1. Управляемая термоядерная реакция

В 1950 году А.Д. Сахаров вместе с И.Е. Таммом выдвинул идею, которая, вероятно, является его главным научным и изобретательским достижением. Это - предложение осуществления управляемой термоядерной реакции для энергетических целей с использованием принципа магнитной термоизоляции плазмы (см; Большая Советская Энциклопедия, статьи о Сахарове и Тамме). Управляемая термоядерная реакция так же, как реакция, происходящая в водородной бомбе, представляет собой слияние ядер изотопов водорода - дейтерия и трития - с образованием (синтезом) ядер гелия и выделением энергии, но не при взрыве, а в условиях промышленного устройства - термоядерного реактора.

В отличие от цепной реакции деления ядер урана и плутония в атомной бомбе и в реакторах атомных электростанций, термоядерная реакция возможна лишь при температуре в десятки или даже сотни миллионов градусов.
Сахаров и Тамм показали, что при движении заряженных частиц - ядер и электронов - в магнитном поле специальной конфигурации отвод тепла уменьшается настолько, что становится в принципе возможным нагрев плазмы до необходимой температуры и поддержание ее в течение времени, достаточного для термоядерной реакции. Об этих работах доложил И.В. Курчатов 25 апреля 1956 года в своей знаменитой лекции в английском атомном центре в Харуэлле (1) во время визита в Англию с Хрущевым и Булганиным; они были опубликованы в трудах Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии, а также в сборнике (2) под общим заглавием 'Теория магнитного термоядерного реактора" (МТР)
Части 1,3- статьи И.Е. Тамма; часть 2 - статья А.Д. Сахарова. В кратком введении Сахаров пишет: "В работе И.Е. Тамма изложены свойства высокотемпературной плазмы в магнитном поле, дающие надежду на осуществимость МТР. Ниже излагаются другие вопросы теории МТР, а именно:
╖1. Термоядерные реакции. Тормозное излучение.
╖2. Расчет большой модели. Критический радиус. Краевые явления.
╖3. Мощность подмагничивания. Оптимальная конструкция. Производительность по активным веществам.
╖4. Дрейф в неоднородном магнитном поле. Подвешенный ток. Индукционная стабилизация.
╖5. Проблема плазменной неустойчивости".
Эти работы Сахарова и Тамма признаются пионерскими. Дальнейшие исследования продолжались под руководством Л.А. Арцимовича. Вот какими словами писали об этом в СССР около десяти лет назад (в более поздних изданиях фамилия "Сахаров" отсутствует): "Курчатов рассказал английским слушателям об оригинальнейшей идее, выдвинутой в 1950 году советскими академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом, - использовать для теплоизоляции плазмы магнитное поле..."
(из книги П.А. Асташенкова "И.В. Курчатов", М. 1967).

А вот отрывок из книги И.Н. Головина "И.В. Курчатов" (М., издания 1967 и 1972 гг., стр. 81-82) . Разговор И.В. Курчатова со своим заместителем (фамилия заместителя в книге не названа) в новогодний вечер 31 декабря 1950 года:
Заместитель: "Игорь Васильевич! МТР - ведь это величайшая проблема по освобождению внутриядерной энергии! Первую проблему Вы успешно решили. Никто уже не сомневается, что атомная электростанция будет работать за счет деления урана. Сахаров поднял нас на решение второй, не менее величественной атомной проблемы двадцатого века - получения неисчерпаемой энергии путем сжигания okeaнcкoй воды! Эта задача, решению которой не жаль отдать всю свою жизнь".
Курчатов остановился. Лучистая улыбка осветила его лицо.
"Вы увлекающийся, молодой человек! Говорите -великая проблема!.. " Лицо его стало серьезным: "Да... Проблема великая... Проблема человечная". Курчатов вновь зашагал, поглаживая бороду. - "Проблема величайшая!
А как вы будете создавать горячую плазму?" - Неясно. Очень не ясно! Да-с, молодой человек, очень не ясно.
- Но в этом и состоит основная задача.
Курчатов с присущей ему настойчивостью начал детально обсуждать, как можно получить плазму и нагреть ее. С увлечением рассказал, как Сахаров предложил создавать плазму индукционным способом, надев на тороидальную камеру железный сердечник с первичной обмоткой... Уже через несколько месяцев во главе с Арцимовичем работала созданная Курчатовым лаборатория, насчитывающая до ста сотрудников.

Возглавлял теоретические исследования М.А. Леонтович. Одним из результатов многолетних усилий большого коллектива советских ученых была система, известная под названием "токамак". Эта система наиболее близка к первоначальным идеям Сахарова и Тамма, рассмотревших, в частности, тороидальную конфигурацию в стационарном и нестационарном вариантах. Сегодня она считается одной из наиболее перспективных. "В настоящее время перспективы представляются лучшими, чем когда-либо прежде; несколько лет назад русские экспериментаторы изобрели установку, называемую "токамак"... Эта установка сравнительно успешно была воспроизведена в США", - писал в 1976 году Ганс А. Бете (3).
"Наиболее остроумным и многообещающим способом был так называемый "токамак", предложенный в СССР", - П.Л. Капица, Нобелевская лекция 1978 года (4).
Весьма полная картина современного состояния проблемы управляемого термоядерного синтеза дана заместителем директора отдела термоядерных исследований Департамента энергии США Дж. Ф. Кларком в обзоре, написанном в декабре 1979 года для журнала "Физика плазмы" (5). Приведу некоторые выдержки из этого обзора:
"Последние результаты экспериментов, выполненных в США, СССР, Европе и Японии, показывают, что "токамак", один из возможных подходов в синтезе, может удерживать термоядерную плазму, необходимую для создания энергии, достаточно хорошо."
"Не существует фундаментальных технических препятствий для практического производства энергии управляемого термоядерного синтеза на основе научного успеха "токамаков""Мы одобряем совместное планирование исследований на крупнейших "токамаках" мира, строящихся в настоящее время: Т-15 в СССР, JT-60 в Японии, JET в Европе и TFTR в США. Эти усилия должны подготовить фундамент для следующего шага - перевода термоядерной программы на стадию инженерных разработок. Возможно, это произойдет в начале 1981 года."

Сахаров занимался также принципиально иным, альтернативным методу магнитной изоляции и удержания плазмы, направлением исследований, связанных с использованием лазера. В своей краткой автобиографии А.Д. Сахаров пишет: "В 1961 году я предложил для тех же целей (получения управляемой термоядерной реакции - Б.А.) нагрев дейтерия лучом импульсного лазера". ("Сахаров о себе", Нью-Йорк,1974).
Эта идея возникла независимо в разных странах и сейчас интенсивно разрабатывается как в СССР, так и за рубежом.
Поясним несколько подробнее физическую сущность и значение управляемого термоядерного синтеза.
При слиянии двух ядер дейтерия или ядер дейтерия и трития образуются изотопы гелия и быстрые нейтроны. Положительный выход энергии обусловлен уменьшением общей массы покоя реагирующих частиц - в соответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна E=mc2. Для слияния ядер необходимо, чтобы они сблизились до расстояния действия ядерных сил, но этому препятствует электростатическое отталкивание, для преодоления которого требуется достаточно большая кинетическая энергия теплового движения ядер.
Таким образом, для осуществления термоядерной реакции нужна начальная температура зажигания. В водородной бомбе в качестве запала применяется атомная бомба. В случае управляемого термоядерного синтеза необходимый начальный разогрев можно в принципе получить путем создания в дейтериевой или дейтерий-тритиевой плазме мощных электрических разрядов. При этом главная проблема -удержать эту "молнию" в течение времени (несколько секунд), необходимого для разогрева плазмы до температуры зажигания термоядерной реакции.
Необходимо также, чтобы энергия, выделяемая при синтезе ядер, была больше энергии, затрачиваемой на нагревание плазмы: только в этом случае можно сказать, что "дрова разгорелись".
Никакие стенки из вещества для удержания плазмы не годятся, так как при столь высокой температуре они сразу же превратятся в пар. Единственно возможным является метод удержания горячей плазмы в ограниченном объеме с помощью очень сильных магнитных полей. Плазма - это газ электрически заряженных частиц, траектория движения которых под действием магнитного поля искривляется. Выбором определенной конфигурации внешнего магнитного поля, с учетом "Пинча" (самосжатия плазменного шнура собственным магнитным полем), можно надеяться предотвратить разлет плазмы на стенки.
Главная возникающая трудность - неустойчивость плазменного шнура. Есть и другие трудности, как, например, разрушение стенок реактора нейтральными атомами, которые всегда в небольшом количестве присутствуют в плазме и которые, очевидно, магнитным полем не удерживаются. Вместе с тем возникающие проблемы скорее технологического, а не принципиального характера.
В качестве долговременных можно использовать три источника энергии: солнечную, атомную и термоядерную. Недостаток Солнца - низкая плотность энергии. Проблемы АЭС - необходимость захоронения радиоактивных отходов, а главное - опасность неконтролируемого распространения в мире атомного оружия. Термоядерный синтез значительно безопаснее и в отношении "шлаков", и в отношении "атомных террористов". Миллионы тонн дейтерия содержатся в водах Мирового океана. Свободного трития в природе практически нет, но его можно воспроизводить в самих термоядерных реакторах из лития (при взаимодействии нейтронов с ядрами лития образуются гелий и тритий).
Таким образом, единственный недостаток управляемой термоядерной реакции в том, что она до сих пор не осуществлена.
В настоящее время в научных лабораториях многих стран ведутся широкие исследования различных вариантов решения проблемы управляемой термоядерной реакции. После лекции И.В. Курчатова в Харуэлле, которая произвела огромное впечатление во всем мире, исследования по управляемой термоядерной реакции велись открыто и в тесном международном сотрудничестве. Они явились образцом всей системы международного сотрудничества, сложившейся в 50-70 -х годах и поставленной под удар известными событиями последних лет, в их числе осуждением Ю.Ф. Орлова и высылкой А.Д. Сахарова.
14 сентября 1981 года в Москве откроется Х-я Европейская конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Возможна ли такая конференция без участия основоположника всего направления - академика Сахарова?
Беззаконное задержание Сахарова придает этому вопросу исключительную остроту. Кроме того, должно быть известно, что председатель советского оргкомитета конференции академик Велихов неоднократно за последний год игнорировал просьбы Сахарова о помощи.
 

2. Взрывомагнитные генераторы

В 1951-52 годах А.Д. Сахаров предложил принцип использования энергии взрыва для получения сверхсильных магнитных полей и сверхсильных токов. Этот принцип основан на сохранении магнитного потока и увеличении энергии магнитного поля при быстром взрывном деформировании металлических контуров с током, в частности, при кумулятивном схлопывании полых металлических цилиндров (отсюда название - магнитная кумуляция, МК).
Эти предложения Сахарова и результаты осуществленных по его инициативе исследований были опубликованы в 1965-66 годах (6,7). В этих публикациях сообщается о получении рекордного магнитного поля 25 млн. гаусс (т.е. плотность энергии в миллион раз больше, чем в хорошем постоянном магните). В 60-е годы появились также многочисленные зарубежные публикации на ту же тему. Сахаров пишет:"Областью применения генераторов МК является решение таких проблем физики и техники, как, например, создание сравнительно малогабаритных ускорителей заряженных частиц однократного действия на высокие энергии (100-10ОО Бэв), получение и изучение плотной высокотемпературной плазмы, ускорение плотных образований до скоростей в сотни и тысячи километров в секунду, что необходимо для решения некоторых задач астрофизики (достижения в лабораторных условиях звездных температур и давлений), физики ударных волн, исследования уравнений состояний и свойств веществ при сверхвысоких температурах и давлениях, изучения действия на обшивку космических кораблей метеоритов и тд.
Открываются перспективы исследований электрических, оптических и упругих свойств различных веществ в таких магнитных полях, которые были раньше практически недостижимы."
В работах Сахарова и соавторов дается описание двух наиболее характерных взрывных генераторов: МК-1 (сжатие аксиального магнитного поля) и МК-2 (вытеснение магнитного поля из соленоида и последующее его сжатие стенками коаксиала).
Наипростейшей, с теоретической точки зрения, является система МК-1. - Внутри полого металлического цилиндра за счет импульса тока в соленоидальной обмотке создается магнитное поле. Снаружи цилиндра коаксиальный слой заряда взрывчатого вещества (ВВ). В этом заряде возбуждается сходящаяся цилиндрическая ударная волна.
Момент взрыва выбирается так, чтобы сжатие цилиндра началось в момент максимальньного тока в соленоидальной обмотке, т.е. в момент максимального начального магнитного поля. Скорость сжатия стенок цилиндра свыше 1 км/сек; остановка движения происходит из-за противодавления магнитного поля. Величина магнитного поля обратно пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра, поскольку магнитный поток в цилиндре остается постоянным. Это основано на явлении электромагнитной индукции: при движении цилиндра в радиальном направлении в его стенках возникают индукционные токи, которые, подчиняясь известному "правилу Ленца", стремятся не выпустить поле из внутренней области. При начальном поле в 30 тысяч гаусс уже в первых опытах было достигнуто поле в 1 млн гаусс, что соответствует уменьшению радиуса цилиндра примерно в шесть раз.
"Генератор МК-2 представляет особый интерес для получения сильных токов и очень больших энергий магнитного поля (с превращением в энергию магнитного поля до 20% энергии ВВ, при относительно высоких значениях магнитного поля до 2 млн. гаусс)."
"Практическое осуществление систем МК-2 с высокими характеристиками потребовало длительных исследований большого коллектива, которые в основном были закончены в 1956 году (первая конструкция генератора МК-2 создана в 1952 году, в 1953 году получены токи в 100 млн. ампер)."
Применение генераторов МК-2 для создания очень высоких начальных полей в генераторе МК-1 позволило получить сверхсильное магнитное поле в 25 млн. гаусс.
Магнитное поле оказывает давление на любую преграду, за которую не может проникнуть. Это давление магнитного поля можно использовать для всестороннего обжатия образца и изучения свойств различных веществ при сверхвысоких давлениях в условиях адиабатического сжатия, т.е. без ударного разогрева до десятков тысяч градусов. В некоторых новейших советских и американских публикациях сообщается о достижении методом МК давлений в несколько миллионов атмосфер при температуре образца не более 300 градусов Цельсия. Таким образом были изучены свойства кварца, корунда, а также водорода в попытке получить его в металлическом состоянии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Академик И.В. Курчатов. "О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде", Москва, 1956 год.
2. А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм. "Теория магнитного термоядерного реактора", в сб. "Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций", под ред. М.А. Леонтовича, Москва, 1958 год, т. 1. (Примечание: работа выполнена в 1951 году.)
3. Г. Бете. "Необходимость ядерной энергетики", "Успехи физических наук", 1976 год, т. 120, выпуск 3. (Перевод из журнала "Сайентифик Америкен", том 234(1), 1976 год.)
4. П.Л. Капица. "Плазма и управляемые термоядерные реакции", "Успехи физических наук", 1979 год, т. 129, вып. 4.
5. Дж. Ф. Кларк. "Следующий шаг в термоядерном синтезе: что это такое и как его делать", "Физика плазмы", 1980 год, т. 6, вып. 6.
6. Академик А.Д. Сахаров, Р.З. Людаев, Е.Н. Смирнов, Ю.Н. Плющев, А.И. Павловский, В.К. Чернышев, Е.А. Феоктистова, Е.И. Жаринов, Ю.А. Зысин. "Магнитная кумуляция", "Доклады Академии наук (ДАН) СССР", 1965 год, т. 1б5,╧ 1.
7. А.Д. Сахаров. "Взрывомагнитные генераторы", "Успехи физических наук", 1966 год, том 88, вып. 4.

ЧАСТЬ II

Ю. Гольфанд

О работах по фундаментальным проблемам физики

1. Теории элементарных частиц, из которых построена вся материя, а также вопросам космологии - проблемам возникновения и эволюции мира посвящен ряд работ А.Д. Сахарова. В этих работах Андрей Дмитриевич высказал несколько замечательных идей, касающихся наиболее общих физических принципов.

Я попытаюсь дать общий обзор этих работ, не углубляясь в технические подробности, доступные лишь специалистам.
Теория элементарных частиц и космология переживают сейчас период бурного развития. По образному выражению И.Е. Тамма, они находятся на переднем крае современной физики. Гигантский прогресс экспериментальной техники позволял за сравнительно короткий отрезок времени (условно - двадцать лет) накопить множество новых опытных фактов.
Некоторые из них несомненно должны рассматриваться как крупные открытия, заставляющие существенно пересматривать научные представления, казалось бы - весьма прочно установленные. Укажем некоторые примеры. В космофизике: реликтовые излучения, представляющие собой след процессов, происходивших в первые мгновения существования мира; открытие пульсаров - нейтронных звезд и, возможно, наблюдение черных дыр в двойных системах звезд (правда, по вопросу о черных дырах, насколько мне известно, мнения ученых несколько расходятся).
В физике частиц: несохранение СР-четности, "очарованные" частицы, ипсилон - частицы, тяжелые лептоны. Список этих примеров далеко не полный и приведен лишь для иллюстрации.
Такой поток открытий весьма стимулирует теоретическую мысль, заставляя ее заново переосмысливать фундаментальные научные проблемы. При этом развитие теории отнюдь не подчинено прогрессу в эксперименте. Если бы теория лишь следовала за экспериментом, пытаясь объяснить новые данные, думаю, что никакое развитие науки было бы невозможно. Теория развивается по своим внутренним законам.
При этом теоретическая картина мира часто оказывается неподтвержденной (а иногда и противоречащей) существующими в данное время экспериментальными данными. (Таких примеров было много. Один из наиболее ярких - общая теория относительности.) Тем не менее "хорошая" теория выживает и сама оказывает влияние на последующее направление экспериментальных работ. В дальнейшем теория и эксперимент в большей или меньшей степени приходят в согласие друг с другом.
В результате такого развития науки возникает весьма своеобразная картина. С одной стороны, формулируются весьма общие принципы, управляющие колоссальным множеством физических явлений.
С другой стороны, возникают фундаментальные проблемы, решение которых в значительной степени меняет картину науки. Как правило, такие проблемы возникают там, где фундаментальные принципы вступают в противоречие друг с другом.
В физике частиц наиболее общие принципы имеют форму законов сохранения тех или иных физических величин. Решение некоторых весьма трудных задач иногда состоит в отказе от абсолютно точного выполнения закона сохранения.
В основе современной космологии лежит общая теория относительности Эйнштейна, то есть теория гравитационного поля. Структура гравитационного поля выражается в терминах геометрии четырехмерного пространства - времени или, как говорят, Мира. Такой геометрический подход отражает весьма глубокие свойства гравитационного поля.
Хорошо известно, что все тела в поле тяжести Земли движутся по одинаковым траекториям, независимо от их массы. Отсюда видно, что движение в поле тяжести имеет геометрический характер. Теория относительности является далеко идущим обобщением этого факта. Из этой теории следует, что, пока гравитационное поле слабое (например, поле Земли в этом смысле весьма слабое), геометрия пространства мало отличается от геометрии Евклида.
Когда же поле становится сильным, геометрия пространства-времени кардинально меняется.
Одним из выводов теории относительности является то, что весь мир как целое возник в результате "Большого взрыва" примерно 10 миллиардов лет тому назад. В момент "Большого взрыва" и сразу после него геометрия пространства была весьма непохожа на то, что мы сегодня видим вокруг. Физические условия в то время тоже весьма отличались от земных - плотность вещества и температура были огромными (теоретически - бесконечными). Могли идти такие физические процессы, которые абсолютно невозможны в земных условиях и даже в недрах Солнца или обычных звезд.
Весьма примечательной особенностью современной картины мира является то, что проблема микромира (теории элементарных частиц) и проблема космологии (теории Мира как целого) пересекаются друг с другом. Как раз в моменты сразу за "Большим взрывом" физические процессы, управляющие эволюцией вселенной, существенно определяются законами, установленными в физике элементарных частиц. На стыке этих двух полюсов науки возникают исключительно интересные научные проблемы и результаты.
Некоторые из этих проблем интересовали Андрея Дмитриевича Сахарова. Решая их, Андрей Дмитриевич старался опираться на самые общие принципы в данной области науки. Такой метод чрезвычайно труден, но зато результаты являются несравненно более важными. Подход Андрея Дмитриевича Сахарова весьма физичен. Андрей Дмитриевич всегда пытается увязать между собой несколько разнообразных (иногда, казалось бы, далеких) физических аспектов рассматриваемого круга явлений и получать максимальное число результатов, проверяемых на опыте.
 
2. Барионная асимметрия Вселенной.

Барионы образуют большое семейство "элементарных частиц, обладающих некоторым характеристическим свойством - наличием барионного заряда". Наиболее известными представителями барионов являются протон и нейтрон, из которых строятся все атомные ядра. Протону и нейтрону приписываются значения барионного заряда равные единице. При взаимодействии барионы могут превращаться друг в друга, однако эти превращения ограничены тем условием, что барионный заряд начальных продуктов реакции равняется барионному заряду конечных продуктов. Это условие можно сформулировать как закон сохранения барионного заряда.
До сих пор ни в одном эксперименте не было наблюдено нарушение этого закона. Для каждого бариона существует свой антибарион. Антибарион также принадлежит барионному семейству. Свойства антибариона аналогичны свойствам бариона, но в то же время в некотором смысле им противоположны. Барионный заряд антибариона противоположен по знаку барионному заряду соответствующего бариона.
Следует особо подчеркнуть, что нет какого-либо внутреннего свойства, позволяющего отличить частицу от античастицы. Отношение частица - античастица взаимно. Так, например, протон и антипротон являются античастицами друг относительно друга. Если бы все частицы мира заменить на античастицы, то возникший в результате мир мало бы отличался от того, в котором мы живем. Иными словами, антимир, состоящий из "антивещества", был бы устроен точно так же, как и наш мир, построенный из "вещества".
Однако если частица взаимодействует с античастицей (например, реакция протон-антипротон, хорошо изученная в лабораторных условиях), то возникает совершенно другая уартина. Поскольку барионные заряды этих двух частиц противоположны по знаку, и, следовательно, суммарный барионный заряд равен нулю, нет никаких причин, запрещающих превращению пары барион-антибарион в легкие частицы - электроны, нейтрино и кванты света. Как говорят, происходит аннигиляция, в результате которой пара барион-антибарион исчезает. Если бы в нашем мире существовали тела, построенные из антивещества, то при соприкосновении с телами из вещества происходила бы их аннигиляция с выделением большого количества энергии.
Никаких астрономических указаний на существование подобных явлений обнаружено не было. Таким образом, опытом с большой точностью установлено, что в нашей Вселенной нет скоплений антивещества. Конечно, всегда можно возразить, что антивещество сосредоточено где-то в отдаленных уголках Вселенной и пространственно разделено с веществом.
Однако даже если это и так в современную эпоху, то в эпоху сразу после "Большого взрыва", когда материя была в сверхплотном состоянии, такое разделение вещества и антивещества весьма трудно себе представить. Остается предположить, что во Вселенной нет островов антивещества или, иначе говоря, барионный заряд Вселенной отличен от нуля.
В этом состоит барионная асимметрия Вселенной: несмотря на то, что законы физики допускают замену вещества на антивещество, Вселенная состоит из частиц с барионным зарядом одного знака. Проблема барионной асимметрии Вселенной ставит вопрос: как это могло произойти в процессе эволюции? Как мы видим, в этой проблеме скрещиваются фундаментальные законы физики.
С одной стороны, закон сохранения барионного заряда, с другой - представления Общей теории относительности, из которой следует модель расширяющейся Вселенной, возникшей в результате "Большого взрыва". Конечно, один из возможных ответов состоит в том, что "так было всегда", что уже сверхплотная материя во времена "Большого взрыва" имела в точности такой же барионный заряд, какой имеет Вселенная в нашу эпоху. Однако такой ответ является пустым.
Значительно более интересной является гипотеза о том, что начальное состояние Вселенной имело барионный заряд равный нулю, а имеющаяся сейчас барионная асимметрия возникла в результате некоторых физических процессов в ходе эволюции Вселенной. С этой точки зрения рассматриваются различные аспекты барионной асимметрии Вселенной в работах А.Д. Сахарова (1,2,3,4). Андрей Дмитриевич исследует две различные гипотезы.
Первая (3) состоит в том, что барионный заряд в природе строго сохраняется, однако в результате нестационарных процессов в сверхплотном веществе, возникшем в "Большом взрыве", возможно разделение барионного заряда, при котором положительный заряд сосредоточен в нуклонах, а равный ему отрицательный заряд - в некоторых гипотетических частицах, нейтральных антикварках (с барионным зарядом - 1/3). Эти антикварки по предположению не захватываются ядрами.
Все окружающее пространство заполнено антикварками. Их средняя плотность втрое больше средней плотности нуклонов (суммарный барионный заряд нуклонов и антикварков равен нулю). Легко сформулировать свойства антикварков, которые не приводят к противоречию с имеющимися данными. В работе обсуждаются возможные эксперименты по наблюдению антикварков. Такие эксперименты являются наиболее прямой проверкой гипотезы.
Вторая гипотеза, рассмотренная в работах (1,4), существенно отличается от предыдущей. Предполагается, что закон сохранения барионного заряда выполняется лишь приближенно. Вводится конкретная модель взаимодействия, не сохраняющего барионный заряд. Это взаимодействие приводит к распаду протона в легкие частицы (в конкретном варианте в М -мезоны). В работе показано, что при нестационарном процессе расширения сверхплотной материи введенный механизм может дать наблюдаемое значение барионной асимметрии.
В современную эпоху видимые эффекты нового взаимодействия весьма малы. Например, хотя это взаимодействие приводит к распаду протона, тем самым делая протон нестабильным, однако время жизни протона оказывается столь большим, что наблюдение распада протона в эксперименте находится далеко за пределами современных возможностей. В последующей работе (2) Андрей Дмитриевич развивает свою гипотезу, увязывая ее с эффектом несохранения СР-четности - весьма важным явлением, экспериментально обнаруженным при распаде долгоживущих ld-мезонов.
Проблема барионной асимметрии Вселенной сейчас является одной из центральных проблем, объединяющей две важнейшие области физики - теорию элементарных частиц и космологию.
 
3. Космологические модели.

Закон всемирного тяготения, утверждающий, что все тела в мире притягиваются друг к другу, - один из наиболее универсальных законов природы. Тот факт, что в малых масштабах свойства системы определяются не гравитационными взаимодействиями, объясняется тем, что это взаимодействие (в известном смысле) весьма слабое. Так, например, электростатическое взаимодействие между протоном и электроном в атоме водорода на много порядков сильнее их гравитационного взаимодействия.
Однако ни одно взаимодействие в мире, помимо гравитационного, не носит характера всеобщего притяжения. Поэтому, когда мы переходим от рассмотрения явлений малых масштабов ко все более крупным масштабам, относительная роль гравитации возрастает. Если же рассматривать весь мир как физическую систему, то для такой системы роль гравитации становится доминирующей, а все остальные взаимодействия отходят на задний план. Можно сказать, что гравитация полностью определяет структуру мира как целого.
Общая теория относительности Эйнштейна выражает гравитационное поле в терминах геометрии четырехмерного Мира. Эта геометрия такова, что для небольших пространственно-временных областей она может весьма мало отличаться от геометрии Евклида. Однако все пространство в целом отличается кардинальным образом от Евклидового пространства. Таким образом, космологическая модель, описывающая строение всей Вселенной, по существу сводится к рассмотрению неевклидового пространства, обладающего определенными свойствами.
Через геометрические характеристики этого пространства выражаются физические свойства Мира как целого.
Наиболее широко используется в настоящее время в исследованиях по космологии модель расширяющейся Вселенной Фридмана. В этой модели существует особая точка - "Большой взрыв". Эта точка соответствует моменту времени t=0. При значениях t < 0 (в рамках этой модели) пространства не существует.
В работе (5) Андрей Дмитриевич выдвигает идею космологических моделей, для которых тоже существует особая точка при t = 0, аналогичная "Большому взрыву", но в отличие от модели Фридмана возможно определить физические величины и для значений t < 0. Такие модели А.Д. Сахаров назвал космологическими моделями с поворотом стрелы времени.
Основная идея моделей с поворотом стрелы времени связана с разрешением "Глобального парадокса обратимости", сформулированного в прошлом веке. Этот парадокс состоит в том, что все динамические законы физики инвариантны относительно изменения направления времени (замена t на -t), тогда как уравнения статистической физики такой инвариантностью не обладают.
Необратимость законов статистической физики составляет существо второго начала термодинамики, утверждающего рост энтропии со временем. В космологических моделях с поворотом стрелы времени удается снять "Глобальный парадокс обратимости" и так сформулировать законы динамики и статистической физики, чтобы они были инвариантны при изменении направления времени. (Заметим, что это было бы совершенно невозможно в модели Фридмана, поскольку в рамках этой модели имеет смысл говорить только о значениях времени t > 0.)
Тем самым закон обратимости выступает в качестве фундаментального закона Природы. В действительности этот закон необходимо несколько усложнить: одновременно с изменением направления времени (Т-преобразование) нужно произвести зеркальное отражение пространства (Р-преобразование) и замену всех частиц на античастицы (С-преобразование). В результате формулируется закон ТРС инвариантности как фундаментальный закон природы.
Из ТРС-инвариантности вытекает, что в момент "Большого взрыва" (t =0) мир был нейтрален относительно всех сохраняющихся зарядов. Тем самым весьма остро ставится проблема объяснения барионной асимметрии Вселенной.
Чрезвычайно интересную идею о топологической природе зарядов высказал А.Д. Сахаров в работе (6). Согласно этой идее, материя состоит из "элементарных зарядов", которые представляют собой довольно хитрые топологические пространственно-временные структуры. При этом ТРС-инвариантность связывает топологию Мира при t > 0 и t < 0.
Эти новые и весьма радикальные идеи, к сожалению, еще недостаточно разработаны. Если развитие этих идей будет успешным, то в какой-то мере реализуется мечта Эйнштейна о сведении физики к геометрии (правда, довольно хитрой!).
 
4. Идея нулевого лагранжиана. 
   В работах (7,8,9) Андрей Дмитриевич развивает идею нулевого лагранжиана, согласно которой функция действия физических полей возникает в результате взаимодействия этих полей с физическим вакуумом. Вакуум здесь трактуется не как "пустое пространство", а как некая универсальная физическая система. При отсутствии внешних полей вакуум находится в основном ее стоянии. Внешнее поле вызывает поляризацию вакуума, в результате которой величина действия вакуума изменяется. Это изменение можно считать действием данного физического поля. Исходя из некоторых общих принципов, развивается метод вычисления эффективного действия различных физических полей, таких как гравитационные, электромагнитное или электронно-позитронные поля. Помимо общего принципиального подхода эти работы интересны тем, что в них развивается новый метод вычисления квантово-полевых эффектов.
   В работе (9) рассматривается вопрос об обобщении Эйнштейновской теории гравитации путем введения в теорию некоторого скалярного поля. (Различные варианты такой скалярно-тензорной теории гравитации неоднократно обсуждались в литературе.) Введение в теорию нового поля, вообще говоря, нарушает основной принцип, лежащий в основе теории Эйнштейна, - принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. А.Д. Сахаров показывает, что если выводить скалярно-тензорную теорию гравитации из принципа нулевого лагранжиана, то возникает специальный вариант теории, в котором принцип эквивалентности не нарушается, и тем самым новое скалярное поле становится принципиально не наблюдаемым.Полученная таким образом теория оказывается физически эквивалентной теории Эйнштейна
   
   
5. Проблема масс элементарных частиц. 
   Масса элементарных частиц является одним из немногих фундаментальных свойств таких частиц, и поэтому установление закономерностей, описывающих массы частиц, - это одна из основных проблем теории. Правда, нужно сказать, что само понятие элементарных частиц, то есть таких частиц, из которых "строится" вся материя, оказалось весьма обманчивым. Как только какой-либо тип частиц, которые можно было бы считать элементарными, начинали пристально изучать, очень быстро число таких "элементарных" частиц обнаруживало тенденцию к увеличению - ученые открывали много новых "элементарных" частиц.
   Так было с атомами. Затем после открытия протона и нейтрона эти частицы были признаны элементарными, и была построена картина атомных ядер, состоящих из различного числа протонов и нейтронов. Однако с развитием экспериментальной техники были открыты многочисленные представители барионного семейства частиц (к которому принадлежат протон и нейтрон), а также множество частиц с барионным зарядом равным нулю -- мезонов. Сейчас всех этих частиц известно несколько сотен, и если для них и сохраняется название "элементарных", то все понимают, насколько оно является условным. Для того, чтобы навести порядок в "хозяйстве" элементарных частиц, были выдвинуты различные гипотезы.
   Одной из самых успешных гипотез (она жива и в настоящее время) было предположение, что все эти частицы состоят из еще более элементарных частиц - кварков. Первоначально было предположено существование трех сортов кварков (что вполне соответствовало Д. Джойсу). Предполагалось, что все барионы состоят из трех кварков, а мезоны - из кварка и антикварка. Ваьируя различные комбинации из трех сортов кварков, удалось привести в систему известные в то время "элементарные" частицы. Правда, довольно скоро трех сортов кварков оказалось мало для объяснения свойств новых частиц. Пришлось предположить существование сначала четвертого, а затем и пятого кварка. К этому набору (из чисто теоретических соображений) был добавлен еще и шестой кварк
   Сейчас физики надеются, что таким набором можно будет обойтись. В цикле работ (10,11,12,13) А.Д. Сахаров, исходя из кварковой гипотезы, строит формулы, описывающие массы наблюденных частиц. Эти формулы не вытекают из первых принципов Науки, а скорее носят полуэмпирический характер. Но замечательно то, что из весьма простых физических соображений, привлекая минимум информации о кварках и вводя минимальное число неизвестных (подгоночных) параметров, удается получить массовые формулы, дающие хорошее согласие с очень большим числом опытных данных.
   Андрей Дмитриевич уточняет и совершенствует массовые формулы, приводя их в соответствие с уровнем быстро развивающейся физики частиц. Когда были открыты новые, "очарованные"' частицы, для объяснения которых потребовалось предположить существование четвертого ("очарованного") кварка, Андрей Дмитриевич учел этот кварк в своих массовых формулах (11). При этом удалось не только хорошо объяснить значения масс вновь открытых частиц, но и предсказать с хорошей точностью массы еще не известных частиц, которые тоже были вскоре обнаружены на опыте. Следующие уточнения формулы (12,13) были стимулированы прогрессом теории (квантовая хромодинамика). Андрей Дмитриевич придал своим массовым формулам более простой вид, уменьшив число параметров. Согласие с опытом оказалось вполне хорошим.
   

Я считаю, что в работах Андрея Дмитриевича Сахарова высказаны замечательные по глубине и оригинальности идеи. Лишь небольшая их часть получила некоторое развитие (это в основном касается проблемы барионной асимметрии).Я уверен, что развитие этих идей будет крайне важным для Науки. Надеюсь, что это произойдет в достаточно близком будущем.

РАБОТЫ А.Д. САХАРОВА ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМ ПРОБЛЕМАМ

1. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной. Письма в ЖЭТФ 5, 32 (1967).
2. Кварк-мюонные токи и нарушение СР-инвариантности. Письма в ЖЭТФ 5, 36 (1967).
3. Антикварки во Вселенной. Проблемы теоретической физики. (Сборник, посвященный Н.Н. Боголюбову в связи с его шестидесятилетием.) "Наука", 1969, стр. 35.
4. Барионная асимметрия Вселенной. ЖЭТФ 76, 1172 (1979).
5. Космологическая модель Вселенной с поворотом стрелы времени. ЖЭТФ 79, 698 (1980).
6. Топологическая структура элементарных зарядов и СРТ-. симметрия. Проблемы теоретической физики. (Сборник памяти И.Е. Тамма.) "Наука", 1972, стр. 242.
7. Вакуумные квантовые флуктуации в искривленном пространстве и теория гравитации. ДАН СССР 177, 70 (1967).
8. Спектральная плотность собственных значений волнового уравнения и поляризация вакуума. ТМФ23,178 (1975).
9. О скалярно-тензорной теории гравитации. Письма в ЖЭТФ 20,189 (1974).
10. Кварковая структура и масса сильно взаимодействующих частиц. (Совместно с Я.Б. Зельдовичем.) Ядерная физика,4,395 (1966).
11. Массовая формула для мезонов и барионов с учетом шарма. Письма в ЖЭТФ 21,554 (1975).
12. Массовая формула для мезонов и барионов. ЖЭТФ 78, 2112 (1980).
13. Оценка постоянной взаимодействия кварков с глюонным полем. ЖЭТФ 79, 350 (1980).