Об авторе: Евгений Михайлович Стрелков – сотрудник Университета
Лобачевского, Нижний Новгород.
Пульсирующий Универсум как
компромисс между бесконечно расширяющейся и стационарной Вселенной
Нельзя не восхититься широтой кругозора и внутренней свободой Андрея
Сахарова, запертого властью в «закрытом» городе с характерным именем Горький.
Фото РИА Новости
В самом начале своей горьковской ссылки, несмотря на весь драматизм
ситуации, связанный как с вынужденной отлучкой из Физического института, так и
с общим непониманием своего будущего, академик Андрей Дмитриевич Сахаров засел
за космологическую задачу, к которой обратился несколько раньше. Сюжет выросших
из этого нескольких статей Сахаров связал с «обращением стрелы времени». Речь
шла о глобальных проблемах описания мира.
Дело в том, что, как писал сам Сахаров в предисловии к одной из статей,
классические уравнения движения и квантовые состояния допускают смену знака
времени, а вот статистические уравнения – нет. А что, если допустить, что из
точки сингулярности (нулевое время) время может течь в обе стороны – с плюсом и
с минусом, и с ростом энтропии в обе стороны? Тогда, как пишет Сахаров, в
картине мира в целом восстанавливается равноправие двух направлений времени,
присущее уравнениям движения и квантовой механике.
Отрицательное время понадобилось автору еще для одной давней его идеи –
для объяснения барионной асимметрии Вселенной. То есть того факта, что
вещества, то есть барионов (к которым относятся протоны и нейтроны) и
электронов во Вселенной во много раз больше, чем антивещества. Последнее
встречается в основном лишь в виде позитронов (то есть антиэлектронов) в
космических лучах и в ускорителях. А вот из вещества состоят планеты, звезды и
галактики…
Сингулярность точки нулевого времени могла бы сшить мир и антимир. То
есть при выполнении так называемой CPT-инвариантности законы движения и
состояния не меняются, если при смене четности меняется и обобщенный заряд, а
также знак времени. При этом Сахаров утверждал, что барионный заряд сам по себе
не сохраняется, и это несохранение он связывал с нестационарностью процессов в
ранней Вселенной. Собственно, Сахаров барионную асимметрию не объяснил, а лишь
постулировал некоторые условия для ее осуществления.
Получалось, что несохранение барионного заряда (например, в случае
теоретически возможного, но пока экспериментально не обнаруженного, распада
протона) невозможно в современной разреженной Вселенной. А в прото-Вселенной с
ее огромными плотностями частиц и энергии барионы могли распадаться и барионное
число нарушалось. А обойти требование CPT-инвариантности можно, предположив
распад очень тяжелой частицы, время распада которой сравнимо с темпом остывания
всей среды. Тогда распавшаяся частица не сможет обратно слиться – окружающие
условия уже стали другими, ситуация нестационарна.
Сахаров привлек в свою теорию максимоны – очень тяжелые гипотетические
частицы массой до 10–5 г, предложенные в свое время советским
физиком-теоретиком Моисеем Марковым. Это был довольно рискованный шаг. Сегодня
используют другие приемы. Но вот три условия Сахарова для выполнения барионной
асимметрии по-прежнему в ходу.
Сахаров предположил также, что сингулярность с «обращением стрелы
времени» может быть не только в самом «начале», но и в «конце» – в момент
окончания расширения Вселенной. И он допустил возможность режима пульсирующего
мира (многолистного в его терминах), когда цикл расширения Вселенной сменяется
сжатием и снова расширением. А энтропия при этом все возрастает. Пульсирующий
мир – это некий компромисс между бесконечно расширяющейся Вселенной с неизбежной
тепловой смертью и стационарной Вселенной, привлекательной для многих, но
противоречащей наблюдениям. Прежде всего – красному смещению в спектрах излучения
далеких галактик. Этот эффект еще в 1930-е связали с космологическим
расширением – механизмом, в чем-то аналогичном эффекту Доплера.
Стационарная Вселенная настолько психологически привлекательна, что ее
адепты пытались объяснить красное смещение так называемым старением света. Мол,
вакуум обладает гравитационными свойствами, и далекие фотоны при взаимодействии
с ним теряют энергию. Значит, в соответствии с формулой Планка частота падает,
а длина волны растет – вот спектр и смещается в сторону красного света.
В отличие от модели стационарной Вселенной, пульсирующая модель
Сахарова с уравнениями Эйнштейна согласуется. И при этом она по-своему
оптимистична. В «Воспоминаниях», начатых в том же Горьком, Сахаров писал: «С
многолистными моделями связана еще одна интригующая воображение возможность,
верней – мечта. Может быть, высокоорганизованный разум, развивающийся миллиарды
миллиардов лет в течение цикла, находит способ передать в закодированном виде
какую-то ценную часть имеющейся у него информации своим наследникам в следующих
циклах, отделенных от данного цикла во времени периодом сверхплотного
состояния?»
Нельзя не восхититься широтой кругозора и какой-то внутренней свободой
человека, запертого властью в «закрытом» городе с характерным именем Горький –
и при этом витающего мыслью в звездных пространствах, удаленных от нас на
миллиарды световых лет. Сахаров как персонаж большой истории реализовывался в
очень неоднородной, а главное, нестационарной среде, и – случайно или так
совпало – в космологии его также интересовали неоднородности и нестационарности.
Одна из самых его красивых и продуктивных идей как раз была связана с
возникновением неоднородности вещества в очень ранней Вселенной из-за
нестационарности – резком падении скорости «звука» в первичной космической
плазме. По мысли Сахарова (работа была опубликована в 1965 году), при очень
маленьких пространственных масштабах в той чудовищно плотной прото-Вселенной
неизбежны квантовые флуктуации плотности, а значит, и волны сжатия и
растяжения. То есть в каком-то смысле – «звук». Этот своеобразный звук
воплотился в стоячие волны с характерными расстояниями между горбами и
впадинами.
И вот эти сгущения и разряжения вещества оказались «заморожены» при
взрывном расширении мирового «зародыша», а затем стали неоднородностями
космического масштаба – галактиками. У Сахарова, правда, масштаб получился чуть
меньше, порядка размеров шаровых звездных скоплений. Его подвела изначально
выбранная им «холодная» модель первичной Вселенной, взятая у Якова Зельдовича.
Но принцип превращения квантовых флуктуаций в макроскопические неоднородности
Сахаров угадал, похоже, верно. И это произвело впечатление. Эта его идея
разрабатывается до сих пор. Только вместо квантовых флуктуаций плотности
перво-вещества сейчас предпочитают говорить о квантовых флуктуациях метрики
перво-пространства.
А то, что Сахаров занимался фундаментальной теорией – будь то
космология или физика элементарных частиц, – с существенными паузами не могло
не сказаться на «мощности» его научных результатов. Вдруг, резко входя в воды
научного потока, он часто делал гениальные предвидения, но был просто не в
состоянии ощутить всю совокупность струй. Порой выбирал не самые верные течения
– будь то «холодная» модель Зельдовича или максимоны Маркова.
Похоже, результаты космологических изысканий Сахарова могли бы быть
глубже, если бы он находился в этом научном потоке постоянно, а не урывками,
оперативно реагируя на «новые моды», будь то кварковая теория или космическая
инфляция. Обладая чрезвычайно сильной научной интуицией, он, пожалуй, иногда
опрометчиво увлекался маргиналиями. Но, видимо, это – часть его стиля. Но это,
разумеется, ничуть не умаляет прозорливости Андрея Дмитриевича Сахарова и
непреходящую ценность его ключевых идей – как для космологии, так и для
устройства справедливого существования человечества.
В текстах Сахарова подкупает оптимизм, то, что называют «верой в
человечество»: «Я убежден, что сверхзадачей человеческих институтов, и в том
числе прогресса, является не только уберечь всех родившихся людей от излишних
страданий и преждевременной смерти, но и сохранить в человечестве все
человеческое – радость непосредственного труда умными руками и умной головой,
радость взаимопомощи и доброго общения с людьми и природой, радость познания и
искусства. Я верю, что человечество найдет разумное решение сложной задачи
осуществления грандиозного, необходимого и неизбежного прогресса с сохранением
человеческого в человеке и природного в природе».