Симметрии в несимметричной вселенной Андрея Сахарова

Биографы седьмого класса

Почему я занялся биографией Андрея Дмитриевича Сахарова? Почему Российская Академия наук не поддержала это мое намерение? И почему поддержал заокеанский Институт истории науки и техники?

Не очень я понимаю все “почему”, из-за которых в 1993 году оказался в небольшом американском городе Бруклайне, что входит в Большой Бостон. Зато совершенно ясно, почему, спустя три года, я попал в кабинет директора Бруклайнской школы. Дело в том, что помимо влечения к истории науки судьба наградила меня еще и сыном, который настолько освоился в школе, что на перемене подрался с одноклассником.

Разбирательство директор школы проводил на моих глазах. И очень мне понравилось, как он это делал, — с конституционной твердостью и с уважением к достоинству 13-летней личности. Поэтому когда, после разбирательства, директор спросил меня, не могу ли я рассказать семиклассникам о своих биографических исследованиях, я почти сразу согласился.

Эта идея, думаю, неслучайно посетила директора школы, откуда-то узнавшего, что родитель его семиклассника пишет книгу о знаменитом гуманитарном физике. Биографией в этой школе занимались всерьез. Каждому семикласснику предоставили выбрать — по своему вкусу — личность, чем-нибудь замечательную, — хоть Архимеда, хоть Мэрэлин Монро. Надо было собрать в библиотеке сведения, написать биографию, подобрать иллюстрации, и, наконец, на итоговом смотре в школьном зале перевоплотиться в избранную замечательную личность. Вместе с другими родителями я побывал на этом перевоплощении. Побеседовал там с Эйнштейном, Пикассо, с каким-то знаменитым (хоть и неизвестным мне) футболистом. А другие родители беседовали с моим сыном, перевоплотившимся в Леонардо да Винчи, и он им объяснял свою Джоконду и свои научные изобретения.

Получив нежданное домашнее задание, я начал думать, как рассказать американскому семикласснику о физике, который изобретал водородную бомбу, разгадывал загадки Вселенной, защищал свободу мысли и отстаивал права человека. И все это в стране, которую аршином общим не измерить.

Через несколько недель, в том же самом школьном зале, те же самые семиклассники уютно расселись прямо на полу и устремили свои пытливые глаза на пришельца. Накануне каждый из них получил по листочку, в котором его спросили, знает ли он:

что во время второй мировой войны советские и американские солдаты воевали с общим врагом — фашизмом;

но что спустя полтора десятилетия советские термоядерные ракеты были нацелены на американские города, а американские ракеты — на Россию;

что советское термоядерное оружие придумал молодой физик Андрей Сахаров, и за это был щедро награжден советским правительством;

что осознав зловредное воздействие атмосферных ядерных испытаний на здоровье человечества, он способствовал запрету таких испытаний;

а поняв, что несвобода вредоносна для судеб человечества, начал отстаивать права человека как основу надежного мира между народами;

что его усилия Нобелевский комитет наградил премией мира, а советское правительство — высылкой в полузакрытый город Горький;

что физика Сахарова больше всего интересовало, как устроена Вселенная;

и — семиклассникам на десерт — что Андрей Сахаров начал учиться в школе именно с седьмого класса, а до того учился дома.

Из рукописного наследия Андрея Сахарова

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, и чтобы помочь 13-летним американцам понять русского физика-гуманиста, я захватил с собой две его маленькие рукописи. Я надеялся, что они помогут связать невероятные повороты Сахаровской биографии, как связаны симметрия и асимметрия.

Первой я показал рукопись, написанную частично на интернациональном языке арифметики

Как только картинка появилась на экране, темнокожая отличница из первого ряда деликатно подсказала мне, что прозрачку я положил не той стороной.

Тогда я предъявил второй автограф, уже без арифметики:

и объяснил, что Сахаров умел писать не только одной рукой в зеркальном изображении, но и обеими руками одновременно в разные стороны. А Лидия Корнеевна Чуковская, которой он демонстрировал свое умение и которая сберегла эти автографы, видно, так не умела. Если бы она была право-леворукой как Сахаров и если бы они оба писали по-английски, я бы мог показать моим слушателям более понятную бабочку:

Труднее было объяснить по-английски, как защита униженных и оскорбленных связала этих людей с разными жизненными призваниями: у одного — физика, у другой — лирика. А что они не замыкались в своих мирах, ясно из приведенных картинок.

Эти же картинки помогли мне рассказать семиклассникам о симметриях и несимметриях того мира, в котором Андрею Сахарову довелось жить.

Вот этот рассказ вкратце.

Правое и левое

В первые американские месяцы меня поразило обилие людей, пишущих левой рукой. За сорок пять лет предыдущей — российской — жизни ничего подобного я не видел. Разумеется, я знал, что такие люди есть, и конечно же читал лесковского “Левшу”, но почему-то в повседневной жизни их не встречал, и даже как-то связывал печальную судьбу Левши с его врожденной особенностью.

Врожденной или нет, пусть скажут биологи, но куда это леворукое меньшинство девается в России?! Неужели и это меньшинство подавленно большинством? Не обязательно в исправительно-трудовом лагере, — достаточно средней исправительной школы.

Сахарову повезло, что он относился к еще более редкому меньшинству обоюдоруких и потому был не столь уязвим для подавляющего большинства праворуких. Но что, если бы его родители не обеспечили ему домашнее образование до 7-го класса, а сразу отдали бы его на перевоспитание в советскую школу? А там — по Маяковскому — скомандовали бы: “Кто там пишет левой?! Правой! Правой! Правой!”

По мнению самого Андрея Сахарова, долгое домашнее обучение усилило его “неконтактность, от которой [он] страдал потом и в школе, и в университете, да и вообще почти всю жизнь”. Кто знает, ранние тесные контакты с советской жизнью могли и подорвать чувство собственного достоинства этого мягкого человека с твердыми моральными устоями, могли подорвать его способность быть в меньшинстве.

А ведь в науке новое слово всегда говорит самое маленькое меньшинство — один человек.

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 сохраняет направление своей оси просто потому, что все поперечные направления в пространстве равноправны, — все направления симметричны относительно этой оси.

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, воплощенная в приведенном автографе Сахарова, 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 анти-национального происхождения.

Асимметрию эту отменила мировая война. Началась она с договора-сговора между фашисткой Германией и советской Россией, проявившего глубинную симметрию двух режимов. Однако спустя два года заостренная ось Берлин-Токио вонзилась почти одновременно в коммунистическую диктатуру и в крупнейшую демократию, что породило странную симметрию под немыслимым прежде названием “Объединенные нации”.

Сломав воинственную Ось, Объединенные нации создали международную организацию в качестве инструмента поддержания мира. Но осевая симметрия, лишенная своей оси, стремительно преобразилась в антисимметрию, и первые ядерные взрывы обозначили это превращение.

В Хиросиме и Нагасаки наука зримо воплотилась в политику. И физики, причастные к этому воплощению, быстрее политиков поняли, что новая антисимметрия чревата самоуничтожением человечества. Крупнейшие физики-теоретики 20 века — Эйнштейн и Бор — обращались к новорожденному мировому парламенту — ООН, призывая создать Мировое правительство, чтобы ядерный век не стал последним веком мировой 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 обстоятельства, 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.

Андрей Сахаров, 1943

Чтобы из патронного производства возникла физическая задачка сомнительной важности, требуется человек с призванием физика-теоретика. Иначе изобретение вполне конкретного прибора не поведет к абстрактному 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, 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 психологический мотив один и тот же.

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 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? (Не холод ли военных лет подсказал эту задачу?)

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-го Андрей Сахаров стал аспирантом ФИАНа и целиком отдался теоретической физике.

На чистую науку история дала ему всего несколько лет. Атомной взрыв в Хиросиме в августе 1945-го был адресован и Советскому Союзу. Ядерная асимметрия требовала ответа. Так считали не только сталинские 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 супер-бомбы 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.

Андрей Сахаров с дочкой, лето 1948. Через считанные недели у него 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. Изобретательством занимался и Альберт Эйнштейн. А другой знаменитый теоретик Энрико Ферми об изобретении супер-бомбы сказал: “Превосходная физика!” Ведь термоядерный взрыв с его астрономическими температурами и давлениями дает теоретику возможность “попасть” 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 наиболее 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 эмпирические знания о советском правительстве, недоступные другим. Сама проблема стратегического равновесия связана с общим потенциалом государства и общества.

Дважды Герой Социалистического труда академик Андрей Сахаров и трижды Герой Социалистического труда академик Игорь Курчатов, 1958 год.

«Эту фотографию я увидела впервые вскоре после нашего знакомства (А.Д. показал мне), — сверх-уверенный в себе молодой человек. Так я ему и сказала: "Не нравитесь Вы мне на этой фотографии." Он промолчал, но при следующей встрече вернулся к этому: "Вам не понравилось, какой я на фотографии с Курчатовым… Это все в прошлом. Все эти валентности давно заполнены." Я ему: "Это Вы подлизываетесь, что ли?" И он в тон ответил: "Немножко"» [Из рассказа Е.Г. Боннэр, 31.1.1997]

В середине 60-х годов развитие ядерно-ракетного оружия подвело к необычайно опасному повороту в гонке вооружения, хотя речь и 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 в 1967 году. Он направил — секретной почтой — соответствующее разъяснение. Однако советские руководители даже не то, что отвергли, а просто проигнорировали это предложение.

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 читал абстрактную 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 узко-технических решений, — слишком глубоко главная проблема связана с жизнью человечества.

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 подлинное мирное сосуществование. В мире, разделенном глухими перегородками, само собой возникает взаимное недоверие и страх. В открытом мире доверие между странами строится на многообразных человеческих контактах.

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 он 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.

Основатели Соединенных Штатов считали самоочевидной истиной, что все люди созданы равноправными и вместе с тем каждый незаменим.

В 20 веке физики пришли к совсем другой истине, что элементарные частицы бывают абсолютно тождественными и, поэтому, 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 анти-копия электрона — антиэлектрон, за которым закрепилось название “позитрон”. Потом экспериментаторы нашли анти-копии 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 анти-метеорит, 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 анти-вещество должны были бы представлены во Вселенной равноправно.

Астрофизики стали искать признаки антивещества в космосе. Писатели-фантасты устраивали драматические встречи земного космического корабля с неземным и — вполне возможно! — состоящим из антивещества. А шутники предложили свой способ узнать, не из антимира ли прилетел корабль, — если среди ученых на борту корабля преобладают антисемиты.

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 микро-частиц может совмещаться с асимметрией Вселенной.

К тому времени, впрочем, симметрия микромира стала уже не столь простой как правое и левое крылья бабочки, зеркально симметричные.

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:

т.е. 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.

Что на это могли сказать теоретики? Например, что и в обыденной жизни нередко путают правое и левое и превращают белое в черное. Физики-теоретики умеют гораздо более хитрую штуку — изменять направление времени на противоположное. При обратной перемотке пленки на видеомагнитофоне, можно зубную пасту, выдавленную из тюбика, обратить вспять, — на экране. В реальной жизни никто такого не видел, и физики называют такой процесс асимметричным во времени, или T-асимметричным.

Что касается элементарных частиц, 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).

И Сахаров придумал, как такой тройной симметрией микро-мира объяснить асимметрию Вселенной.

Астрономы давно уже обнаружили, что Вселенная несимметрична во времени. Она расширяется, — составляющие ее галактики удаляются друг от друга. Сегодня Вселенная чуть-чуть не такая как вчера.

А поза-поза-поза…вчера? Включим обратную перемотку космологического “видика”. Расширение Вселенной теперь выглядит сжатием, галактики приближаются друг к другу, сливаются. При этом сближаются и сами элементарные частицы. Вселенная непосредственно чувствует законы микромира.

Именно в ту эпоху, называемую Большим Взрывом, асимметрия Вселенной — по идее Сахарова — складывалась в процессах, бурлящих тогда в каждой микро-точке 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. Сама эта бабочка CPT-симметрична, но увидеть ее целиком не дает краткость человеческой жизни по сравнению с возрастом Вселенной.

Что 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. На этих страницах, пожалуй, я сказал больше, чем уместилось в моем выступлении пять лет назад в Бруклайнской школе. Но ведь и тогдашние семиклассники стали намного старше, пока я писал книгу “Андрей Сахаров: наука и свобода”.

Тогда я не был уверен, что они уловили что-то в моем рассказе. Поэтому очень обрадовался, получив из школы пачку благодарственных писем. Одно из них доставило мне особенное удовольствие. Автор по-американски сдержанно, но энергично поблагодарил меня за рассказ и выразил надежду, что моя книга станет бестселлером. И подписался. Искренне.

Не сразу я заметил, что Вилли 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 => <=.

Хорошо все-таки, что и симметрии и люди бывают такие разные.

_{Чайка (США), 2001, №2}