал исключительно со вторым началом термодинамики и ростом энтропии. Однако если энтропия растет, значит, ранее она была меньше, а до этого – минимальна или равна нулю. Но вот вопрос: а существует ли «еще раньше»? Сахаров говорил, что если стрела времени определена именно ростом энтропии, то «еще раньше» быть не может. Существует некая стартовая точка от момента минимальной энтропии, от которой в разные стороны по времени развивается «позже». Это явление Сахаров и назвал «поворот стрелы времени». Фактически, речь идет о том, что параллельно нашему «правостороннему» миру начинает существовать и «левосторонний» мир, в некотором смысле зеркальный.

Причем поворот стрелы времени может осуществляться не только за счет механизма CPT-симметрии, это лишь частный случай. Есть и другой сценарий. Одна из популярных космологических моделей развития Вселенной — это модель пульсирующей или, как называл ее Сахаров, многолистной Вселенной. Согласно этой модели, Вселенная проходит циклы расширения-сжатия. В момент наибольшего сжатия энтропия Вселенной минимальна — это точка «ноль», от которой и начинает разбегаться стрела времени в любую из сторон. Затем Вселенная начинает расширяться, энтропия возрастает, стрела времени бежит «вперед» (в выбранном направлении). Но в момент максимального расширения энтропия Вселенной также становится минимальной — пространство «пусто» — а, следовательно, есть все предпосылки для поворота стрелы времени. Сахаров говорит, что это и происходит: Вселенная прекращает свое расширение и начинает сжиматься, обратившись «вспять» во всех своих процессах...

Согласно предположениям А.Д. Сахарова, на самом деле существует множество Вселенных, кардинально отличающихся друг от друга и возникших из некоего первоначального состояния, «первичного пространства» по словам самого Сахарова. В отличие от нашей Вселенной, состоящей из трех пространственных и одного временного измерения (пространство (3 + 1)-измерения), «другие» Вселенные, равно как и первичное пространство, будут отличаться по количеству пространственно-временных координат, т.е. это будут, образно говоря, (m + n)-мерные пространства.

Такую структуру Андрей Дмитриевич назвал Мегавселенной. Языком самого Сахарова, Мегавселенная — совокупность вселенных различного числа измерений, различной сигнатуры и различной топологии, а возможно и существование квантовой суперпозиции этих совокупностей.

При этом Сахаров говорил, что, несмотря на различия в измерениях и, соответственно, условиях развития в разных частях Мегавселенной, законы природы должны оставаться едиными. Однако, подчеркивал он, ссылаясь на работы П. Эренфеста и других, возможно, что именно те условия, которые предоставляются «нашей» 4-мерной Вселенной, способствуют развитию тех форм жизни, которые мы и имеем. Этот принцип Сахаров назвал антропным или антропологическим (от древнегреч. антропос — человек). Суть принципа в том, что не надо удивляться некоторым особым характеристикам нашей Вселенной, поскольку их численные величины обусловлены самим фактом нашего существования.

Ценность описанных работ Андрея Дмитриевича, однако, состоит не только в формировании этих грандиозных и фантастических, с точки зрения обычного человека, гипотез формирования, существования и развития Вселенной. Космологическая модель поворота стрелы времени позволила разрешить один из основных парадоксов физики, названного «Глобальным парадоксом обратимости», существовавшего с XIX века. До смелой модели Сахарова этот парадокс объяснялся начальными условиями развития Вселенной. То есть «это так — потому что, это так». Теория поворота стрелы времени сняла с плеч физиков тяжелый камень под названием «обратное течение времени».

Развивая идеи поворота стрелы времени, многолистной Вселенной и, наконец, Мегавселенной, А.Д. Сахаров показал, что «новые» Вселенные, образующиеся в следующем цикле растяжения-сжатия, не обязательно должны быть похожи на предыдущие или наследовать их «историю». Исходя из этих предпосылок, а также из проведенных расчетов, Андрей Дмитриевич доказал, что число циклов пульсации может быть бесконечным, сняв тем самым проблему конечномерности пульсаций Вселенной.

Отдельного замечания требует и соотнесение Сахаровым антропологического принципа и космологической постоянной.

Космологическая постоянная — это физическая постоянная, характеризующая свойства вакуума, которая была введена А.Эйнштейном в общей теории относительности для сохранения пространственной однородности статистических решений уравнения гравитационного поля, связывающего метрику искривленного пространства-времени с заполняющей его материей. Практическое подтверждение существования космологической постоянной было получено после 1997 г. По современным оценкам ее величина составляет 5,98×10-10 Дж/м3. Эта величина настолько мала, что при теоретических исследованиях позволяет пренебрегать ее влиянием в масштабах, меньших космологических.

В своей работе «Космологические переходы с изменением сигнатуры метрики» А.Д. Сахаров писал:

Как известно, космологическая постоянная Λ = 0 или аномально мала, причем, что особенно удивительно, в состоянии «истинного» вакуума с нарушенными симметриями. Малость или равенство нулю Λ — это один из основных факторов, обеспечивающих длительность существования Вселенной, — достаточную для развития жизни и разума. Поэтому естественно попытаться привлечь для разрешения проблемы космологической постоянной антропологический принцип.

Заметим в заключение, что в пространстве Р(чисто топологическом пространстве, не имеющем времени и поэтому не допускающем движения) следует рассматривать бесконечное число U-включений (от Universe — области пространственно-временного континуума с сигнатурой 1, «наша» Вселенная), при этом параметры бесконечного числа из них могут быть сколь угодно близкими к параметрам наблюдаемой Вселенной.

И, наконец, тот фантастический, грандиозный вывод, который сделал Андрей Дмитриевич в заключение своих размышлений:

Можно предполагать, что число похожих на нашу Вселенных, в которых возможны структуры, жизнь и разум — бесконечно. Это не исключает того, что жизнь и разум возможны также в бесконечном числе существенно иных Вселенных, образующих конечное или бесконечное число классов «похожих» Вселенных, в том числе Вселенных с иной, чем наша, сигнатурой.

В этом — весь Сахаров: человек, который любил жизнь во всей ее непредсказуемости, многогранности, «многолистности». Ученый, который в, казалось бы, отвлеченных теоретических гипотезах, видел величие жизни, ее фантастичность, грандиозность и бесконечность.

С тех пор наука сильно ушла вперед. Однако решение основных фундаментальных проблем, волновавших Сахарова, когда он писал свою статью 1984 г., остается пока недостижимым, подобно горизонту.

За прошедшие годы в наблюдательной астрофизике произошли поистине революционные события, поставившие новые вопросы. В 1992 году были открыты осцилляции реликтового излучения, называемые «сахаровскими осцилляциями», теоретически описанные им еще в 1965 г.

А в конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. В результате анализа был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза при Большом Взрыве. Все полученные данные хорошо описываются включением в уравнения Эйнштейна экстремально малой положительной космологической постоянной, названной «темная энергия».

Всё, видимое нами и нашими приборами вещество («светящаяся» материя), составляет лишь 5 % массы Вселенной; еще 25 % занимает сконцентрированная в галактиках так называемая «темная материя», о существовании которой известно лишь косвенно – по ее гравитационному воздействию на динамику расширения Вселенной и на движение видимых нами звезд. Остальные же 70 % массы Вселенной скрыты в загадочной, равномерно распределенной в пространстве «темной энергии», проявляющейся, как было сказано, в общем ускорении Вселенной. Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется, со временем сменится сжатием и конечным коллапсом («Big Cranch»), в котором неизбежно сгорит всё живое и неживое. Напротив, наличие небольшой положительной космологической постоянной гарантирует вечное расширение Вселенной и спасает нас от указанной вселенской катастрофы.

Б.Л. Альтшулер: «Вызов теоретикам состоит в том, что современная теоретическая физика не может предложить даже гипотетических естественных объяснений обнаруженной экспериментаторами космологической постоянной («энергии вакуума»), величина которой сопоставима со средней плотностью материи во Вселенной. Но если плотность материи вычислима, и ее малость объясняется большим современным объемом расширяющейся Вселенной, то космологическая постоянная — это параметр исходной теории. Задавать, как говорится, «руками» сверхмалое значение фундаментальной мировой константы нелепо. А вот откуда она такая взялась, пока остается великой загадкой. Разумеется, в попытке найти разгадку возникло немало разных моделей и теорий. Но всё это пока что очень искусственно. Жаль, что Андрей Дмитриевич не дожил до этой интересной ситуации. Возможно, он предложил бы нечто совершенно неожиданное для выхода из сложившегося теоретического тупика».

/14.12.2012/ По материалам АНИ "ФИАН-Информ"