Симметричная Вселенная
Г. И. Наан
Публикации Тартуской астрономической обсерватории
XXXIV, № 2 — с. 421-444.
Симметрия, в каком бы широком или узком смысле мы ни понимали, это слово, есть та. единственная идея, с помощью которой человек, испокон веков пытался постигнуть и воспроизвести порядок, красоту и совершенство. Герман Вейль
1. Необходимость Вселенной. Из трех крупных вопросов общей космологии: 1. Что такое Вселенная? 2. Как она устроена? 3. Почему она существует? — наиболее трудным является последний. В итоге многотысячелетних исканий мы сейчас можем сказать многое, даже очень многое по второму вопросу, меньше — по первому и почти ничего — по третьему.
История человеческой мысли знает два принципиально различных подхода к этому последнему вопросу. В первоначальных взглядах на природу, в религиозных учениях и различных формах философского идеализма содержится ответ, сводящийся к тому, что существование Вселенной есть результат ее сотворения некой надприродной силой (абсолютным духом, богом-демиургом и т. п.). Другой подход также, восходит к достаточно далекому прошлому. Во всяком случае, еще в V веке до н. э. философом элейской школы Мелиссом было сформулировано знаменитое положение ex nihilo nihi fit — из ничего ничего не возникает, ничто не может породить нечто. В последующие века это положение в материалистической философии служило обоснованием вечности и несотворимости Вселенной, того, что не существует внеприродной причины Вселенной. За последние два столетия это положение нашло более конкретную формулировку и естественнонаучное обоснование в физических законах сохранения.
Нетрудно видеть, что ответ первого типа не является, логически корректным. Старое затруднение здесь «устраняется» созданием двух новых, вместо вопроса о том, почему существует Вселенная, мы оказываемся перед двумя еще более трудными: почему существует бог и существует ли он.
Ответ второго типа сводится, в сущности, к тому, что сам вопрос, объявляется праздным. Хотя это вполне соответствует уровню наших знаний, это не означает, что следует отказаться от поисков ответа в более прямой форме. Кроме того, сам вопрос может быть сформулирован более изощренно, например, так: является ли существование Вселенной необходимым? Иными словами: не могла ли бы Вселенная либо не существовать вовсе, либо существовать как-то совсем иначе? (Наверное было бы довольно неприятно сознавать, что существование Вселенной со всей ее начинкой — чистейшая случайность!).
Постановка вопроса в столп общей форме может, конечно, показаться слишком академической, отвлеченной. Однако можно указать частный аспект общей проблемы, имеющий совершенно реальный физический смысл. Это проблема антимира, значение которой выступает особенно отчетливо в связи с зарядовым парадоксом.
2. Зарядовый парадокс. Несмотря на полное равноправие частиц (вещества) и античастиц (антивещества) весь окружающий нас мир, насколько мы его знаем, почему-то построен — практически нацело — из одних лишь частиц (вещества). Это разительное противоречие между тем, что должно быть, и тем, что есть, может быть названо зарядовым парадоксом.
Следует подчеркнуть, что по своей природе этот парадокс является более тяжелым, чем например, известные классические космологические парадоксы (гравитационный и фотометрический). Если в них речь идет о затруднениях, связанных с применением конкретных физических законов, то здесь встает вопрос о кажущемся или действительном нарушении законов симметрии, которые на современном уровне развития науки надо, по-видимому, считать наиболее фундаментальными законами природы, поскольку законы сохранения, которым обычно отводилась эта роль, все более отчетливо выступают в качестве проявления или следствия симметрии.
Капитальные затруднения должны капитальным же образом и преодолеваться. Поэтому, на наш взгляд, объяснение зарядовой асимметрии мира, например, ссылкой на возможную асимметрию начальных условий не является достаточно удовлетворительным: асимметрия начальных условий, каковы бы они ни были, сама требует объяснения. Во всяком случае, разумно рассмотреть и такую возможность: Вселенная в действительности зарядово-симметрична, обобщенные заряды мира (миров) компенсируются обратными по знаку зарядами I антимира (антимиров).
3. Необходимость антимира. Предположение о возможности существования антимиров, т. е. миров, построенных из античастиц, было выдвинуто впервые около тридцати лет тому назад в Нобелевской лекции Дирака [1]: «Если мы станем на ту точку зрения, что полная симметрия между положительным и отрицательным электрическими зарядами является фундаментальным законом природы, то мы должны рассматривать как своего рода случайность, что Земля и, вероятно, вся солнечная система содержат избыток обычных отрицательных электронов и положительных протонов. Вполне возможно, что некоторые звезды построены иным путем, именно — главным образом из позитронов и отрицательных протонов. Конечно, в мире должно быть одинаковое число звезд каждого сорта. Оба сорта звезд будут иметь в точности одинаковые спектры и в настоящее время нет возможности различить их каким-либо астрономическим методом».
Приведенный здесь отрывок из лекции Дирака очень богат содержанием и может служить примером блестящего научного прогноза. За истекшее тридцатилетие предположение о фундаментальном характере симметрии между зарядами нашло полное подтверждение. О зарядовом сопряжении сейчас можно говорить в значительно более общем смысле, чем тогда: подтвердилось не только предположение о существовании антипротона; все частицы существуют парами частица—античастица (в случае «истинно нейтральной» частицы последняя тождественна античастице). Остается в силе положение о невозможности практически отличить антизвезду (антигалактику) от звезды (галактики), хотя теперь и известна принципиальная возможность такого различения (пока еще далекая от практической реализации): при термоядерных процессах в звездах возникает поток нейтрино, в антизвездах — поток антинейтрино.
Для нас здесь, однако, более существенно другое. За истекшие три десятка лет ситуация стала острее в том смысле, что теперь следует говорить уже не только о возможности антимира, но, по-видимому, о его неизбежности. Действительно, из того, что а) существует мир и б); частицы и античастицы совершенно равноправны, следует не просто возможность, но необходимость антимира. Вселенная должна быть более симметричной, чем она представляется по данным современных наблюдений.
Эти наблюдения, как уже подчеркивалось, не могут сейчас подтвердить или опровергнуть существование космиче ских объектов, построенных из антивещества. Но изюминка ситуации вовсе не в этом. Если такие объекты должны существовать, то очень важно показать, как они могут возникнуть и сосуществовать с объектами из обычного вещества. Имеющиеся на этот счет гипотезы не производят впечатления должной капитальности. Например, предположение о возможности разделения вещества и антивещества в космических масштабах посредством гравитации требует отрицательной гравитационной массы античастиц (гравитационного отталкивания), что, по-видимому, невозможно2 . Значительно менее уязвима гипотеза о возникновении объектов из антивещества в результате флуктуации в зарядовосимметричной Вселенной [4—5]. Флуктуационная гипотеза требует, чтобы во Вселенной существовал большой зарядовосимметричный «фон», который может состоять из нейтрино и антинейтрино одинаковой плотности. Современная плотность энергии нейтрино слишком мала для этого, но мыслимо, что флуктуации имели место на первых этапах расширения Метагалактики, описываемого моделью Фридмана. Таким образом, гипотеза оказывается зависимой от конкретном космологической модели. Положение мало меняется от того, что это наилучшая из имеющихся моделей — в «табели о рангах» законов и понятий физики законы симметрии стоят намного выше, чем любое частное решение уравнений тяготения, и даже выше, чем уравнения (законы) тяготения. Поэтому и эта гипотеза, по-видимому, не удовлетворяет (интуитивному) требованию капитальности. Во всяком случае, наряду с исследованием и развитием дираковской гипотезы антимира законно рассматривать и другие возможности.
4. Гипотеза недираковского антимира. Введем понятие антимира, отличное от классического (дираковского). Идея этой возможности подсказывается успехами теории элементарных частиц, свидетельствующими о тесной связи свойств симметрии вещества (поля), пространства и времени. Предварительно сделаем несколько общих замечаний. Специальная теория относительности продемонстрировала тесную связь движения, пространства и времени. Общая теория относительности связала свойства пространства и времени с материей и ее движением через гравитацию. Затем благодаря теории элементарных частиц стало ясно, что теория относительности указывает на еще более глубокую связь материи, движения, пространства и времени. Мы имеем в виду известную СРТ-теорему Паули—Людерса—Швингера [6—7]: теория поля с «нормальными правилами коммутации» (т. е. локальная) и инвариантная относительно собственных преобразований Лоренца, инвариантна также относительно произведения преобразований зарядового сопряжения (С), пространственного отражения (Р) и обращения времени (Т), взятых в любом порядке. Менее строго смысл теоремы может быть передан так: всякая разумная теория поля, удовлетворяющая принципам специальной теории относительности, оказывается верной также после замены частиц на античастицы при одновременном отражении всех пространственно-временных координат. Или еще иначе: все физические процессы, в которых участвуют известные нам элементарные частицы, инвариантны относительно СРТ-преобразования3. Назовем антимиром мир, полученный из обычного в результате СРТ-преобразования. Если антимир Дирака получается из обычного путем замены частиц античастицами, то для получения нашего антимира необходимо, сверх этого, еще «вывернуть наизнанку» пространственно-временной каркас мира.
5. «Внутренние» и «внешние» свойства антимира. Эксперимент свидетельствует, что процессы, в которых участвуют элементарные частицы, инвариантны относительно СРТ-преобразования, а также отдельно относительно Т-преобразования (обращения времени). Разумеется, существует формальная возможность того,- что в каких-то будущих экспериментах обнаружится нарушение этой инвариантности и она, таким образом, окажется не универсальной. Однако, как мы видели в предыдущем разделе, основа ее очень солидная, теорема опирается непосредственно на теоретико-групповые основы физики. Поэтому есть серьезные основания надеяться, что таких нарушений обнаружено не будет. Мы же здесь попросту постулируем универсальную применимость СРТ-инвариантности. Более того, мы пойдем еще несколько дальше и примем в качестве исходного постулата, что не только процессы микромира, но и все вообще физические процессы и законы инвариантны относительно этого преобразования. Тогда вопрос о «внутренних» свойствах антимира решается автоматически: в антимире все происходит в точности так же (по тем же физическим законам), как и в мире. Иными словами, если бы в один прекрасный день наш мир был мгновенно «вывернут наизнанку», т. е. частицы превратились бы в своп античастицы (протоны — в антипротоны, электроны — в позитроны, фотоны — в фотоны же, и т. д.), время потекло бы вспять и пространство претерпело бы зеркальное отражение, то мы попросту не заметили бы такого превращения. Или, еще несколько иными словами: никакими наблюдениями внутри мира (только такие наблюдения и возможны!) нельзя установить, находимся мы в мире или в антимире. По аналогии с одной из формулировок принципа относительности движения это положение может быть названо принципом относительности мира. Какой из двух миров-антиподов считать миром и какой — антимиром, это совершенно безразлично. Положение здесь такое же, как соотношение в паре частица — античастица. Никаких «внутренних» свойств, в силу которых одна из них являлась бы частицей, а другая античастицей, нет. Каждая из них является античастицей по отношению к другой, но не сама по себе.
Точно так же каждый из миров-антиподов сам по себе (по своим «внутренним» свойствам) является миром, но по отношению к другому (по своим «внешним» свойствам) — антимиром. По своим «внутренним» свойствам мир и антимир совершенно тождественны, по «внешним» — прямо противоположны. Выбрав один из них в качестве мира, будем считать преобладающие в нем частицы именно частицами (а не античастицами), течение времени прямым и пространство правовинтовым. Тогда другой мир мы должны считать антимиром, преобладающие в нем частицы — античастицами, течение времени — обратным, пространство — левовинтовым (по определению, ибо антимир мы определили как результат СРТ-преобразования мира). «Внешние» свойства антимира — это те, которыми он обладает «по отношению» к миру, «с точки зрения» мира, в «системе отсчета» мира. Очень существенным для дальнейшего анализа «внешним» свойством антимира является отрицательный знак энергии (массы). Это следует из того, что время в нем является обращенным (течет в обратном направлении). Как известно, в обычном мире для описания физических состояний нельзя использовать произвольное решение релятивистского волнового уравнения, ибо любое из этих уравнений имеет решения, соответствующие обоим знакам энергии, Приходится специально отбирать решения, соответствующие положительным значениям энергии (положительной ветви четырехмерного гиперболоида). Следует подчеркнуть, что такой выбор не только не вытекает из основ теории, но и противоречит им: отбрасывание решений с отрицательной энергией нарушает требование локальности поля (см., например, [8]). Приемы, которые используются для исключения неприемлемых решений (отрицательных энергий, лишенных физического смысла в мире), вносятся в теорию извне и являются в этом смысле искусственными. Поскольку отражение времени приводит к изменению знака энергии, что недопустимо, этому отражению не может быть сопоставлен какой-либо унитарный оператор; выход был указан Вагнером [9], предложившим сопоставлять временному отражению антиунитарный оператор. В данном случае нет никакой необходимости прибегать к этим ухищрениям, ситуацию можно и следует брать как она есть, рассматривать ее в соответствии с основами и внутренним смыслом теории. «Внешний» знак энергии ни в чем себя не проявляет пока мы остаемся в пределах мира (или, что то же, — антимира). Но он приобретает существенное значение при рассмотрении «суммарных» свойств Вселенной.
6. Свойства симметричной Вселенной. Систему, состоящую из мира и полученного из него в результате СРТ-преобразований антимира, назовем Вселенной. Такая Вселенная обладает глубокой симметрией. Последняя выступает особенно отчетливо при рассмотрении «суммарных» свойств Вселенной.
Для наглядности рассмотрим сперва «мир», состоящий лишь из двух частиц, скажем, протона и электрона с массами, соответственно, m1 и m2, импульсами р1, р2, пространственными и временными координатами xi1, xi2 и др. обычными характеристиками. «Антимир», по определению, будет состоять из антипротонов и позитронов с теми же по абсолютной величине значениями масс, импульсов, координат, но взятых с обратными знаками. Произведем (формальную) операцию сложения миря и антимира в системе отсчета любого из них. Для суммарной массы, импульса, значений пространственных и временных координат, интервала и т. д. получим тождественно нуль. Увеличение числа или числа сортов частиц и любое иное усложнение мира, очевидно, ничего не изменит в суммарных свойствах Вселенной: ее масса (энергия), импульс; все заряды (электрические, барионные, лептонные) равны нулю. Тождественно равны нулю все пространственно-временные интервалы и координаты. Симметричная Вселенная такова, что она в среднем ничего не содержит, даже пространства и времени. Мир и антимир взаимно «сокращаются», что является наиболее сильным оправданием термина «антимир», подобно тому как основным свойством античастицы является то, что вместе с частицей они взаимно сокращаются, аннигилируют. Однако в случае антимира это свойство выражено значительно сильнее, аннигиляция, если бы она была возможна, была бы полной, тотальной аннигиляцией, аннигиляцией в буквальном смысле слова. В действительности операция сложения мира и антимира является формальной, реальная аннигиляция невозможна. Ведь мир и антимир существуют в различных, притом несовместимых пространственно-временных каркасах. Никакое физическое движение не может совместить событие в мире с событием в антимире. Это видно хотя бы из теоретико-групповых соображений. Отражение пространственных и временных координат интерпретируется на геометрическом языке как результат двух последовательных поворотов в четырехмерном «пространстве» на 180o во взаимоперпендикулярных «плоскостях», например, вращения в плоскости (х, у) и вращения в плоскости (z, t). Однако при втором вращении, вращении в пространственно-временной плоскости, пересекается поверхность светового конуса, что, конечно, недопустимо (при таком «движении» превышалась бы скорость света). Следовательно, оставаясь на базе фундаментальных требований теории поля (соблюдение принципов специальной теории относительности, постулат локальности), следует считать, что взаимодействие между миром и антимиром невозможно. Осторожности ради, возможно, следует сказать: «взаимодействие в обычном смысле ив обычных условиях невозможно». О смысле этой оговорки будет сказано ниже (п. 11). Заметим, что отсутствие взаимодействия между миром и антимиром отнюдь не говорит о непознаваемости последнего. Верно лишь то, что он не воздействует непосредственно на наши органы чувств и приборы. Но познавая мир как физический объект мы ровно в той же мере познаем и антимир. Следует, наконец, подчеркнуть, что если; обычно антимиры, представляют наглядно как некие необычные объекты, удаленные от нас во времени или в пространстве, то в данном случае такое наглядное представление, конечно, совершенно невозможно. Мир и антимир имеют «взаимно вывернутые» пространства и взаимно противоположное направление вре мени, к которым неприменимы понятия «близко» и «далеко» Грубо наглядным образом симметричной Вселенной мог бы служит винт, имеющий и правую, и левую резьбу, при условии, что гайки могли бы совершенно свободно проходить друг через друга как через пустое пространство. Нельзя разумеется, представлять себе дело так, что кроме этих двух пространств есть еще какое-то третье, объединяющее их «фоновое» пространство.
7. Генезис Вселенной. Приведенный выше вывод о суммарных свойствах симметричной Вселенной — равенство нулю массы, всех зарядов, отсутствие пространства и времени, словом «пустота» такой Вселенной — может показаться чрезмерно парадоксальным. Но он не является для космологии полной неожиданностью. Аналогичными свойствами, хотя и выраженными не столь резко, обладают некоторые хорошо известные космологические модели. В частности, одна из основных нестационарных моделей релятивистской космологии — модель с. замкнутым пространством — имеет электрический заряд, полную энергию (массу) и импульс, тождественно равные нулю (см., например, [3]). В таком мире гравитационное взаимодействие столь велико, что вызываемый им дефект массы в точности равен сумме масс всех составных частей мира.
В нашей схеме масса мира, вообще говоря, может быть отлична от нуля, но масса Вселенной (системы мир + антимир) тождественно равна нулю, поскольку все массы мира уравновешиваются такими же массами антимира, имеющими обратный знак. Так же обстоит дело с зарядами. В среднем, суммарно симметричная Вселенная состоит из одной лишь пустоты. Поэтому она может возникать из пустоты при строгом соблюдении всех законов сохранения. При этом изменение массы (энергии), электрического заряда, барионного и лептонного чисел, импульса в мире и антимире, по определению, равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. В среднем все остается равным нулю. Утверждение о возможности возникновения из ничего (пустоты, вакуума) при строгом соблюдении законов сохранения должно казаться предельно парадоксальным. Ведь смысл законов сохранения в том-то и состоит, что из ничего ничего не возникает, ничто не может породить нечто. Развиваемая здесь гипотеза ни в какой мере не оспаривает этого положения. Ничто действительно не может породить (одно лишь) нечто: но оно порождает что-то большее — нечто и антинечто одновременно!
Подобно тому как в основе идеи Дирака, приведшей к выводу о существовании античастиц, лежит в конечном счете тот элементарный факт, что корень квадратный из единицы равен не только плюс, но и минус единице, в основе предлагаемой здесь гипотезы, лежит в конечном счете гот еще более простой факт, что равенство (—1) + (+1) =0 может быть прочитано и наоборот, справа налево: 0 = (+1) + (—1) или даже так: 0 > (+1) + (—1). Последнее равенство, выражает уже не только космологию, но и космогонию. Исходным «строительным материалом Вселенной» является пустота, вакуум.
8. Природа вакуума. Со времен Демокрита, выдвинувшего положение о том, что все есть атомы и пустота, естествознание направляло свои усилия на изучение «атомов» в том или ином понимании, на изучение вещества, и почти игнорировало другой важнейший строительный материал Вселенной — пустоту, вакуум. Лишь со времен Максвелла и особенно за последние три десятилетия — время существования релятивистской квантовой теории — стало постепенно выясняться, что пустота столь же важна, как и атомы.
Трактовка вакуума современной физикой противоречива. С одной стороны, она вынуждена наделять его все более богатыми свойствами, но с другой стороны, она не может уйти от того, что вакуум есть все же лишь пустота, ничто, следовательно, отсутствие всего, в том числе и каких бы то ни было физических свойств. Связующим звеном является представление о виртуальных процессах и соотношение неопределенностей для энергии и времени, позволяющее на короткое время взять энергию взаймы там, где ее нет. Чем быстрее возвращается одолженная энергия, тем больше она может быть. Приходится признать, что природа вакуума очень диалектична, противоречива, и это, видимо, есть именно природа самого вакуума, а не нашего подхода к вакууму.
Развиваемая здесь концепция требует от вакуума лишь не много сверх того, чем он уже был наделен без нее. По существующим представлениям вакуум может поляризоваться, флуктуировать, взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой, наконец, рождать виртуальные частицы. Нам нужно, чтобы он сверх того мог рождать еще и реальные частицы, точнее, пары частица—античастица, которые расходились бы по мирам-антиподам — «половинкам» симметричной Вселенной. Такой процесс в принципе ничуть не менее правдоподобен, чем рождение виртуальных частиц: последнее означает нарушение закона сохранения энергии, хотя и временное, разрешенное соотношением неопределенностей; наш процесс идет при строгом соблюдении всех законов сохранения.
По существующим представлениям, вакуум может рождать и реальные частицы, но только за счет энергии, вносимой извне. Предполагаемый здесь процесс должен идти за счет внутренних запасов энергии самого вакуума, несмотря на то, что у вакуума нет таких запасов. Это противоречие не обязательно является столь серьезным, как могло бы показаться. Вакуум, точнее, грубую модель вакуума можно представить себе как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсируемый таким же запасом энергии другого знака. Модель груба хотя бы уже в том смысле, что обе энергии должны быть слиты в; одно неразрывное единство — вакуум.
Вакуум и Вселенная различаются тем, что в первом из них противоположности (энергии разных знаков, противоположные заряды и т. д.) слиты воедино, во втором они дифференцировались, поляризовались в раздельные «сущности». Вероятно, правильнее было бы включать в понятие Вселенной не только мир и антимир, но также и исходный абсолютный вакуум; тогда следовало бы говорить о дифференцировавшейся и недифференцировавшейся частях Вселенной. По-видимому, в этом вопросе, как и во многих других, древние греки с гениальной наивностью или наивной гениальностью угадали суть дела: «космос» первоначально означал не только «мир, Вселенную», но также «строй, порядок», и возникал этот «космос», согласно древнейшей космогонии, из «хаоса». Надо еще заметить, что в рамках нашей схемы различие между реальными и виртуальными частицами становится довольно условным. Грубо наглядной аналогией являются фазовые переходы, например, при испарении жидкости: некоторые частицы покидают жидкость лишь на очень короткое время, другие обретают самостоятельное существование как молекулы уже не жидкости, а газа. Иными словами, предполагается, что виртуальные частицы в самом деле «одалживают» энергию у вакуума и никакого нарушения закона сохранения нет, но «долг» нужно быстро вернуть, потому что возникновение частицы нарушает равновесие вакуума и это нарушение не может быть слишком длительным. Описанный выше процесс рождения пары равновесия не нарушает и возникающие частицы «должниками» не являются.
9. Рождение вещества. Соблазнительно попытаться связать рассмотренный гипотетический процесс возникновения вещества с какими-либо уже известными астрофизике процессами. Естественно при этом обратить внимание в первую очередь на те явления и объекты, существование которых плохо поддается объяснению в рамках существующих теорий.
Перечислим те «необычные» явления большого масштаба, которые могли бы, представить в этом плане первостепенный интерес.
а. Космические лучи очень высокой энергии (до 1019 или 1020 эв, предположительно даже 1080 эв!). Объяснить не только их происхождение, но хотя бы что это такое, очень нелегко (см., например, обзор [10] и цитированную там литературу).
б. Взрывные звезды, особенно Сверхновые (под этим названием объединяется, по-видимому, несколько существенно разных типов звезд).
в. «Сверхзвезды», т. е. особый тип очень малых, очень плотных нестационарных галактик (см. например, [11]; количество литературы по этому вопросу очень быстро растет).
г.Ядра некоторых, особенно гигантских галактик, на особую космогоническую активность которых указал В. А. Амбарцумян [12].
д. Радиогалактики (наиболее внушительный представитель — знаменитый радиоисточник Лебедь А).
Ко всем этим объектам и явлениям можно было бы добавить еще. е. взрывное начало расширения Метагалактики, существующее по крайней мере в виде одного из физически возможных явлений. Все эти явления роднит колоссальный выход энергии, который не всегда легко объяснить даже с помощью таких могущественных механизмов, как, например, термоядерные реакции, аннигиляция, гравитационный коллапс. Возможно, что их удастся описать с помощью обычных (существующих) уравнении, но в предположении о совершенно необычном начальном состоянии вещества. Это означало бы, что мы объяснили соответствующий процесс начиная с некоторой его стадии, но остается необъяснимым, как вещество попало в такое необычное состояние. Иными словами, еще раз подтверждается, что «детский» вопрос: «А что было еще раньше?» часто имеет глубокий смысл и является очень трудным.
С точки зрения развиваемой здесь концепции, колоссальный выход энергии, характерный для перечисленных выше процессов, вообще не составляет проблемы. Из вакуума может быть выкачана любая энергия при условии, что соответствующий механизм обеспечивает одновременно извлечение такого же количества энергии для антимира. Сумма извлекаемых энергий равна нулю.
Другими словами, можно предположить, что начальной стадией по крайней мере некоторых из перечисленных явлений или аналогичных им служит некий процесс возникновения из вакуума «правещества». Последующие превращения последнего и служат основой или исходным пунктом соответствующих астрофизических явлении.
Поскольку довольно естественно предположить, что процессы такого рода являются очень «энергичными» не только макроскопически, по и микроскопически, мы приходим к мысли, что они должны развертываться на арене очень малых пространственно-временных масштабов. Соответствующие пространственные интервалы могут быть существенно меньше 10-13 см, а характерные промежутки времени существенно меньше 10-24 сек. Такие взаимодействия можно назвать сверхсильнымн.
Конечно, здесь есть целая вереница совершенно открытых вопросов. Суть изменений в том, что в начале есть лишь вакуум, пустота, ничто; через 10-24 сек или меньше, если иметь в виду элементарный акт превращений, есть некое нечто (и антинечто); в промежутке существует что-то такое, что уже не есть ничто, но еще не есть нечто. Сами понятия пространства и времени здесь могут быть далеко не такими безупречными, как при более привычных масштабах. Существует, на пример, подозрение, что здесь может сказаться (предполагаемая) квантовая, прерывная природа пространства-времени, т. е. расстояния намного меньше, чем 10-13 см попросту не существуют. Может оказаться даже, что здесь совершенно неприменима логика в какой-либо из ее известных форм [13]. Процесс рождения «первичных» частиц может в действительности представлять собой сложную серию сверхбыстрых превращении тяжелых, но эфемерных в смысле длительности существования частиц, аналогичных открытым за последние годы короткоживущим частицам (резонансам). Не исключена возможность, что развиваемые для их описания идеи могут подсказать также подход к уяснению природы предполагаемых здесь процессов. Интересно, например, что вылет (после рассеяния) частицы с положительной энергией эквивалентен влету античастицы с. отрицательной энергией (см. [14] и цитированную там литературу). Последнему процессу в обычном мире трудно приписать определенный физический смысл. Однако, если «вывернуть» его с помощью СРТ-преобразования, то получается, в принципе, именно то, что нам нужно: разлет частиц в равноправные миры-антиподы.
Конечным результатом превращений ультракороткоживущих частиц должны быть обычные элементарные частицы, притом такие, которые могут считаться первичными с точки зрения требований теории нуклеогенеза. По хорошо известным причинам первичными в этом смысле частицами обычно считаются нуклоны или смесь нуклонов с другими частицами. В новейшем варианте теории, предложенном Я. Б. Зельдовичем [15], такими частицами являются протоны, электроны и нейтрино (в равных количествах). В результате дозвездного космологического расширения сверхплотное вещество быстро преобразуется в водород. Синтез всех остальных элементов, как было показано несколько лет тому назад [16], в принципе может быть объяснен уже термоядерными реакциями в звездах. Таким образом, в принципе гипотеза дает возможность представить себе основные этапы эволюции от пустоты к звездам (звездному веществу) и связать лежащие в основе этой эволюции процессы микромира с известными астрофизике явлениями макроскопического масштаба. Теперь надлежит сделать шаг в сторону еще больших масштабов — к космологии.
С этой точки зрения существенным недостатком гипотезы (а может быть, и наоборот — ее преимуществом) является то, что она не связана непосредственно ни с одной из существующих «космологии» в узком значении этого слова, т. е. не связана с какой-либо конкретной моделью или классом моделей. Однако возможность такой связи должна быть проанализирована.
10. Генезис Метагалактики. В мировой астрономической литературе наибольшим вниманием пользуются две альтернативные космологические концепции: теория нестационарной Вселенной релятивистской космологии (Фридмана) и теория стационарной Вселенной Бонди—Голда и Хойла. С точки зрения современной физики эти концепции не равноценны. Первая является частью современной физики или одним из ее приложений. Теория же стационарной Вселенной исходит из предположения о возможности нарушения законов сохранения — законов, играющих фундаментальную роль в физике (подробнее см. [3, 14]).
Принятие гипотезы симметричной Вселенной резко изменяет положение. В рамках этой схемы стационарная и нестационарная модели могут интерпретироваться как два предельных случая поведения одной из половинок симметричной Вселенной — только мира, или что то же самое, только антимира. Возможно, что лучше говорить о поведении какой-то «достаточно большой» части мира. Для конкретности будем говорить о Метагалактике. Итак, нестационарная модель описывает тот случай, когда все необходимое для формирования Метагалактики исходное вещество (протовещество?) возникает из вакуума сразу, в неком взрывоподобном процессе. Дальнейшее поведение этого вещества определяется его расширением, которое может рассматриваться как следствие заложенных в исходном материале, начальных скоростей (кинетической энергии). Стационарная модель описывает другую предельную возможность — вещество возникает постепенно, в течение всей эволюции Метагалактики. Вновь возникающее вещество, грубо говоря, распирает Метагалактику, заставляя ее расширяться.
Об этом, втором варианте следует сделать два замечания. 1. Когда стационарная модель рассматривается не как описание Вселенной, а как описание мира или его части, т. е. лишь одной «половинки» симметричной Вселенной, то основное возражение против этой модели — нарушение законов сохранения — отпадает. 2. Поскольку наша схема исходит из того, что все законы физики, в том числе принципы специальной и общей теории относительности строго соблюдаются, то стационарная модель может годиться только в ковариантной формулировке; возможности такой формулировки рассмотрены, например, в [17, 18, 19]. В такой трактовке теория стационарной Вселенной может рассматриваться как разновидность, хотя и не ортодоксальная, релятивистской космологии.
Возможно, что поведение реальной Метагалактики не соответствует ни одному из этих предельных случаев, а является чем-то промежуточным в смысле сочетания обеих возможностей. Можно, например, представить себе, что Метагалактика начинает существование со взрывного расширения, вытекающего из модели Фридмана, но масса имеющегося в начале вещества составляет лишь часть современной массы Метагалактики; другая часть возникает позднее и проявляет себя, например, в некоторых из явлений, перечисленных в предыдущем разделе, или подобных «им; наконец, часть массы возникает непрерывно, обнаруживая себя, например, в космических лучах очень высокой энергии или в чем-то подобном. Математическое описание такой модели, вероятно, представляет немалые трудности, требуя учета неоднородностей и анизотропии, но в принципе возможно на базе общей теории относительности4.
11. Заключительные замечания. Гипотеза симметричной Вселенной в изложенном здесь виде не дает возможности сделать какие-либо конкретные предсказания из области теории элементарных частиц, астрофизики или космологии. Не она может оказаться полезным инструментом при осмысливании разнородных, казалось бы, явлений из этих областей. При этом рано, или поздно должны обнаружиться и эффекты, наблюдательная проверка которых даст возможность подтвердить или опровергнуть гипотезу. Гипотеза не отвергает ни одного из законов физики и не вводит каких-либо специальных дополнительных предположений, чуждых духу основных законов. По выводы из нее, прежде всего, вывод о возможности возникновения из ничего при строгом соблюдении всех законов сохранения, есть, конечно, что-то совершенно новое и потому очень непривычное. Нам кажется, что в этом отношении гипотеза в общем удовлетворяет как принципу соответствия, так и «принципу безумия». Последнее, впрочем, само по себе ничего не означает. Общепризнано, что новая теория, чтобы быть верной, должна быть безумной; однако безумие — совершенно необходимый, но вовсе еще не достаточный критерий правильности.
По своему характеру гипотеза охватывает область, лежащую где-то на стыке физики и философии. Философская ее сторона должна быть предметом специального рассмотрения и здесь поэтому почти не затрагивалась. Отметим лишь, что гипотеза демонстрирует возможность ответить на вопрос, сформулированный в начале статьи: «почему существует Вселенная?». В свете развитых здесь представлений ответ таков: «Вселенная существует потому, что ничто неустойчиво, поляризуется на нечто и антинечто». Это означает также, что генезис Вселенной начался в. бесконечно далеком прошлом, что является, конечно, лишь более педантичной формой утверждения, что такого начала не было, что .Вселенная существует вечно.
Существенное место во всей концепции занимает представление о недираковском антимире. Стоит, пожалуй, отметить, что возможность существования в любой из половинок Вселенной обычных, дираковских антимиров (антизвезд или антигалактик) этим в принципе не исключается. При распадении вакуума на вещество и антивещество последние, в порядке флуктуации, могли бы в, отдельных случаях попадать «не по адресу», дав в каждом таком случае материал для формирования, скажем, пары антигалактик — по одной в каждой из половинок Вселенной.
Определенный интерес представляет вопрос о направленности развития и круговороте вещества в свете нашей гипотезы. Исходным пунктом у нас является ничто, пустота, вакуум. Не может ли в результате большого круговорота эволюция вернуться опять к исходной точке? Ответить на этот вопрос очень трудно. Чисто абстрактная возможность для: этого, по-видимому, существует. Можно представить себе, что в результате длинного ряда превращений вещество, наконец, оказывается в состоянии со столь экстравагантными свойствами, что метрика и связность пространства-времени в данной области оказываются сильно деформированными и приведенные выше (п. 6) доводы о невозможности аннигиляции теряют силу. Опять напрашивается мысль о каком-то сверхплотном состоянии вещества. Увязать это с современными представлениями об эволюции звезд пока трудно. По этим представлениям, звезды непрерывно из чего-то возникают, проходят определенную направленную эволюцию, завершающуюся стадией белых карликов. Дальнейшая эволюция как будто невозможна, эволюция галактик должна приводить к накоплению запаса белых карликов. Однако история науки свидетельствует, что вывод о наличии какой-то «конечной» стадии развития обычно говорит лишь о том, что мы еще не знаем, что происходит дальше. Возможно, что предлагаемая гипотеза, таким образом, окажется полезным инструментом не только дня анализа того, «что было еще раньше» (до протозвезд), но и того, «что будет еще позже»; (после белых карликов).
1 Доложено на пленуме Комиссии по космогонии Астрономического совета Академии наук СССР 29 января 1964 г.
2 Подробнее см. [2] и цитированную там литературу, а также существенные замечания в [3], стр. 40.
3 Об инвариантности различных процессов (видов взаимодействия) Относительно преобразовании С, Р, Т, СР, и СРТ см. [8].
4 В этом плане представляет большой интерес недавняя работа И. Д. Новикова [20] об антиколлапсе.
1. П. А. Дирак. Сб. «Современная квантовая механика», Л.—М., 1934.
2. Л. Ш и ф ф, Сб. «Новейшие проблемы гравитации», М., 1961.
3. Я. Б. Зельдович, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
4. Б. Понтекорво, Я. Смородинский, ЖЭТФ, 41, 239, 1961.
5. Б. Понтекорво, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
6. В. Паули, Сб. «Нильс Бор и развитие физики», М., 1958.
7. Р. Иост. Сб. «Теоретическая физика 20 века», М., 1962.
8. Р. Маршак, Э. Судершан, Введение в физику элементарных частиц, М. 1962.
9. Е. P. Wig пег, Gott. Nachr., 31, 546, 1932.
10. В. Л. Гинзбург, УФН, 74, 521, 1961.
11. F. Hoyle, W. A. Fowler, Nature, 197, 533,
1963; Н. J. Smith, D. Ноifleit, AJ 68, 292, 1963; В. Л. Гинзбург, Л. М. Озерной, С. И. Сыроватский, ДАН, 154, 557; 1963.
12. В. А. Амбарцумян. Изв. АН Арм. ССР, сер. физ.-мат. наук, 9, 23. 1956; Transactions 1AU, XIB, 145, 1962.
13. Б. Г. Кузнецов, Сб. «Логические исследования», М., 1959
14. Я. Б. Зельдович, УФН, 78, 549. 1963.
15. Я. Б. Зельдович, ЖЭТФ, 43, 1561, 1962.
16. E. М. Burbidge, G. R. Вurbidge, W. A. Fowler, F. Hoyle, Rev. Mod. Phys., 29, 547, 1957.
17. W. C. McСrea, Proc. Roy. Soc, A 206, 562. 1951.
Источник