О сиимметрии. Геннадий Горелик

Симметрии в физике и политике
Словом «симметрия» обычно описывают форму здания, узор, геометрическую фигуру — это всегда какая-то закономерность формы. Однако в 20-м веке удалось в физических законах разглядеть проявления симметрий мироздания. Выяснилось, например, что крутящийся волчок долго не падает просто потому, что «не знает», в какую сторону упасть: все горизонтальные направления в пространстве равноправны — все стороны симметричны относительно вертикальной оси1. И вообще, всякий фундаментальный физический закон раскрывает некую симметрию Вселенной. Если же эксперимент обнаруживает какую-то асимметрию, то физик-теоретик получает трудную, но захватывающе интересную задачу — найти место этой асимметрии в гармонии мироздания.

Подобной задачей Сахаров заинтересовался в 60-е годы. Симметрия бабочки, или зеркальная симметрия, причастна к самой значительной его идее в космологии — в физике Вселенной. Однако прежде чем заняться этой абсолютно мирной идеей, предыдущие два десятилетия своей жизни — наиболее плодотворные годы для физика-теоретика — Сахаров отдал созданию самого разрушительного оружия в истории человечества. Почему? Асимметрии, формировавшие его жизнь, относилась не к физике, а к политике.

Андрей Сахаров поступил в университет в 1938 году, накануне мировой войны. Мир тогда представлялся ему крайне асимметричным. Впереди планеты всей шла страна, в которой ему посчастливилось родиться. Шла навстречу светлому будущему, обществу всепланетной социальной справедливости и беспредельных возможностей. Позади оставались страны капитализма и среди них наиболее зловещая гитлеровская Германия, в которой надругались над словом «социализм» приставкой «национал-» и отвергали научные теории из-за их «неарийского» происхождения.

Асимметрию эту отменила мировая война. Заостренная ось Берлин — Токио вонзилась почти одновременно в коммунистическую диктатуру и в крупнейшую капиталистическую демократию, что породило странную симметрию под немыслимым прежде названием «Объединенные нации», когда США и Великобритания стали союзниками СССР в войне против нацистской Германии.

Четыре года спустя, сломав воинственную ось, победившие союзники создали международную организацию — Организацию Объединенных нации — в качестве инструмента поддержания мира. После исчезновения оси, однако, «осевая» симметрия стремительно преобразилась в антисимметрию, и первые ядерные взрывы обозначили это превращение. В Хиросиме и Нагасаки наука зримо вошла в политику. И физики, причастные к этому, быстрее политиков поняли, что новая антисимметрия чревата самоуничтожением человечества. Крупнейшие физики-теоретики 20-го века Эйнштейн и Бор обращались к новорожденному мировому парламенту — ООН, призывая создать мировое правительство, чтобы ядерный век не стал последним веком цивилизации. Увы, тогда это была слишком теоретическая идея.

Теоретик-изобретатель
Слишком теоретической для 20-летнего Андрея Сахарова была и обрисованная глобальная картина мировых симметрий. В зловеще-практических обстоятельствах, когда фашисты подошли к Москве, студент-четверокурсник эвакуировался вместе с университетом в далекий Ашхабад. И после ускоренного окончания университета отправился на военный завод в Ульяновске. Завод делал патроны — для фронта, для победы. А молодой специалист по «оборонному металловедению», стараясь помочь победе, изобрел магнитный прибор для проверки качества пуль. И первая его самостоятельная задача в теоретической физике родилась из размышлений над этим изобретением.

Чтобы из патронного производства возникла физическая задачка сомнительной важности, нужен человек с призванием физика-теоретика. Иначе изобретение вполне конкретного прибора не поведет к странному вопросу: а что если магнитные силы заменить электрическими? Это был не производственный вопрос, это был вопрос к природе, в которой имеется странная симметрия электричества и магнетизма.

За сорок лет до того служащий патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн, размышляя над кажущейся несимметрией движущихся зарядов, создал самую знаменитую физическую теорию — теорию относительности. Начиная размышлять о какой-нибудь несимметрии природы, теоретик не знает, придет ли он к новой теории, просто к новой формуле или не придет ни к чему разумному вовсе. Но движет размышлениями одно и то же стремление к познанию.

Итак, в самом теплом и светлом помещении Ульяновского патронного завода — в парткабинете, рядом с полками политических книг, молодой инженер занимался теоретической физикой и придумал-таки, как решить свою электромагнитную задачу. За этой задачей последовали другие — ненужные для патронного производства, но интересные для начинающего теоретика. Теоретик задавал Природе вопросы, ответы на которые получал с помощью физических рассуждений и математики, умело распоряжаясь симметриями и асимметриями. Только одну из этих задач можно понять без пояснений: «С какой скоростью увеличивается толщина льда, окруженного ледяной водой?»

Андрей Сахаров с дочкой («Квант» №7, 2019)
Андрей Сахаров с дочкой, лето 1948 года (несимметрично нацеленный фотоаппарат)

Решения двух других задач начинающий теоретик отправил отцу в Москву, а тот показал их Игорю Евгеньевичу Тамму, главному теоретику в Физическом институте Академии наук. В результате в начале 1945 года Андрей Сахаров стал аспирантом ФИАНа и целиком отдался теоретической физике. На чистую науку история дала ему всего несколько лет. Атомный взрыв в Хиросиме в августе 1945 года был услышан и в Советском Союзе. Ядерная асимметрия требовала ответа. Так считали не только политики, но и российские физики. Восстановление симметрии, создание советского ядерного оружия для физиков было не столько великодержавной претензией, сколько предотвращением новой войны. Летом 1948 года к разработке супербомбы подключили И. Е. Тамма и его сотрудников. Сахаров, только что защитивший диссертацию по чистой науке, вернулся к физико-техническому изобретательству. Почти на два десятилетия. Он считал это дело необходимым, оно ему нравилось, и оно у него получалось. Через считанные недели у Сахарова родится идея «Слойки» — первой советской термоядерной бомбы. «Это лето памятно мне блеском воды, солнцем, свежей зеленью, скользящими по водохранилищу яхтами ... Несмотря на летнее время, мы все работали очень напряженно. Тот мир, в который мы погрузились, был странно-фантастическим, разительно контрастировавшим с повседневной городской и семейной жизнью за пределами нашей рабочей комнаты, с обычной научной работой».

Изобретательство совместимо с теоретической физикой. Знаменитый теоретик Энрико Ферми об изобретении супербомбы сказал: «Превосходная физика!» Ведь термоядерный взрыв с его астрономическими температурами и давлениями дает теоретику возможность «проникнуть» внутрь звезды.

Все это так. Но спустя сорок лет Сахаров с грустью писал в письме: «Пытаюсь изучать сделанное умными людьми в области квантовой теории поля ... вещь крайне трудная, и я часто отчаиваюсь когда-нибудь выйти на должный уровень — упущено с 1948 года слишком многое, сплошные пробелы, и все последующие годы я только за счет удачи и „нахальства“ мог что-то делать, часто попадая впросак или работая впустую». «Нахальство» по-другому называется смелостью, а удача — награда за смелость и в науке. Но нет оснований не верить Сахарову: термоядерное изобретательство отняло слишком много его сил.

Изобретательный теоретик или практический политик?
Как ни увлекательно видеть в водородной бомбе искусственную звезду, к концу 50-х годов цель была достигнута, научно проблема исчерпалась. Настала очередь изощренной техники. Там тоже есть творческий простор, но не для физика-теоретика. А как быть теоретику, который знает, что изобрел самое могущественное оружие в истории и — по воле истории — стал очень влиятельным ученым в военно-научном комплексе страны? Ответственность за происходящее вокруг — родовое чувство российской интеллигенции — привело физика-теоретика в практическую политику.

Свою политическую биографию Сахаров начал в области своей профессии: его заботили ядерные испытания в атмосфере — вредоносные для человечества и необязательные для поддержания ядерного баланса. Начинающему политику сопутствовал успех — в 1963 году международный договор запретил надземные испытания. Это утвердило Сахарова в важности своей новой роли. Вместе с тем, общение с высшими руководителями государства давало ему опытные знания о советском правительстве, недоступные другим. Сама проблема стратегического равновесия связана с общим потенциалом государства и общества.

В середине 60-х годов развитие ядерно-ракетного оружия подвело к необычайно опасному повороту в гонке вооружения, хотя речь шла об обороне. Противоракетная оборона оказалась опаснее для мира, чем средства нападения. Этот неочевидный, но вполне вероятный вывод Сахаров, как один из высших военно-технических экспертов, попытался объяснить правительству 21 июля 1967 года. Он направил — секретной почтой — соответствующее разъяснение. Однако советские руководители отвергли, а точнее проигнорировали, это предостережение.

Полученные «экспериментальные» факты о советском режиме и о состоянии ядерно-ракетного противостояния требовали теоретического осмысления, результатом чего и стали Сахаровские «Размышления о прогрессе, мирном сосуществовании и интеллектуальной свободе». В мае 1968 года он выпустил свою статью в Самиздат, в июле перевод статьи опубликовали на Западе. Сахаров не проповедовал мораль несимметричному человечеству, а предложил конкретный путь к симметризации — он был не морализатор, а теоретик-изобретатель. Корневая проблема выросла из его профессиональной области: как человечеству выжить в условиях ядерного равновесия, когда это равновесие — «по вине» научно-технического прогресса — становится неустойчивым. Технические эксперты обычно предлагают технические решения — как увеличить надежность своих страшных «изделий». Этим занимался и Сахаров вместе со своими коллегами, пока не осознал тупиковость узкотехнических решений — слишком тесно главная проблема связана с жизнью человечества.

Андрей Сахаров и Игорь Курчатов («Квант» №7, 2019)
Дважды Герой Социалистического Труда академик Андрей Сахаров и трижды Герой Социалистического Труда академик Игорь Курчатов, 1958 год

И он вышел за предписанные рамки. Решение проблемы он увидел в том, что судьба человечества зависит от соблюдения прав отдельной личности. Всеобщие права человека означают открытый мир, в котором только и возможно взаимное узнавание, взаимопонимание, доверие и мирное сосуществование. В мире, разделенном глухими перегородками, само собой возникает взаимное недоверие и страх. Кратко Сахаровскую гуманитарную идею 1968 года можно описать так: справиться с губительной асимметрией большого целого можно, обеспечивая симметрию для его наименьших составляющих. Путь к этой идее, быть может, дался Сахарову легче оттого, что он уже думал о зависимости такого рода, хотя и в совсем другой сфере. Примерно за год до его размышлений о политических асимметриях родилась одна из самых ярких его идей в теоретической физике.

Симметрия и антисимметрия
Если в политике Сахаров размышлял о том, как обеспечить человечеству более симметричную жизнь, то в физике — наоборот — он пытался понять, почему столь несимметрична Вселенная, управляемая симметричными законами. В обоих случаях он связывал явления самых малых и самых больших масштабов. В социальной жизни — глобальный мир и свободу отдельной личности, а в физике — свойства Вселенной и поведение микрочастиц.

В 20-м веке физики открыли, что элементарные частицы бывают абсолютно тождественными и потому взаимозаменимыми, но бывают и абсолютно противоположными. Настолько противоположными, что при встрече взаимно уничтожаются, только вспышкой сообщая о своей совместной гибели. Такие противоположные частицы назвали античастицами. Первую античастицу теоретически предсказали и экспериментально открыли еще в начале 30-х годов. Это была антикопия электрона — антиэлектрон, за которым закрепилось название «позитрон». Потом экспериментаторы нашли антикопии и других элементарных частиц.

Асимметрия Вселенной, над которой Сахаров задумался в середине 60-х годов, состояла в том, что античастиц во Вселенной очень уж мало — по сравнению с частицами. И слава Богу за такую асимметрию — иначе каждый второй метеорит состоял бы из антивещества. А такой антиметеорит, даже если бы в нем был всего один грамм, соприкоснувшись с веществом Земли, произвел бы взрыв мощности атомной бомбы. Но эту волю Божью физики не понимали — самоочевидным казалось, что всякая частица и ее античастица созданы равными в своих правах. А значит, казалось бы, вещество и антивещество должны быть равно представлены во Вселенной. Астрофизики стали искать признаки антивещества в космосе. Писатели-фантасты устраивали драматические встречи земного космического корабля с неземным и — вполне возможно! — состоящим из антивещества.

Рис. 4 («Квант» №7, 2019)
Рис. 4

Сахаров, однако, со всей серьезностью отнесся к наблюдаемой асимметрии и приписал ее Вселенной в целом, а не просто космическому окружению Земли. Тогда надлежало понять, как симметрия микрочастиц может совмещаться с асимметрией Вселенной. К тому времени, впрочем, симметрия микромира стала уже не столь простой, как правое и левое крылья бабочки, зеркально симметричные (рис. 4). В 1956 году произошло знаменательное событие — экспериментаторы обнаружили, что в мире элементарных частиц нет паритета (Parity) правого и левого, или P-симметрии. Это знамение теоретики поняли как указание на то, что бабочка микромира выглядит, скорее, так, как на рисунке 5. Иными словами, бабочка не изменится, если одновременно с перестановкой правого и левого поменять местами черный и белый цвета — частицы поменять местами с античастицами и, соответственно, каждый заряд (Charge) заменить на противоположный ему. Это CP-симметрия. Но и она оказалась не последним словом науки. В 1964 году экспериментаторы обнаружили первое не CP-симметричное явление.

Рис. 5 («Квант» №7, 2019)
Рис. 5

Что на это могли сказать теоретики? Например, то, что и в обыденной жизни нередко путают правое и левое и превращают белое в черное. Физики-теоретики умеют гораздо более хитрое — изменять направление времени на противоположное. Показывая фильм в обратном направлении, можно зубную пасту, выдавленную из тюбика, вернуть на экране вспять. В реальной жизни никто такого не видел, и физики называют такой процесс асимметричным во времени, или Т-асимметричным. Что касается элементарных частиц, то физики долгое время считали, что в микромире все явления T-симметричны, как в бильярде: сняв на видео соударение шаров и пустив пленку в обратном направлении, ничего странного на экране не заметишь. После крушения P-симметрии физики стали всматриваться в другие симметрии. Им не нужна была кнопка обратной перемотки, чтобы задать вопрос о Т-симметрии в микромире, им хватало ручки и бумаги. В результате они установили самый общий закон симметрии микромира — CPT-закон. Чтобы превратить одно крыло CPT-бабочки в другое, надо поменять местами правое и левое, частицу и ее античастицу (черное и белое), прошлое и будущее (перевернуть время T) (рис. 6).

Рис. 6 («Квант» №7, 2019)
Рис. 6

И Сахаров придумал, как такой тройной симметрией микромира объяснить асимметрию Вселенной. Астрономы давно уже обнаружили, что Вселенная несимметрична во времени. Она расширяется — составляющие ее галактики удаляются друг от друга. Сегодня Вселенная шире, чем вчера. А поза-поза-поза... вчера? Запустим космологический фильм вспять. Расширение Вселенной теперь выглядит сжатием, галактики приближаются друг к другу, сливаются. При этом сближаются и сами элементарные частицы. Вселенная начинает чувствовать законы микромира.

Именно в ту эпоху, называемую Большим взрывом, асимметрия Вселенной — по идее Сахарова — складывалась в процессах, бурлящих тогда в каждой микроточке космического пространства, T-асимметрия позволила породить наблюдаемую сейчас С-асимметрию — разное содержание частиц и античастиц. Помимо того крылышка вселенской бабочки, которое видно астрономам, физик-теоретик Сахаров увидел мысленно и другое крылышко, раскрывшееся до Большого взрыва (рис. 7). Сама эта бабочка CPT-симметрична, но увидеть ее целиком не дает краткость человеческой жизни по сравнению с возрастом Вселенной.

Рис. 7 («Квант» №7, 2019)
Рис. 7

***

Удивительно, как много может человек успеть за свою короткую жизнь: научиться писать правой и левой рукой одновременно, разглядеть симметрию асимметричного мира природы и сделать симметричнее мир человека. Примерно так я завершил рассказ об Андрее Сахарове для американских семиклассников. И не был уверен, что они поняли мой рассказ. Поэтому обрадовался, получив из школы пачку благодарственных писем. Одно из них доставило мне особое удовольствие. Автор по-американски сдержанно, но энергично поблагодарил меня за рассказ и выразил надежду, что моя будущая книга о Сахарове станет бестселлером. И подписался:

Подпись Вилли Мосса («Квант» №7, 2019)
Не сразу я заметил, что он подписался иначе, чем Сахаров, хотя и зеркально-симметрично. Право-лево-рукий Сахаров писал двумя руками от центра к краям <= =>, а праворукий Вилли, имитируя двурукость, написал => <=. Замечательно, что и симметрии и люди бывают такими разными. И что многие загадки Вселенной ждут еще своих разгадок. Для тех, кто хочет ими заняться, Андрей Сахаров оставил совет:

Cовет о загадках Вселенной, который оставил А. Д. Сахаров («Квант» №7, 2019)
1 Знаменитая теорема Нётер (доказанная Эмми Нётер в 1918 году) связывает различные симметрии физических систем с законами сохранения. В частности, изотропность пространства (равноправие всех направлений) связана с законом сохранения момента импульса. (Прим. ред.)