Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации - Геннадий Горелик

Картину эту рано еще вставлять в золоченую рамку. К чему приведет экспериментальная проверка и развитие теории, объясняющей космологическую асимметрию вещества и антивещества, наверняка выяснится 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, однако, предпочитают другой 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.

Указав одним из этих условий несохранение барионного заряда — или распад протона, — Сахаров стал диссидентом в физике. Действительно ли он разгадал новый закон природы, пока не ясно. Но история показывает, что тайны природы открывают себя лишь подобным диссидентам.

Гравитация как упругость вакуума

Распад протона, который ищут экспериментаторы, волнует также и теоретиков, ищущих так называемое Великое объединение — теорию, объединяющую все фундаментальные силы природы, за исключением гравитации. А вторая идея, которую судьба подарила Сахарову в 1967 году, нацеливалась именно на гравитацию.

К тому подарку был причастен Зельдович, решивший заполнить пустоту… вакуумом — пустое пространство-время эйнштейновской теории гравитации заполнить квантовым вакуумом микрофизики.

Пустое пространство-время в ch-теории 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», а скрытно бурлящая жизнь: непрестанное рождение и аннигиляция частиц и античастиц. И это безостановочное бурление заметили «вооруженным глазом» экспериментаторы, оно, попросту говоря, меняет цвет пламени. Меняет очень мало, но физики ухитрились заметить. И скучная пустота заслужила научно-латинское имя «вакуум».

Экспериментаторы разглядели вакуум через микроскопы-спектроскопы, а теоретик Зельдович предложил высмотреть его в телескоп. Он придумал, как объяснить астрономические данные о странном распределении квазаров. Для этого требовалось, чтобы Вселенная в прошлом расширялась некое время очень медленно. Такое поведение могла обеспечить космологическая постоянная в уравнениях Эйнштейна. Однако в 60-е годы эта величина считалась историческим курьезом. Эйнштейн ее породил, и он же ее почти убил. Породил ради статической Вселенной, а решил убить, узнав, что динамическая космология возможна и без нее. Зельдович вдохнул в нее физическую жизнь, предположив, что она — результат физики ch-вакуума, что энергия вакуума оказывает гравитационное действие, влияя и на темп расширения Вселенной.

О своей идее Зельдович рассказал на семинаре, но не нашел сочувствия. Идея противоречила тогдашнему представлению о том, что вакуум воздействует лишь на элементарные частицы, а для объектов комнатных и космических размеров вакуум остается прежней пустотой. Физиков не впечатлил и повод, побудивший Зельдовича сказать столь новое слово в науке, и в этом они оказались правы: астрономический факт, возбудивший творческую фантазию Зельдовича, растворился в новых наблюдениях.

Сахаров от самого Зельдовича узнал, что теоретики не приняли его идею:

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 новой идеи, независимо от ее астрономического повода. О квантовом вакууме Сахаров размышлял еще в 1948 году, накануне его высылки из большой науки в «большую технику». Двадцать лет спустя он не просто поддержал Зельдовича, а увидел, что микрофизика могла бы объяснить гравитацию на самом глубоком уровне — на том, куда гравитация, возможно, и уходит своими корнями.

Квантовое бурление вакуума Зельдович суммировал одной величиной — плотностью энергии, малая величина которой сказалась бы лишь на астрономически больших расстояниях. А Сахаров саму гравитацию решил объяснить как свойство квантового вакуума. Он предположил, 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 расширения Вселенной.

Но если идея Сахарова «отменила» гравитацию, почему же она так понравилась виднейшей фигуре в гравитации — Джону Уилеру, который с энтузиазмом говорил об этой идее в своих статьях и в фундаментальной монографии «Гравитация»? Потому что главным для Уилера было не то, чтобы любой ценой сохранить эйнштейновскую теорию гравитации, а чтобы по-настоящему ее понять, то есть решить трудные вопросы этой теории. Важнейший из таких вопросов — квантование гравитации.

Идея Сахарова открыла новый взгляд на эту неприступную крепость, давно осажденную теоретиками. В то время как его коллеги, расположившись вокруг бастиона боевым лагерем, обдумывали, какими катапультами и стенобойными орудиями проломить толстые стены, Сахаров увидел 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 физических объектов. Надежда была на то, что следствием полной квантовой теории вакуума станет эйнштейновская теория гравитации с ее искривленным пространством-временем, с ее звездным коллапсом и расширением Вселенной. А уж из эйнштейновской теории, когда гравитация не очень сильна, следует Ньютонов закон тяготения.

Тот, кто помнит вид этого закона по школьному учебнику,

F = GmM/r2,

может спросить, откуда возьмется величина гравитационной постоянной G. Сахаров исходил из того, что в полной теории микромира возникнет новая константа — фундаментальная длина l, указывающая границу применимости геометрических представлений, известных со времен Евклида. На расстояниях, меньших l, обычные понятия пространства и времени должны замениться какими-то другими понятиями — гораздо более глубокими и менее наглядными, что предсказал еще Матвей Бронштейн. Какими именно понятиями, подход Сахарова позволяет пока не уточнять. И позволяет теоретикам продолжать поиск полной теории элементарных частиц. Однако предлагает стратегический план, как этот поиск совместить с пониманием квантовой гравитации. Если эта стратегия увенчается успехом, то из микрофизической длины l возникнет константа G, управляющая падением яблок и движением планет.

В новой микрофизической длине l естественнее всего предположить уже известную нам сGh-длину:

l = lcGh = (hG/c3)1/2 ≈ 10-33 см.

Эту формулу можно переписать в виде:

G = l2c3/h,

чтобы увидеть гравитационную константу как результат квантовой физики вакуума, определяемой константами l, c и h. И тогда вместо «сGh-» надо будет говорить о сhl-физике (ставя константы в историческом порядке).

Свой подход Сахаров назвал: «гравитация как упругость вакуума». Чем же это похоже на обычную упругость, знакомую каждому безо всякой науки? Делая первые луки, люди интуитивно учитывали упругость дерева, не догадываясь, 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.

Аналогично, чтобы описать движение под действием тяготения Земли, достаточно просто знать величину G — коэффициент упругости вакуума согласно Сахарову. Но чтобы узнать, что произойдет со звездой в результате ее коллапса или как начиналось расширение Вселенной, не обойтись без знания полной квантовой теории вакуума.

«Мировая наука и мировая политика» в 1967 году

Механизм барионной асимметрии, изобретенный Сахаровым в 1967 году, — до сих пор единственный путь объяснить наблюдаемое соотношение вещества и антивещества, но все же пока это — гипотеза. А идея объяснить гравитацию свойствами микромира до сих пор остается лишь общей стратегической идеей.