В комментариях к этим работам в Собрании научных трудов Сахарова[35] Л.Б. Окунь, подробно анализирует эти работы с точки зрения современных представлений о структуре барионов. В работе Сахарова и Зельдовича 1966 года предполагается, что протон и другие барионы состоят из четырёх кварков и одного антикварка, тогда как, как пишет Л.Б. Окунь, "в настоящее время не вызывает сомнения трёхкварковая структура основных барионов". Но несмотря на это, продолжает Л.Б. Окунь, "поиски барионов с более сложной структурой представляют большой интерес".
Основное содержание работы 1966 года и написанных в её развитие статьи 1975 года и первой из двух статей 1980 года состоит в предложенной линейной полуэмпирической формуле для масс мезонов и барионов. Андрей Дмитриевич считал эту формулу одним из шести своих основных научных достижений, наряду с барионной асимметрией Вселенной и управляемым термоядерным синтезом. Во второй статье 1980 года "Оценка постоянной взаимодействия…" Сахаров впервые обращается к цветовой группе и к глюонам — основным понятиям квантовой хромодинамики. Предложенная Сахаровым простая формула для масс мезонов и барионов во многом не согласуется с новейшими данными о массах этих частиц, но, как справедливо отмечает Л.Б. Окунь: "Удивляться надо не тому, что наивная кварковая модель даёт сбои, а тому, что она вообще работает, настолько она наивна и проста".
Сахаров любил простые и ясные модели, любил рассматривать всевозможные топологические фигуры (сферы с "ручками", закрученными в узлы, и т.п.) различной симметрии, в качестве возможных моделей элементарных частиц, как, например, в статье 1972 года "Топологическая структура элементарных зарядов и CPT-симметрия",[36] которая начинается словами:
"Гипотеза о топологической структуре элементарных зарядов впервые была высказана Уилером. Уилер рассмотрел вакуумное электрическое поле для геометрического объекта, имеющего топологическую структуру "ручки"…".
В одном из полученных мной от Сахарова писем из Горького были такие, очень красивые, цветные нарисованные им картинки. "Развлекался" он этими размышлениями и после возвращения из ссылки. Но надо сказать, что в науке эта "игра ума" пока что применения не нашла, чего нельзя сказать о работах по кварковой структуре и массам мезонов и барионов. Цитирую Л.Б. Окуня из Собрания научных трудов Сахарова 1996 года:
"Дальнейшее развитие идей исходной работы Я.Б. Зельдовича и А.Д. Сахарова содержится в работах Гарри Липкина[37]и в, в частности, в его недавней статье (H. Lipkin, Phys. Lett. B233, 446, 1989)… Статья содержит список более ранних работ Г. Липкина и его коллег по Институту им. Вейцмана, посвящённых нерелятивистской кварковой модели…
Кварковые статьи сыграли, по видимому, важную психологическую роль в жизни Андрея Дмитриевича. Актуальность темы позволяла поддерживать творческую связь с быстро развивающейся физикой элементарных частиц. Простота модели давала возможность заниматься ею даже урывками, когда основные силы и время уходили на беспримерную по мужеству изнурительную каждодневную политическую борьбу…
Появление на Западе двух кварковых статей во время горьковской ссылки получило широчайший общественный резонанс. Факсимиле открытки, написанной Андреем Дмитриевичем из ссылки Гарри Липкину по поводу массовых формул, было напечатано в "Вашингтон пост" и перепечатано во многих зарубежных изданиях. Эта открытка свидетельствовала о том, что не сломлен не только дух Андрея Дмитриевича, ни и его научный интеллект.
В заключение я хотел бы сказать, что эта моя статья никогда не была бы написана, если бы не настойчивость Б.Л. Альтшулера и Д.А. Киржница. Когда в январе 1991 г. я обнаружил, что имеются данные, противоречащие предсказаниям Сахарова, они убедили меня "не сглаживать углы", поскольку для Андрея Дмитриевича истина стояла на первом месте. А кроме того, противоречие, если оно чётко сформулировано, может инициировать дальнейшие исследования. Но, конечно, с несравненно большим удовольствием я бы написал комментарий к статье про барионную асимметрию Вселенной, которую считаю одной из самых глубоких и смелых статей XX века".[38]
Объяснение барионной асимметрии Вселенной
Эта, ставшая классической, работа 1967 года занимает всего 3 страницы журнального текста.[39] Суть проблемы в том, что, как считалось долгое время, теория элементарных частиц зарядово (CP) симметрична, частицы и античастицы, отличающиеся знаком заряда, во всех иных отношениях абсолютно тождественны. И поэтому возникает вопрос, почему во Вселенной наблюдаются галактики и звёзды, состоящие из барионов (протонов, нейтронов…), а антигалактик и антизвёзд, состоящих из антибарионов (антипротонов, антинейтронов) не наблюдается?
Если принять "горячую" теорию происхождения Веселенной, что, как говорилось, было доказано открытием в 1965 году "самого любимого" (А.Д. Сахаров) реликтового излучения, то в первые мгновения после "Большого взрыва" в условиях сверхвысокой температуры рождающиеся парами барионы и антибарионы были представлены в равных количествах. При понижении температуры, обусловленном расширением Вселенной, частицы и античастицы неизбежно аннигилируют, превращаясь в электромагнитное излучение. Именно это, первоначально очень горячее, а на сегодня охладившееся до примерно 3 градусов по Кельвину, реликтовое излучение заполняет равномерно всю Вселенную. Зная её объём, нетрудно подсчитать число фотонов в этом излучении — 1087, а значит, столько было пар частица-античастица в первые мгновения, непосредственно перед аннигиляцией. В то же время число барионов в звёздах и галактиках составляет одну миллиардную часть указанного числа первичных пар. Откуда же возник этот "мусор", это ничтожное превышение материи над антиматерией вместо полной их аннигиляции, благодаря чему, среди прочего, появилась возможность возникновения жизни и наших с вами размышлений о тайнах мироздания?
В своей работе Сахаров сформулировал три условия, необходимых для возникновения при аннигиляции первоначально барионно-антибарионно симметричного горячего "бульона" указанного ничтожного "барионного осадка".
1) Объяснение стало возможным после открытия С. Окубо эффекта нарушения комбинированной чётности (CP-чётности) в процессах рассеяния элементарных частиц. (Численные значения характеристик рассеяния некоторых частиц на 0,6% отличаются от характеристик пространственно (P) отражённого рассеяния их античастиц). На экземпляре своей работы, подаренном в 1967 году Е.Л. Фейнбергу, Сахаров написал стих собственного сочинения: "Из эффекта С. Окубо / при большой температуре / для Вселенной сшита шуба / по её косой фигуре".
2) Остаточная барионная асимметрия при аннигиляции возможна только при нарушении симметрии при обращении времени, т.е. в динамических условиях сильной нестационарности, что имеет место по причине стремительного расширения Вселенной после "Большого взрыва".
3) Для возникновения барионной асимметрии Вселенной необходимо предположить, что фундаментальная частица — протон нестабилен, имеет определённое время полураспада. Эта смелая гипотеза Сахарова, воспринятая коллегами как чистое безумие, как уже говорилось, естественно вошла в теоретическую физику в 1979 году в рамках Теории великого объединения. И тогда создатели этой теории вспомнили, что ведь Сахаров говорил об этом ещё 12 лет назад! Такое признание стало важным спасительным фактором в начале 1980 года, первые месяцы после ссылки, когда газеты клеймили Сахарова и писали, что он "выродился как учёный".[40] Распад протона предсказывается и в теориях суперсимметрии.
Но если, следуя Сахарову и указанным теориям, признать, что протон — этот основной "кирпичик мироздания" нестабилен, то почему же "мироздание" не распалось вместе с ним? Ответ прост, но и совершенно нетривиален. По оценкам, проведённым Сахаровым в работе 1967 года, для возникновения на начальной стадии существования Вселенной её наблюдаемой барионной асимметрии достаточно предположить, что протон нестабилен со временем жизни примерно 1050 лет (в десять тысяч миллиард-миллиард-миллиард-миллиардов раз больше возраста Вселенной, порядок которого 10 миллиардов лет). В первоначальных моделях Теории великого объединения рассчитанный возраст протона был меньше и составлял "только" 1030 лет. Ясно, что в любом варианте для нас такой протон практически вечен.
Удивительно, что эти немыслимо большие времена жизни протона допускают экспериментальную проверку. Идея опытов опять же проста. В одном кубометре воды содержится примерно 1030 протонов, значит, если протон живёт в среднем именно такое число лет, то в течение года хотя бы один протон кубометра воды должен распасться. Если камеру с водой поместить глубоко под землёй (дабы исключить помехи вызванные проникновением космических лучей) и окружить её датчиками, реагирующими на факт распада протона, то можно таким образом зафиксировать даже единичное событие, например, распад хотя бы одного протона в течение года или 10 лет. В США такую установку (7000 тонн воды, окружённой 2000 фотоумножителей) разместили на месте бывших соляных копей под озером Эри в штате Огайо. Параллельно в Японии в подземной лаборатории Камиока был создан детектор, где 3000 тонн воды просматривались 1000 фотоумножителями. Однако к концу 80-х годов ни одного случая распада протона зафиксировано не было. В 1995 году японская группа построила новый детектор, увеличив массу воды до 50 000 тонн. Наблюдения продолжаются по сей день, но результат поисков распада протона по-прежнему отрицателен. Эти эксперименты с отрицате