Теория гравитационной неустойчивости показывает, как возрастают начальные малые неоднородности плотности. Однако, для того, чтобы найти эти неоднородности, нужны дополнительные физические соображения или гипотезы. Это одна из главных проблем большой космологии. В своей работе, опубликованной в 1965 году, я как раз пытался исследовать этот вопрос.
Процитирую комментарии к этой работе в Собрании научных трудов Сахарова:[43]
"Данная работа весьма характерна для научного стиля А.Д. Сахарова. Как и последующие его работы, она значительно (по времени) опередила развитие науки в данной области. Фактически в ней были заложены основы нового направления в космологии — теории происхождения начального спектра возмущений для образования галактик и их скоплений" (В.Ф. Муханов).
"Эта работа А.Д. Сахарова замечательна тем, что в ней впервые высказано предположение о происхождении доголактических неоднородностей из квантовых флуктуаций… В настоящее время большинство космологов убеждено в том, что догалактические неоднородности произошли именно из квантовых нулевых колебаний, но не холодного барионного вещества а, например, скалярных полей, являющихся существенным компонентом современных моделей Теории великого объединения… Эти поля обусловливают стадию раздувания (инфляции)" (Г.В. Чибисов).
Данная работа была выполнена до открытия в 1965 году реликтового излучения, однозначно доказавшего, что Вселенная в начальный момент была очень горячей. Много позже, находясь в ссылке, Сахаров пишет об этой своей статье:
"Я исходил тогда, вслед за Зельдовичем и многими другими авторами того времени, из так называемой "Холодной модели Вселенной", согласно которой начальная температура сверхплотного вещества предполагалась равной нулю… Использование "Холодной" модели в значительной мере обесценило мою первую космологическую работу".[44]
Однако ситуация изменилась кардинально с открытием в 1992 году с помощью спутниковых радиотелескопов анизотропии реликтового излучения (анизотропия — это разница температуры реликтового излучения, измеряемой в различных направлениях на небе). Разница "реликтовых температур" различных точек небосвода ничтожно мала — в пределах 0,01% от средней температуры реликтового излучения 2,725 K. Но это была революция, поскольку флуктуации реликтового излучения стали мощным инструментом изучения начальных этапов эволюции Вселенной. Дело в том, что ничтожные в наше время вариации температуры реликтового излучения являются "отпечатками" первичных флуктуаций плотности вещества и космологических гравитационных волн.
А чудо состоит в том, что обнаруженные астрофизиками в 2001 году т.н. "барионные акустические осцилляции" реликтового излучения сходны с теми колебаниями вещества, которые теоретически описал Сахаров в своей работе 1965 года (см., напр., раздел 7.1.2 в книге: В.А. Рубаков, Д.С. Горбунов "Введение в теорию ранней Вселенной. Космологические возмущения. Инфляционная теория", 2010). Эти неоднородности реликтового фона справедливо были названы "сахаровские осцилляции". Достаточно набрать в поисковой системе это словосочетание (или по-английски "Sakharov oscillations"), чтобы убедиться как активно использует идеи Андрея Дмитриевича Сахарова современная наука.
Теория индуцированной гравитации и идея нулевого Лагранжиана
"Вакуумные квантовые флуктуации в искривлённом пространстве и теория гравитации"[45] — ещё одна работа Сахарова "саровского" периода середины 1960-х годов, ставшая классической.
На полутора страницах журнального текста излагается принципиально новый подход к классической динамике общей теории относительности (ОТО) — возникновение классического действия Эйнштейна (пропорционального скалярной кривизне пространства-времени) по причине поляризации вакуума квантованного скалярного поля, распространяющегося в произвольном искривлённом пространстве. Таким образом, в этом подходе исходное классическое действие ОТО приравнивается нулю — идея нулевого Лагранжиана (действие есть интеграл по пространству-времени от лагранжевой плотности — Лагранжиана), а классическая динамика ОТО есть проявление, по выражению Сахарова, "квантовой упругости вакуума". Как пишет Сахаров в этой своей работе 1967 года, предложенный им подход к теории гравитации аналогичен рассматривавшейся ранее Е.С. Фрадкиным, Л.Д. Ландау и И.Я. Померанчуком, Я.Б. Зельдовичем возможности пренебречь "затравочным" классическим действием Максвелла свободного электромагнитного поля и получить это действие за счёт эффекта поляризации вакуума заряженных квантовых полей.
Эта работа Сахарова вызвала большой энтузиазм у специалистов по теории гравитации. Её содержание практически полностью пересказывается в знаменитом учебном пособии — "Гравитации" Мизнера-Торна-Уилера.[46] Нетрадиционная парадигма "классическая физика вторична, квантовая теория первична" получила дальнейшее мощное развитие в теории струн, где эффективное классическое действие фоновых полей (гравитационного, электромагнитного и т.п.) возникает как эффект квантования струны, распространяющейся в этих фоновых полях.
Подробнее об этом направлении научной деятельности Сахарова см. в комментариях С.А. Адлера, Д.А. Киржница и Х. Теразавы в Собрании научных трудов.[47] В своих комментариях Давид Абрамович Киржниц показывает, что рассмотренное Сахаровым явление квантово индуцированной гравитации аналогично силам Казимира в физике конденсированных сред, и завершает:
"…Идея Андрея Дмитриевича об индуцированной гравитации (быть может, самая глубокая из его идей) должна рассматриваться как дальнейший, по отношению к ОТО, шаг в постижении природы тяготения".
Высокомерное пространство-время, включая возможность различного числа осей времени. Работа "Космологические переходы с изменением сигнатуры метрики"[48]
Эта работа была написана в ссылке в 1983 году, в начале 1984 г. Сахаров передал её коллегам из Отдела теоретической физики ФИАНа. После ряда правок она в апреле была представлена в ЖЭТФ и опубликована в августе — когда Андрей Дмитриевич уже четвёртый месяц держал мучительную бессрочную голодовку с требованием разрешить его жене поездку в США для проведения жизненно необходимой операции на сердце. Да, он поступал как настоящий мужчина, и Елену Георгиевну своим поистине сахаровским упорством, своими двумя долгосрочными голодовками (вторая — с апреля по сентябрь 1985 года) он действительно спас. Спас он этой победой и себя, и всех нас, поскольку проявлять "слабину" (ср. приведённую выше цитату из "Ответа Сиднею Дреллу"), поднимать руки вверх и сдаваться нечистой силе с пальцем на ядерной кнопке было бы равносильно самоубийству. И Сахаров очень хорошо это понимал.
В то время я подрабатывал в ЖЭТФ, и в июне (1984 г.) мне дали на корректуру предназначенную для печати статью Сахарова "Космологические переходы…". Я сделал несколько замечаний и вопросов, главный редактор ЖЭТФ Евгений Михайлович Лифшиц послал вёрстку с моими пометками в Горький, и вскоре оттуда она вернулась с теми исправлениями, которые Андрей Дмитриевич посчитал необходимыми. Делал он их в больнице, где подвергался принудительному кормлению и где к нему применяли психотропные средства. Помню ужас, который я испытал при виде внесённой Сахаровым от руки правки: буквы прыгают с огромной амплитудой, рука дрожит, страшный тремор, прошедший только через месяц после выхода из больницы и прекращения "лечения".[49]
45
ДАН СССР 177, 70—71 (1967); другие работы А.Д. Сахарова, развивающие эту тему: "Вакуумные квантовые флуктуации в искривлённом пространстве и теория гравитации" / Препринт Института прикладной математики АН СССР, Москва, 1967; "Спектральная плотность собственных значений волнового уравнения и поляризация вакуума" / ТМФ 23, 178—190 (1975).
46
Ч. Мизнер, К. Торн, Дж. Уилер, "Гравитация", цит. соч. Т. 2, стр. 56—59 / М.: "Айнштайн", 1996 (перевод: C.W. Misner, K.S. Thorne, J.A. Wheeler, “Gravitation”, 1973).