Розенталь И. Л.
Вселенная и частицы. — М.: Знание, 1990. —
64 с., ил. — (Новое в жизни, науке, технике. Сер.
«Космонавтика, астрономия»; № 11).
18ВХ 5-07-001537-0
15 к.
Сегодня физика элементарных частиц (микрофизика) оказалась
тесно связанной с космологией (макрофизикой) Связь эта вызывает
к жизни новые теории и гипотезы как и одной, так и в другой об
ластях знания.
Различным проблемам, возникшим в результате такого «симби
оза», и посвящена настоящая брошюра, предназначенная для ши
рокого круга читателей.
В жизни мне очень везло. Страшная спираль репрес
сий 1937 гола раскручивалась совсем рядом, однако ме
ня и мою семью Бог миловал. Войну я прошел без еди
ного ранения, хотя большинство друзей детства не воз
вратились домой. В кампанию против «космополитов»
многие коллеги были уволены, но и эта чаша миновала
меня.
II среди многих счастливых поворотов в моей судьбе
яркой нитью проходит общение с А. Д. Сахаровым.
С ним я познакомился еще до войны, когда мы учились
на физическом факультете МГУ, а после войны рабо
тали в Физическом институте АН СССР (ФИАНе).
Сейчас, когда вся страна почитает Андрея Дмитрие
вича, было бы в русле моды назваться его другом. Но
увы, хотя многократно за 50 лет наши пути пересека
лись, друзьями мы не стали. Да я и ие думаю, что та
кая ярчайшая индивидуальность, как А. Д. Сахаров,
могла бы находиться с кем-нибудь в таких отношениях,
которые обычно определяют как дружеские. Наши свя
зи носили в основном научный характер (обсуждение
проблем, обмен идеями и статьями). Однако иногда они
выходили за узкопрофессиональные рамки и затрагива
ли общечеловеческие ценности.
Так, в середине пятидесятых годов в одно из весьма
редких посещений Сахаровым ФИАНа (он уже тогда
работал в сверхсекретном центре конструирования во
дородного оружия) у пас по моей инициативе возник до
верительный разговор, суть которого превосходно отра
жает мировоззрение Андрея Дмитриевича. Я спросил
Сахарова о причинах, побудивших его посвятить себя
прикладным проблемам, вместо того чтобы заниматься
чистой наукой. Воспроизвожу суть его ответа: «Пола
гаю, что отставание Советского Союза в создании во
дородной бомбы создает предпосылки для его уничто
жения. Ядерное равновесие сделает большую войну не
возможной и это, вероятно, приведет к сближению раз
ных социальных систем».
Думается, что это пророческое предсказание — осио5
на хрущевской политики. Полагаю, что и современная
перестройка связана с идеями, высказанными еще тог
да Андреем Дмитриевичем. В середине шестидесятых
годов началась его правозащитная деятельность. Среди
многих весьма неожиданных поворотов опа имела одно
важное последствие — Сахаров вернулся к чистой фи
зике. В ряду разделов этой науки, которым он посвя
тил себя, следует назвать в первую очередь космоло
гию — науку о происхождении и эволюции Вселенной.
Я назвал ее первой по двум причинам. Во-первых, мне
представляется, что именно в космологии успехи А. Д.
наиболее впечатляющие и, во-вторых, именно в размыш
лениях о путях развития космологии маши пути снова
пересеклись. В космологии следует, па мой взгляд, от
метить два его результата:
1. Интерпретация барионной асимметрии Метагалак
тики на основе гипотезы о нестабильности протона (эта
тема разбирается в брошюре).
2. В своей последней опубликованной работе (Жур
нал экспериментальной и теоретической физики, 1984,
т. 87, с. 375) Сахаров развивает идею о вселенных со
сложной топологией и об изменении стрелы времени
при прохождении Вселенной через сингулярность (это
понятие разъясняется далее). Сейчас эта идея приоб
ретает значительную популярность.
В упомянутой работе А. Д. Сахаров высказывает
весьма нестандартную точку зрения па антропный прин
цип, которому посвящена значительная часть брошюры.
Он отметил: «Некоторые авторы считают антропологи
ческий принцип (сейчас более принят термин «антроп
ный принцип». — И. Р.) неплодотворным и даже не со
ответствующим научному методу. Я с этим не согла
сен».
И в заключение о некоторых причинах, побудивших
меня написать это краткое предисловие. При последней
нашей беседе, происходившей поздней весной 1989 г.,
он пожаловался мне па недостаток времени для актив
ной научной работы и ограниченную возможность помо
гать людям. В частности, он сказал, что получил пись
мо от двух старушек, объявивших голодовку в знак про
теста против закрытия в их селе церкви. Однако заня
тость общественными делами в последние дни его жиз
ни не позволила непосредственно вмешаться в этот кон
фликт. Я же со своей стороны не оценил великую идею
-1
конкретного «малого» гуманизма (иногда находящегося
в противоречии с идеей установления «идеального по
рядка» в мировом масштабе) и никак не прореагиро
вал па его слова.
Хотя, вскоре после беседы, мне стала ясной моя обя
занность: попытаться с помощью записки Сахарова ула
дить этот конфликт на месте, я такую попытку не пред
принял. Мое ощущение вины перед Андреем Дмитрие
вичем усугубляется тем, что эта беседа была последней
и никогда не возобновится.
В моем распоряжении почти единственная возмож
ность, хотя бы в небольшой степени, смягчить это тяж
кое ощущение: посвятить эту брошюру, в которой изла
гаются и его идеи, Андрею Дмитриевичу Сахарову.
'-ВЕДЕНИЕ
Еще 10—15 лет назад казалось бесспорным, что эво
люция нашей Метагалактики, как целого, определяется
исключительно силами гравитации. Разумеется, и ранее
превосходно понимали, что возникновение в Метагалак
тике неоднородностей (нуклонов, атомов, звезд и галак
тик) обязано и другим взаимодействиям элементарных
частиц — слабому, электромагнитному и сильному, одна
ко полагалось, что на всех этапах своей эволюции расши
рение Метагалактики определяется исключительно урав
нениями Эйнштейна, т. е. гравитацией. Кардинальное
изменение в мировоззрениях па эволюцию Метагалак
тики произошло на рубеже 70-х п 80-х годов, когда
стало практически общепризнанным, что на самых ран
них этапах эволюции характеристики Метагалактики
обусловливаются всеми взаимодействиями. Хотя этот
подход и существенно усложнил весьма простую и на
глядную теорию, предложенную А. Фридманом (см. да
лее), однако он устранил очень большие ее трудности
и практически решил важный мировоззренческий во
прос об отсутствии единственности Метагалактики.
Прологом к такому радикальному, поистине револю
ционному повороту в космологии послужил прогресс в
теории элементарных частиц. Развитие этой теории и
космологии проходило параллельно и взаимосвязанно.
Ьолее того, возникла совершенно новая, не имеющая
аналогов ситуация. Космология, которая всегда была
ветвью астрономии и теории гравитации, оказалась, повидимому, единственным подходом к проверке объеди
ненной теории взаимодействий частиц. Но существу, ос
новная идея данной брошюры и состоит в иллюстрации
этого плодотворного симбиоза. Однако прежде чем при
ступить к последовательному изложению современной
ь
космологии п се связи с частицами, полезно пояснить
утверждение о решающей роли космологии в проверке
теории частиц, поскольку ранее было аксиомой утверж
дение, что эта акция — прерогатива ускорителей.
Напомним основную идею объединения взаимодей
ствий. Объединенная теория должна характеризоваться
единой константой этого взаимодействия. С первого
взгляда подобное требование кажется абсурдным, по
скольку все четыре взаимодействия характеризуются
своими отличными друг от друга константами. Однако
это утверждение кардинально неверно, поскольку то,
что обычно называется константами взаимодействий, от
носится к иизкоэнергетическому пределу, т. е. к взаимо
действию частиц в обычных земных и астрономических
условиях, когда температура Т невелика, а энергия ча
стиц сравнима с их массой покоя. Однако при увеличе
нии их энергии величины констант меняются. Поэтому
сейчас весьма употребителен термин «бегущие констан
ты». Величины констант взаимодействия зависят от мас
сы (импульса) частиц-переносчиков взаимодействия.
Оказывается, что при импульсе (массе) частиц-перенос
чиков ~ 100 ГэВ бегущие константы электромагнитного
и слабого взаимодействий сравниваются. Поэтому имен
но при этих энергиях возникает единое электрослабое
взаимодействие, теория которого была развита более
20 лет назад С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом.
Энергия 100 ГэВ вполне «человеческая», достижимая па
ускорителях, и поэтому основное предсказание электрослабой теории — существование частиц-переносчиков с
массой —100 ГэВ (так называемые IV-- и 2-бозоны) —
было блестяще подтверждено в 1983 г. в экспериментах
на ускорителях.
Однако кардинально иная ситуация возникает при
попытке объединить электрослабое и сильное взаимо
действия (Большое объединение). Теория предсказыва
ет, что такое объединение должно произойти при массе
частиц-переносчиков — 10'5 ГэВ. Чтобы представить себе
грандиозность этого масштаба, напомним, что ускори
тель, опоясывающий всю Землю, может генерировать
частицы с массой, не превышающей 107 ГэВ
,
*
т. е. па
* Мы используем здесь «энергетические» единицы: 1
ответствует массе = 10-” г.
ГтВ со
7
порядков меньше, требуемой теорией Большого объ
единения.
Еще более впечатляет величина массы, характерной
Для объединения всех четырех взаимодействий (вклю
чая гравитацию). Здесь возникает так называемая планковская масса 10~5 г «1019 ГэВ.
Таким образом, попытки непосредственного обнару
жения частиц-переносчиков, объединяющих три и четы
ре взаимодействия, обречены на неудачу. И здесь ис
ключительно большое значение принадлежит, по-види
мому, космологии. Все дело в том, что на ранних эта
пах эволюции Метагалактики температура должна быть
очень велика и превышать (в энергетических единицах)
массы частиц-переносчиков объединенных взаимодейст
вий. Поэтом}' моделирование процессов, происходящих
на самых ранних этапах развития Метагалактики, долж
но способствовать проверке объединенных теорий.
НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Сейчас в космологии существует терминологический
хаос. Это не удивительно. Терминология, как правило,
не успевает отслеживать быстро прогрессирующие об
ласти науки. А сейчас космология находится па пере
ломном этапе и поэтому естественно, что к новым по
нятиям приспосабливают старые термины. Например, до
сих пор для определения наблюдаемого приборами про
странства, заполненного звездами и галактиками, ис
пользуются два термина: «Метагалактика» и «Вселен
ная». Еще совсем недавно полагали, что все наблюдае
мое есть и все сущее, и потому эквивалентность обоих
терминов казалась естественной. Однако основной ми
ровоззренческий переворот заключается в разрушении
этой иллюзии. Сейчас большинство космологов уверены
(и автор разделяет это .мнение), что наблюдаемое —•
лишь ничтожная часть всего сущего. Поэтому естествен
но (и даже необходимо, во избежание недоразумений)
разделить оба термина, сохранив за наблюдаемой об
ластью пространства (с размером ~ 1028 см) название
«Метагалактика», а все сущее называть Вселенной!.
Однако возникает естественный вопрос: ограничива
ются ли этими двумя понятиями все гигантские (сравни
тельно с человеческими масштабами) образования?
В соответствии с современной космологией (которая и
8
будет составлять предмет данной брошюры) можно
твердо ответить отрицательно. Во-первых, по-видимому,
существуют объекты, сравнимые по размерам с нашей
Метагалактикой, но с иными физическими свойствами.
Мы будем такие объекты называть метагалактиками с
маленькой буквы.
И наконец, должны существовать гигантские (по не
которым оценкам с размерами ~ 10° см) пузыри, ко
торые часто называют мини-вселенными. И хотя подоб
ное сочетание, прилагаемое к столь огромным объек
там, едва ли самое удачное, мы не будем нарушать уста
новившуюся в самое последнее время традицию.
КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
В первой четверти нашего столетия четко сформиро
валось представление о Метагалактике как совокупно
сти звезд и галактик. В течение длительного времени
Метагалактика отождествлялась со Вселенной, и неко
торые отголоски этих представлений сохранились д
сих пор.
Первые попытки описать происхождение и эволюцию
Метагалактики основывались на сформулированной в
1916 г. общей теории относительности — ОТО (А. Эйн
штейн, В. де Ситтер, А. А. Фридман) и, по существу,
предвосхитили основные модели эволюции Метагалак
тики. Коренные причины такой «удачи», в известной сте
пени, подарок Природы, сконструировавшей Метагалак
тику максимально просто.
Расшифруем это утверждение. Уравнения ОТО
(впрочем, как и любые уравнения движения) не опре
деляют полностью эволюцию объекта в пространстве—
времени. Необходимо задать еще начальные условия.
Кроме того, правая часть уравнений ОТО определяется
так называемым уравнением состояния материи в Ме
тагалактике, связывающим давление р и плотность энер
гии е материи.
Разумеется, начальные условия происхождения /Ме
тагалактики никто не знал. Поэтому они формулиро
вались из соображений простоты и называются теперь
основными космологическими постулатами: Метагалак
тика на протяжении всех этапов своей эволюции явля
лась (и является) однородным и изотропным объектом.
Это очень сильное требование и, как мы увидим далее,
9
оно практически определяет эволюцию Метагалактики.
Однако гораздо важнее, что основные космологические
постулаты сравнительно хорошо согласуются с наблю
дениями. Наиболее простое (однако довольно грубое)
доказательство изотропии Метагалактики проводится
путем подсчета числа галактик и их скоплении в раз
ных направлениях, ио в одинаковых телесных углах.
В пределах ошибок измерений эти подсчеты дают одну
и ту же цифру.
Более точную оценку изотропии Метагалактики дают
измерения интенсивности реликтового излучения с тем
пературой ~3 К. Как известно, это излучение есть ре
зультат эволюции (остывания) первичного излучения,
возникшего в первые мгновения жизни Метагалакти
.ки
*
С точностью «10—1 никакого отклонения углового
распределения реликтового излучения от изотропии пс
обнаружено. С такой же точностью изотропно и прост
ранство Метагалактики.
С худшей точностью выполняется постулат однород
ности метагалактического пространства. В малых мас
штабах очевидно, что Метагалактика неоднородна. Это
следует из существования Солнечной системы, звезд,
галактик и т. д. Однако самые большие образования в
Л1етагалактпке — сверхскопления — имеют размеры
«10~3 /?м (/?м~Ю28 см — радиус Метагалактики в со
временную эпоху). С такой точностью можно полагать
пространство Метагалактики однородным. С этой ого
воркой мы и примем постулат однородности.
Практически все главные модели Метагалактики ба
зируются на основных космологических постулатах. Од
нако физические предпосылки в различных моделях су
щественно отличались друг от друга. А. Эйнштейн
(1917 г.) исходил из многовековых убеждений о вечной
неизменности Метагалактики (которую тогда отождеств
ляли со Вселенной). Однако его попытки получить ста
тическое решение уравнений ОТО при основных космо
логических постулатах окончились неудачей. Ее корни
очень глубоки, хотя и имеют простую интерпретацию.
Гравитация характеризуется притяжением, т. е. сила
ми одного знака (в отличие от электродинамики). По
* Более подробно с реликтовым излучением можно познако
миться в книге: Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. — М.!
Наука, 1983.
10
этому статическое решение системы гравитирующих тел
невозможно. Эйнштейн, одержимый идеей стационарно
сти Вселенной, ввел в свои уравнения а/1 кос силы от
талкивания, которые в космологических масштабах точ
но компенсировали бы гравитационные силы и определя
ли бы статичность системы. Конкретно эта идея реали
зовалась добавлением в первой части уравнения Эйн
штейна константы Л~ 10-56 см-2 (так называемый Лчлен). Столь малое значение этой константы обуслови
ло безнадежность ее обнаружения в лабораторных ус
ловиях и вместе с тем реализовало руководящую идею
Эйнштейна — статичность Метагалактики.
В том же 1917 г. В. де Ситтер решил уравнения ОТО
при допущении о доминироваиности Л-члена над дру
гими слагаемыми в уравнениях Эйнштейна
.
*
В этом
случае де Ситтер получил удивительный результат. Мас
штабный фактор а (расстояние между двумя «точка
ми», например галактиками) должен изменяться экспс
ненциалыю со временем I:
а — еье,
& = соп51.
(1
И наконец, в 1922 г. А. А. Фридман получил решение
уравнений общей теории относительности без Л-члена,
так сказать в их первозданной форме. Естественно, что
решение оказалось нестационарным, имеющим для сра
внительно малых значений степенную форму:
а~/ь.
(2)
Параметр й, в этом уравнении определялся уравнением
состояния, т. е. зависимостью давления р от плотности
энергии е. Фридман допустил, что Метагалактика всег
да состояла только из вещества (так называемая холод
ная Вселенная). В этом случае уравнение состояния
имеет вид:
В 1948 г. Г. Л. Гамов сделал в рамках модели Фрид-<
мана другое допущение: Метагалактика вначале состоя
ла исключительно из излучения. Вещество же «возник4 Исторически де Ситтер исходил из ивой (однако эквивалент
ной) идеи. Он потребовал, чтобы выполнялся совершенный космо
логический принцип — изотропия в 4-мерном пространстве—времени.
