Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации

Вернуться в чистую науку Сахарову помог общительный Зельдович. Уйдя из ядерного проекта в 1963 году, он Сахарову заменял участие в научных семинарах и общение с мировой наукой. И первую задачу в космологии Сахаров, можно сказать, получил из рук Зельдовича. Но решил он ее сам и запомнил день, когда это случилось, — 22 апреля 1964 года: «…Я вновь уверовал в свои силы физика-теоретика. Это был некий психологический разбег, сделавший возможными мои последующие работы тех лет».

Его новая уверенность видна в «программе на 16 лет», которую он составил для себя в 1966 году. Почему 16? Возможно, потому, что предыдущие 16 лет провел на Объекте — в секретном ядерном центре, в отрыве от высокой науки. Видимо, по той же причине программа включила в себя 16 проблем, начиная с солидной «Фотон + Гравитация» и кончая загадочным «Мегабиттроном».

Особого внимания заслуживает пункт 14 в этой программе. Правда, думая о сложных физико-математических материях, академик пропустил восьмой пункт. А значит, пункт 14 становится фактически 13-м, чем можно объяснить его особый характер. Похоже, поставив себе цель набрать 16 задач, Сахаров задумался в этом месте, поставил вопросительный знак и, вспомнив, что наука плохо поддается планированию, дописал: «Именно это я и буду, наверно, делать». Он оказался прав: «именно этим», незапланированным, он занялся в том же, 1966 году и даже уместил в этот пункт две самые яркие свои теоретические работы.

Во-первых, он объяснил, почему во Вселенной частиц гораздо больше, чем античастиц, и то была самая успешная из его чисто физических идей. А во-вторых, предложил новый подход к гравитации, в которой усмотрел проявление ультрамикроскопических свойств вакуума.

Симметрии асимметричной Вселенной

Научный синоним слову «красота» — понятие «симметрия», математически точное, важное в физике и, сверх того, наглядное. Простой пример — зеркальная симметрия бабочки: если ее отразить в зеркале, правое крыло станет на место левого, но никакой разницы не заметить. Всякая симметрия — это закономерность формы, в силу которой форма эта не меняется при каких-то переменах.

Такое свойство, выраженное на языке математики, стало инструментом физики в изучении устройства природы. Физика прошла долгий путь, прежде чем в своих законах разглядела проявления глубинных симметрий мироздания. Все знают, что вертикально поставленный и закрученный волчок стоит на одной точке и не падает. Но почему? Потому что не знает, куда упасть: все направления, поперечные его оси, равноправны — все направления в пространстве симметричны относительно этой оси. Такая симметрия определяет главный закон волчка — закон сохранения момента импульса.

Понятие симметрии — одно из самых работоспособных в физике. Поведение не только волчка, но и атома и атомной бомбы определяются симметрией. Теоретик всегда ищет максимально симметричное упрощение своей задачи. А всякий фундаментальный физический закон раскрывает некую симметрию природы. Если же обнаруживается какая-то асимметрия, то это — проблема для теоретика.

«Электродинамика Максвелла в применении к движущимся телам приводит к асимметрии, несвойственной самим явлениям», — так Эйнштейн начал статью о теории относительности. Созданием этой теории он преодолел асимметрию, которая оказалась лишь видом сбоку на глубинную симметрию природы.

Другой триумф симметрии в физике обязан Полю Дираку. В конце 1920-х годов, стараясь соединить теорию относительности и квантовую механику, он получил элегантное уравнение для электрона. Вскоре, однако, обнаружилось, что уравнение описывало еще и другую частицу — в чем-то очень похожую на электрон, а в чем-то противоположную. По массе эта частица совпадала с электроном, а по заряду была противоположной. Настолько противоположной, что встреча этой частицы с электроном привела бы к их аннигиляции, то есть взаимоуничтожению.

Никаких частиц, кроме электронов и протонов, физика тогда не знала, но Дирак поверил в симметрию своего уравнения и предсказал новую частицу, назвав ее антиэлектроном. Вскоре экспериментаторы обнаружили в космических лучах такую частицу, а назвали позитроном — из-за ее позитивного заряда. Для теоретиков же главное свойство новой частицы — быть антикопией электрона. Позже были открыты другие элементарные частицы с их антикопиями, которым уже давали правильные имена: антипротон, антинейтрон, антинейтрино… Когда частица и ее античастица при встрече аннигилируют, рождаются новые пары частица-античастица или частицы света — фотоны, наследующие суммарную энергию родительской пары.