物理群星
安德烈·萨哈罗夫 肖像

图:Vladimir Fedorenko,1989 / RIA Novosti / CC BY-SA 3.0

安德烈·萨哈罗夫

Andrei Sakharov

1921–1989 · 生于苏联莫斯科 · 苏联

粒子物理天体与宇宙学

造出苏联氢弹的人,后来成了苏联最著名的异见者

「我无法不去想,我们所做的这一切,也许有一天会以最可怕的方式落到人类头上。」

—— 《回忆录》中记述 1955 年那次试验后的心情,据英译本意译

宇宙里的物质和反物质本该一样多。

大爆炸的能量转化成粒子时,按照已知的对称性,每造出一个质子就该造出一个反质子。两者相遇即湮灭,最后剩下的应该只有光子——没有恒星,没有行星,没有人。

可我们在这里。每十亿个光子对应着大约六个多出来的重子。这个极小的偏差,就是全部可见物质的来源。

1967 年,一个刚刚设计完苏联氢弹的人,写下了解决这个问题必须满足的三个条件。

千层饼

萨哈罗夫 1945 年进入列别杰夫物理研究所,师从塔姆。1948 年他被编入氢弹研制组——那不是可以拒绝的安排。

他提出的构型被称作「千层饼」:把重的可裂变材料与轻的聚变燃料一层层交替叠放。1953 年苏联第一颗氢弹试爆成功,用的正是这个设计。同年他当选科学院院士,三十二岁,是当时最年轻的。此后他三次获得社会主义劳动英雄称号。

转变是逐步的。1955 年一次大当量试验中,冲击波超出预期,造成一名士兵和一个女孩死亡。当晚的庆功宴上,萨哈罗夫举杯说,愿这些武器永远只在试验场上爆炸,永远不在城市上空。一位将军接过话头,讲了一个粗鄙的笑话,大意是科学家只管造,用在哪里不归他们操心。

萨哈罗夫在回忆录里写,那一刻他明白了自己在整个链条中的位置。

从内部推动禁核试

此后十年他做了两件方向相反的事:继续设计武器,同时开始在体制内部争论。

他计算过大气层核试验的放射性尘埃对全球健康的长期影响,得出的死亡人数以万计。他把这些数字送上去,成为苏联接受 1963 年《部分禁止核试验条约》的推力之一。

1968 年他写了一篇长文《关于进步、和平共处与知识自由的思考》,主张美苏合作、思想自由、反对审查。文章通过地下渠道流到西方发表,印数以千万计。

后果立竿见影:他被剥夺一切涉密工作,从核武器体系中彻底除名。

1967 年的三个条件

也正是在被逐出武器工作的前一年,他写下了自己在纯物理上最持久的贡献。

他问:什么样的物理过程能从一个对称的初始状态产生出物质多于反物质的宇宙?答案是必须同时满足三条——

第一,必须存在破坏重子数守恒的过程,否则重子数从头到尾不变,初始为零就永远为零;第二,电荷共轭对称与 CP 对称都必须被破坏,否则产生物质与产生反物质的速率完全相同;第三,过程必须偏离热平衡,否则正反过程会精确抵消。

这三条今天叫萨哈罗夫条件。标准模型能满足前两条,但破坏的程度小了好几个数量级,第三条也需要额外机制。也就是说,我们存在这件事本身,就是标准模型不完备的证据之一。这是当前粒子物理与宇宙学交叉领域最活跃的问题之一。

高尔基市

1975 年萨哈罗夫获诺贝尔和平奖。当局不准他出境,颁奖典礼上由妻子邦纳代为宣读演讲。

1980 年他公开反对苏联入侵阿富汗,被剥夺全部头衔,未经审判流放到当时对外国人关闭的高尔基市,与外界隔绝。他三次绝食,其中一次为争取妻子出国就医,被强制送医灌食。

1986 年 12 月,工人在他的公寓里装了一部电话——那栋楼此前没有电话。第二天电话响了,是戈尔巴乔夫,通知他可以回莫斯科。

1989 年他当选苏联人民代表大会代表,在讲台上要求废除宪法中关于共产党领导地位的条款,会场话筒被关掉。同年 12 月 14 日,他在准备第二天发言时心脏病发去世。

欧洲议会设有萨哈罗夫思想自由奖,每年颁给一位捍卫人权的人。

代表方程

重子不对称度

η=nB−nBˉnγ≈6×10−10\eta = \frac{n_B - n_{\bar{B}}}{n_\gamma} \approx 6\times10^{-10}

宇宙中每十亿个光子对应约六个多出来的重子。大爆炸本该产生等量的物质与反物质,两者湮灭后什么也不该剩下——而我们存在,说明有极小的偏差。

萨哈罗夫三条件

B 破坏+C 与 CP 破坏+偏离热平衡\text{B 破坏} + \text{C 与 CP 破坏} + \text{偏离热平衡}

1967 年他指出,要从对称的初始条件产生物质多于反物质的宇宙,必须同时满足这三条。今天所有关于物质起源的理论都要过这三关。

伟大发现