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».