Виктор де Касто

PRO Антиматерию

De Casto Victor.

Antimatter. Перевод с английского Марии Жуковой ISBN 978-5-906150-47-9

© De Casto V., 2015

© Жукова М., перевод на русский язык, 2015

© «Страта», 2015

Введение

Законы физики говорят нам о том, что мироздание существовало не всегда, а образовалось в результате Большого взрыва. Новорожденная Вселенная была горячей, плотной и идеально симметричной – в ней находились равные количества и материи и антиматерии: каждая частица имела двойника-античастицу которые постоянно сталкивались. Кажется, их аннигиляция должна была привести к полному уничтожению частиц и античастиц. Однако доступная нашему наблюдению часть Вселенной состоит только из частиц вещества, то есть целиком из материи. Земля, Солнечная система, галактики – все они есть материя, управляемая законом гравитации. Куда же исчезли античастицы? Почему нарушилось равновесие между материей и антиматерией?

Саму возможность существования антивещества предсказал в 1898 году британский физик Артур Шустер в заметке, опубликованной в журнале Nature. Это произошло вскоре после открытия Томсоном электрона, обнаружившего, что катодные лучи образованы входящими в состав вещества тождественными отрицательно заряженными частицами. Шустер предположил, что существует симметричный аналог электрона, заряженный положительно: ведь природа должна была позаботиться о симметрии между положительным и отрицательным… И лишь спустя 30 лет замечательный английский физик Поль Дирак заново открыл антиматерию, найдя антиэлектрон (позитрон) в своем уравнении! С этого времени изучением свойств антивещества всерьез занялись физики, и в течение прошлого века не один десяток ученых со всего мира был удостоен Нобелевской премии за свои выдающиеся исследования, поднимающие человечество по ступеням цивилизации.

Современные ученые задаются вопросами, каковы же свойства антивещества и почему природа сделала выбор не в его пользу. Приоткрыть секреты этой таинственной субстанции позволяют эксперименты на гигантских ускорителях, которые способны воспроизводить условия, существовавшие во Вселенной во время ее рождения, и даже добывать антиматерию. Используя мощные вакуумные ловушки с магнитным полем замысловатой конфигурации, ученые надеются разгадать величайшую тайну: где в наши дни можно встретить антиматерию? Что она способна дать землянам и чем может угрожать?

Итак, с доказательством существования антиматерии кажется, сам антимир выбрался из обложек фантастических романов и обрел реальные очертания. Вторя Кшитофу Боруню: «Антиматерия – материя наизнанку… Вопрос в том, с какой стороны на нее посмотреть».

Давайте же постараемся взглянуть на нее с обеих сторон.

Вещество, которое есть и которого нет

Мир материален. Все мы знаем об этом. Материя находится везде вокруг нас. Это все, что нас окружает. Это воздух, горы, океаны, живые существа – люди, звери, птицы, рыбы, растения. Это объективная реальность, содержимое пространства… Это также субстрат – общая основа всех процессов и явлений.

Само слово происходит от латинского materia – «вещество». Термин был введен в латинскую философию Цицероном, который перевел греческое слово hỳlē. Понятие материи как субстрата вещественного мира было разработано в греческой философии Платоном и Аристотелем. Декарт сформулировал понятие материи как телесной субстанции, обладающей пространственной протяженностью и делимостью. Это понятие легло в основу материализма, и материя является центральной категорией диалектического материализма. То есть это одна из основных категорий и науки, и философии, и одновременно – объект изучения физики.

Для физики материя – нечто существующее в пространстве и времени. Это представление пошло от Ньютона, который считал, что пространство – вместилище вещей, а время – вместилище событий. Но материю также можно рассматривать и как нечто само задающее свойства пространства и времени. Это представление пошло от Лейбница, а потом нашло выражение в теории относительности Эйнштейна. Физические явления – изменения, происходящие с различными формами материи. Задача физики – описание свойств различных видов материи и их взаимодействия.

Материя в классическом понимании – вещество, которое состоит из атомов, содержащих протоны, электроны и нейтроны. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и ближайших звездных системах. Классическое вещество может находиться в одном из основных состояний: твердом, жидком, газообразном, еще бывают, например, жидкие кристаллы и плазма.

Один из основных законов диалектики, раскрывающий источник самодвижения и развития объективного мира и познания, – это закон единства и борьбы противоположностей, исходящий из положения, что основу всякого развития составляет противоречие – борьба (взаимодействие) противоположных сторон и тенденций, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве и взаимопроникают друг в друга. А поэтому в мире существует не только материя, но и антиматерия. Ее просто не могло не быть, если существует материя. Мир находится в равновесии. Антиматерия – это антитезис, или полная противоположность материи. Но одновременно и идентичная последней, только все в ней «перевернуто с ног на голову».

Антиматерия, или антивещество, – материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антиматерии состоят из антипротонов и антинейтронов, атомные оболочки построены из позитронов.

Антиматерия не существует на Земле в обычном понимании. Но она есть во Вселенной и является одной из пока необъяснимых тайн. Насколько нам известно, нормой во всей Вселенной является материя, а не антиматерия. Но мы знаем, что антиматерия есть и она реальна, поскольку ученым удавалось получить небольшие ее количества.

Антиматерия уничтожает любую материю, к которой только прикасается, как, впрочем, и себя. При этом происходит взрыв и высвобождение энергии, которая удерживалась на протяжении миллиардов лет. Высвобождаемая таким образом энергия по силе превышает любую из известных нам на сегодняшний день. И именно поэтому антиматерия интересует современных ученых. Она может стать Технологией (с большой буквы) XXI века – великолепным, ни с чем не сравнимым источником энергии. С другой стороны, она может обратиться огромной разрушающей силой, основой оружия массового поражения, которое уничтожит все живое на Земле. Потенциальные возможности и угрозы огромны. Что перевесит?

Из античастиц может быть построено антивещество – точно таким же образом, как вещество из частиц. Однако возможность аннигиляции (взаимного уничтожения) при встрече с частицами не позволяет античастицам сколько-нибудь длительное время существовать в веществе. Античастицы могут долго жить только при условии полного отсутствия контакта с частицами вещества. Свидетельством наличия антивещества где-либо вблизи от известной нам части Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее из области соприкосновения вещества и антивещества. Но пока нет данных, которые говорили бы о существовании во Вселенной областей, заполненных антивеществом. Однако его можно получить на Земле – и это уже было сделано, как сказано выше.

Требуется более миллиарда атомов химического взрывчатого вещества для производства такого же количества энергии, которое может быть высвобождено при аннигиляции одного электрона. Аннигиляция одного грамма антиматерии даст столько же энергии, сколько могут дать топливные баки двух дюжин современных космических кораблей. Следовательно, преобразование энергии позитронов будет революционным источником энергии и также заинтересует тех, кто ведет войну, потому что половина грамма антиматерии соответствует взрыву бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Неудивительно, что антиматерией интересуются и все, кто связан с космосом, и военные. Если ее удастся производить и хранить, она потенциально может дать огромную власть. Нет сомнения, что в настоящий момент эти возможности тщательнейшим образом исследуются, а приказы отдаются на самом высоком уровне.

Ученые занимаются изучением антиматерии последние пятьдесят лет. Исследования антиматерии проводятся в таких всемирно известных лабораториях, как ЦЕРН (Европейский Центр ядерных исследований) в Европе и «Фермилаб» (Национальная ускорительная лаборатории имени Энрико Ферми) в США, о которых рассказ ниже. Публикации об их достижениях стали появляться в 1996 году. После этого изучением вопросов антиматерии активно занялись военные.

Так что это – благо или зло? Стоит ли подробно изучать антиматерию или лучше забыть о ней навсегда?

Свойство человека – стремиться к знаниям, и уж если люди узнали об антиматерии и о потенциальных возможностях ее использования, то не успокоятся, пока не изучат их подробно. Давайте надеяться, что мы получим прекрасный и экономичный источник энергии, который поможет нам сохранить богатства недр Земли.

Что такое антиматерия?

В начале XX века многие революционные идеи носились в воздухе, и Альберт Эйнштейн – ярчайший пример того, как отказ от устоявшихся представлений может открыть захватывающие дух перспективы.

В 1905 году Эйнштейн завершил специальную теорию относительности, показав, что расстояния, скорости и промежутки времени относительны и зависят от наблюдателя, и установив, что ничто не может перемещаться быстрее скорости света. Следствием из этой теории стало самое знаменитое в мире уравнение: E = mc^2. В 1915 году Эйнштейн представил общую теорию относительности, которая переопределяла сущность гравитации в рамках ошеломительно новой идеи: искривления пространства и времени.

Общая теория относительности породила современную космологию – изучение происхождения и эволюции всей Вселенной. На основании уравнений Эйнштейна русский математик Александр Фридман и (независимо от него) бельгийский физик Жорж Леметр пришли к выводу, что пространство должно расширяться. Эйнштейн не принял этого заключения и даже ввел в свои уравнения «космологическую постоянную», чтобы обеспечить статичность Вселенной. Однако последующие наблюдения Эдвина Хаббла, показавшие, что далекие галактики удаляются от нас, убедили великого физика признать растяжение пространства. Следом за Эйнштейном ученые из разных стран стали говорить о расширении Вселенной. По мнению многих, вначале был взрыв. Он произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые нами теперь тела Вселенной, то есть звезды, наше Солнце, планеты.

Фред Хойл – патриарх астрофизики, талантливый математик, автор более 40 примечательных книг, от научно-популярных и научных монографий до фантастических романов. Он был не только ученым, но и ведущим цикла радиопередач на Би-би-си, имевших бешеный успех у слушателей. Во время одной из этих передач и родился термин «Большой взрыв»

Первоначально теория Большого взрыва называлась «динамической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил английский астрофизик Фред Хойл в 1949 году в своей лекции. Хойл известен своими трудами по звездной и планетной космогонии, теории внутреннего строения и эволюции звезд и космологии, а также как автор научно-фантастических художественных произведений. Правда, сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной. «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной», – сказал Хойл, но тем не менее вошел в историю как автор термина, в который вкладывал уничижительный смысл.

В соответствии с теорией Большого взрыва ранняя Вселенная представляла собой очень однородную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам. Температура постепенно падала, один фазовый переход следовал за другим, появились кварки и глюоны, которые объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии. Их взаимодействие превращалось в излучение. Температура падала дальше, начался следующий фазовый переход, образовались физические силы и элементарные частицы в их современной форме. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором доминирующей силой стала гравитация. Через 380 тысяч лет после Большого Взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода.

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра – средней плотности материи нынешней Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого критического значения (оно существует только в теории), Вселенная будет расширяться вечно. Если же плотность превысит критическую, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая Вселенную к исходному состоянию.

Заканчивая рассказ о теории Большого Взрыва, отметим, что она была положительно принята Церковью, причем различными конфессиями. Первыми в поддержку выступили католики – Папа Пий XII официально объявил, что теория не противоречит представлениям Церкви о сотворении мира. Протестанты сказали, что она поддерживает учение о сотворении мира. К ней положительно отнеслись православные христиане, а некоторые мусульмане стали указывать на то, что в Коране есть упоминания Большого взрыва.

* **

Кажется, что уничтожение антиматерии было одним из первых событий или самым первым после Большого взрыва, во время которого появились и материя, и антиматерия. В материальной Вселенной, существующей сегодня, сохраняются остатки того столкновения появившихся материи и антиматерии. Некоторые ученые утверждают, что результатом столкновения является электромагнитное излучение, или «микроволновой фон», который присутствует в космосе по прошествии 13 миллиардов лет (а кто-то говорит, и 14) после Большого взрыва. «Хорошая» материя выжила, а «старая ведьма» антиматерия сгорела на костре.

Но что если не вся антиматерия была уничтожена? Что если какие-то частички до сих пор находятся где-то в бескрайней Вселенной? Чем это грозит? Могут ли с ними встретиться «бороздящие космические просторы» космические корабли? В таком случае они будут разрушены. А что если эти частички антиматерии упадут дождем на нас? Этакими космическими лучами? Возможно ли это?

При падении антиматерии на Землю нас однозначно не ждет ничего хорошего. Если бы у кого-то была возможность заполнить багажник своего автомобиля антиматерией и тот взорвался, этот взрыв был бы виден по всей Земле. Радиация, гамма-лучи распространились бы со скоростью света – антиматерия обладает поразительной разрушительной силой. Хотя, как уже упоминалось, она разрушает при этом и себя. Она чем-то похожа на раковую опухоль. Ведь убивая человека, в котором поселился, рак убивает и себя.

Вообще-то время от времени антиматерия появляется на Земле. Однако мы даже примерно не можем назвать количество раз, когда нашу планету посещала эта таинственная субстанция – следов она после себя не оставляет. Это не метеорит, который оставляет кратер и куски которого, как правило, можно найти. Антиматерия исчезает мгновенно. Свидетельствами удара антиматерии является ужасающей силы взрыв и отсутствие следов «виновника».

Самый яркий пример – Тунгусский метеорит.

Тунгусский метеорит

Я буду называть это явление «метеоритом» для удобства, хотя придерживаюсь мнения, что никакого метеорита не было. И в основном это явление так называют и в научной, и в ненаучной литературе – для простоты и определенности – всем сразу же понятно, о чем речь. Но давайте вспомним, что произошло в июне 1908 года в районе речки Подкаменной Тунгуски, на территории России. К счастью, район, где случилось это событие, очень мало населен.

Во-первых, за три дня до события небо по ночам стало непривычно светлым. В нем плавали какие-то необычные серебристые облака. Сумерки стали яркими, чего не случалось никогда раньше. До сих пор сохранились записи о свечении неба и серебристых облаках. То есть это можно считать научно установленным фактом. Также вокруг Солнца появился яркий светящийся круг. Сияющие облака и яркие сумерки отмечались не только в Западной Сибири, но и по всей европейской части России и в Европе. Утром 17 (30) июня по небу над территорией Западной Сибири и бассейна Енисея с юга на север (или с юго-востока на северо-запад – эти данные разнятся) пролетело странное светящееся тело.

Этот полет наблюдало множество людей. Крестьяне-поселенцы, местные жители-тунгусы, ссыльные, которых в этих местах было немало, проводили тело перепуганными взглядами. Православные говорили об Илье-пророке, пролетевшем по небу на своей железной колеснице, и о том, что нужно ждать конца света. Тунгусы вспоминали бога Агды и тоже считали, что скоро придет конец света. В дальнейшем тунгусы твердо придерживались своей версии о боге Агды и рассказывали о ней исследователям. По их верованиям, это огромная железная птица, извергающая огненные стрелы, чтобы покарать неправедников.

Полет светящегося тела сопровождался диким грохотом. Дымовой след отсутствовал. Цвет разные люди описывали как красный, желтый и белый

Светящееся тело скрылось за горизонтом, вскоре на севере раздался грохот. Считается, что взрыв произошел в воздухе, указываются цифры от 5 до 15 км от поверхности Земли. К счастью – над тайгой. Магнитная буря после взрыва продолжалась пять часов. Очевидцы говорили про огонь над лесом, жар, который ощущался на большом расстоянии; люди чувствовали дрожь земли, слышали звуки, будто стреляли из пушек, стук, будто с неба падают камни, ощущали горячий ветер. Отсветы взрыва были видны на расстоянии 700 км от места взрыва, в стратосферу было выброшено такое большое количество дыма и пыли, что солнечный свет резко потускнел. (Для примера: если бы подобное случилось в США, в Чикаго, то вспышка была бы видна в Теннесси, Пенсильвании и Торонто, а гром услышали бы и на восточном побережье, вплоть до Атланты.) Все последствия непонятной катастрофы исчезли только через два месяца после события.

Метеорит – твердое небесное тело, которое ворвалось в атмосферу Земли и упало на поверхность планеты. Как правило, метеориты – это железные или каменные тела, падающие из межпланетного пространства. На месте падения всегда находят осколки, состоящие из железа в свободном состоянии или различных соединений железа, кремния, кислорода, еще каких-то химических элементов, не встречающихся на Земле. За осколками охотятся не только ученые, астрологи, коллекционеры, знахари, целители, гадалки и предсказатели всех мастей – на этом можно неплохо заработать. Существует поверье, будто метеоритные осколки являются панацеей чуть ли не от всех болезней. А настоящая «метеоритная лихорадка» началась после заявления о том, что в метеоритах могут быть алмазы.

Некоторые ученые высказывают предположение о серии взрывов, а не одном точечном, так как есть расхождение с определением координат. Стекла в домах выбило в двухстах километрах от места взрыва. Деревья повалило на территории около 2000 квадратных километров. Взрывная волна была зафиксирована по всему миру

В Интернете можно найти таблицы с ценами на метеориты в США (они указаны в долларах за грамм и распределены по группам). При определении цены, кроме происхождения, состава и веса, учитывается доступность метеоритных осколков: есть те, которые встречаются «всегда и всюду», есть «когда как», есть «при хорошей удаче», а также «недоступные». Но цены на «недоступные» тоже указываются. В общем, если есть деньги, доступно все.

В основном цены на метеоритные осколки варьируются от 1 до 1 тыс. долларов за грамм. Но лунные, например, доходят до 160 тыс. долларов за грамм. На каждый вид метеоритных осколков приводится диапазон цен. Например, 150-граммовый кусочек (почему-то больше всего предлагается именно таких) может стоить несколько десятков тысяч долларов

Наиболее редко встречающиеся – марсианские осколки. Известно о падении на Землю четырнадцати метеоритов с Марса. Последний был обнаружен в Северной Африке, но ни один его кусочек не дошел до ученых.

Торговля метеоритными осколками в США превратилась в большой бизнес. Растет интерес к ним в Европе и Японии. За год стоимость поднялась на 200–300 %, что свидетельствует о выгодности вложения в «пришельцев». На Западе сегодня таких прибылей не дает ничто.

Метеоритные осколки продают на специальных аукционах, в антикварных магазинах, в магазинах, торгующих коллекционными камнями. Ведется торговля и через Интернет. Появились ювелиры, специализирующиеся на изготовлении изделий из метеоритных осколков и с кусочками метеоритов. Отдельным спросом пользуются куски необычной формы, со сквозными отверстиями, образовавшимися естественным путем. Уже предлагают услуги дилеры, занимающиеся только метеоритными осколками, консультанты и прочие специалисты, возникающие вокруг любого нового вида товаров, появившегося на рынке.

Соответственно, можно не сомневаться, что на месте падения Тунгусского метеорита все было исследовано сантиметр за сантиметром. Только по официальным данным почву вскопали на глубину 30 метров, однако никаких метеоритных осколков найдено не было. Они не всплыли нигде. В регионе нет ни одного камня, который мог бы быть осколком метеорита, все они относятся к местным геологическим образованиям. Нет «космических пришельцев»! Следовательно, и метеорита не было.

При падении метеоритов всегда образуется кратер, но в районе Тунгуски кратера нет. А ведь, судя по силе взрыва, должен был остаться глубокий след.

Взрывная волна повалила деревья даже в 200 километрах от эпицентра события. По повреждениям, нанесенным ударной волной, ученые выяснили мощность взрыва, которым сопровождалось так называемое падение метеорита. Она оценивается в 40–50 мегатонн, это мощнее самой мощной из взорванных водородных бомб.

Сейсмометры в некоторых частях нашей планеты зафиксировали землетрясение. За несколько секунд произошло высвобождение энергии, равной почти миллиарду джоулей – такое количество энергии потребляется на всей территории Великобритании всеми пользователями за один час. При этом огромные деревья лежали корнями к эпицентру взрыва, а в самом центре остались стоять, хотя и были опалены, лишились ветвей и хвои. То есть образовался круглый участок обгорелой тайги, а со всех его сторон – поваленные деревья, лежащие корнями к центру этого круга и уходящие во все стороны на много километров. Это подтверждает, что взрыв произошел на высоте. Кстати, даже сейчас, по прошествии века, в районе, где произошло описываемое событие, можно найти поваленные тогда деревья.

К сожалению, экспедиция к месту взрыва (не будем говорить «месту падения» метеорита) была организована не сразу. Место удаленное, труднодоступное. Падение метеорита, пусть даже большого, не является таким уж редким явлением, чтобы российские научные круги сильно взволновались, а меценаты и Российское Географическое общество раскошелились. Тогда еще речи про алмазы и метеоритолечение не шло. Потом началась Первая мировая война и стало не до метеорита. Потом в России случилась Октябрьская революция, Гражданская война. Первая экспедиция к месту падения отправилась только в 1921 году. Хотя многие свидетели события еще были живы, и члены экспедиции записали их показания. Во время крупной экспедиции 1927 года в почве было обнаружено повышенное содержание некоторых элементов, которые указывали на возможное космическое происхождение вещества гипотетического Тунгусского метеорита. Но в дальнейшем было указано, что торф, в котором найдены образцы вещества, не датирован 1908 годом, а следовательно, они могли там очутиться или раньше, или позже времени падения «Тунгусского метеорита».

Существует около двухсот гипотез, как серьезных и хорошо обоснованных, так и юмористических, однако ни одна из них, объясняющих все существенные особенности явления, так и не стала общепринятой. Они делятся на шесть больших групп: метеоритные, техногенные, синтетические, религиозные, геофизические и связанные с антиматерией.

Первоначальным объяснением было падение метеорита большой массы, скорее всего железного, потом стали высказываться предположения о рое метеоритов, или метеоритном потоке, и каменном астероиде. Но эту версию вскоре начали ставить под сомнение, поскольку, как говорилось выше, осколков найдено не было, и метеориты заранее не предупреждают о намерении упасть на Землю, а яркие сумерки и серебристые облака помнила масса людей. Также высказывалась версия о столкновении Земли с облаком космической пыли.

Следующей версией была комета. Такое предположение высказали почти одновременно английский астроном и геофизик Фрэнсис Джон Уиппл (1876–1943) и русский естествоиспытатель, основоположник комплекса наук о Земле (геохимии, биогеохимии, радиологии, гидрогеологии) Владимир Вернадский (1863–1945). Это объяснение приняли многие астрономы по всему миру и большинство русских специалистов. Противники теории говорили: кометное вещество представляет собой очень неплотную структуру, состоящую преимущественно изо льда, и должно было практически полностью рассыпаться и сгореть при входе в атмосферу.

Соответственно, никакого взрыва на Земле или недалеко от поверхности Земли быть не могло. Сторонники же говорили, что комета состояла из льда, снега и грязи – именно поэтому до сих пор не найдено ни одного фрагмента «метеорита». Это была огромная снежная глыба – весом в миллионы тонн – которая на страшной скорости влетела в атмосферу. Она сумела войти, но долететь до самой поверхности Земли не смогла. Эта глыба разогрелась до нескольких тысяч градусов и взорвалась на высоте 5–7 километров. В дальнейшем были названы несколько комет, которые могли врезаться в Землю, например, говорилось об осколке кометы Галлея или кометы Энке – Баклунда. В пользу «кометной» гипотезы свидетельствует наблюдавшееся свечение неба. Комета, в отличие от метеорита, может «оповещать» о своем приближении. И те облака, и зарево, о которых говорили очевидцы, как раз типичны для комет. Сторонниками версии кометы Энке, в частности, были сотрудник Комитета по метеоритам Академии наук СССР Игорь Зоткин и чешский астроном Любор Кресак.

Те, кого не удовлетворяли гипотезы о естественных причинах феномена, стали высказывать предположения о его искусственном происхождении. Например, многие свидетели решили, что в возобновившейся войне японцы применили какое-то небывалое оружие, разработанное в секретных лабораториях. Правда, никто из сторонников этой версии не мог внятно объяснить, почему японцы ударили по безлюдной тайге.

После первых испытаний ядерного оружия появилась гипотеза о том, что русские в своих секретных лабораториях разработали атомную бомбу еще в начале ХХ века и провели первое испытание в тайге, вдали от всякого жилья. Бомбу к месту взрыва якобы доставили на дирижабле. Наверное, случись подобное в наши дни на том же месте, рукотворный ядерный взрыв стал бы версией номер один, но в 1908 году ядерной физики как науки еще не существовало.

Россияне доказывали, что лес в тайге повален не баллистической ударной волной, связанной с движением некоего тела в атмосфере, а именно взрывом. Об этом говорил основоположник советской уфологии Алексей Золотов. После окончания Второй мировой войны русский писатель-фантаст Александр Казанцев высказал предположение, что в районе Подкаменной Тунгуски потерпел крушение инопланетный корабль. Эта версия стала очень популярной, ее подхватили писатели-фантасты, а также средства массовой информации, вещающие об НЛО и космических пришельцах, об этой версии не забывают до сих пор. Также было высказано предположение о лазерном сигнале инопланетян, отправленном на Землю, указывался даже «адрес отправителя». Говорилось и о рукотворной катастрофе, устроенной пришельцами, и о засылке на Землю «информационных контейнеров», которые земляне еще не могут расшифровать, но когда земная цивилизация достигнет должного уровня развития, содержимое «контейнеров» станет доступно человечеству.

Версию об антиматерии (то есть о том, что «Тунгусский метеорит» состоял из антиматерии) первым высказал американский ученый Линкольн Ла-Пас в 1948 году, а в 1965 году подробно разработал американский физик и химик Уиллард Фрэнк Либби (1908–1980), который создал метод радиоуглеродного датирования и был удостоен Нобелевской премии в 1960 году. Он считал, что большой сгусток антиматерии, которой являлся «Тунгусский метеорит», по непонятным причинам прилетел из космоса, соприкоснулся с материей земной атмосферы, в результате чего произошла аннигиляция (то есть материя и антиматерия, соединившись вместе, превратились в энергию, не оставив никаких осколков и вообще никаких следов – даже ядер атомов).

Версию об антиматерии поддержал российский ученый Борис Константинов (1910–1969), физик и вице-президент Академии Наук СССР, который руководил в СССР работами по промышленному разделению изотопов и по диагностике плазмы. Константинов заявил о том, что из антивещества может состоять комета. То есть в его версии соединились две: антиматерия прилетела на Землю как комета.

Также высказывались мнения о тепловом взрыве – Тунгусский взрыв объяснялся переходом кинетической энергии в тепловую при торможении какого-то космического тела в атмосфере. Версия теплового взрыва имеет и забавную вариацию. Вероятно, автора версии доконали таежные москиты, и он заявил, что в эпицентре взрыва собралось гигантское количество комаров, произошло их самовозгорание (причина самовозгорания не называлась), в результате произошел мощный тепловой взрыв, который и привел к известным последствиям. А еще Тунгусский метеорит называли разновидностью шаровой молнии.

С 1962 года Академия наук СССР прекратила финансировать экспедиции к месту падения метеорита (большинство советских ученых придерживалось «кометной» версии). Что ж, людям повезло: что бы это ни было, оно взорвалось над безлюдной тайгой. Еще четыре часа – и «метеорит» стал бы называться Петербургским. Российскую столицу смело бы с лица Земли.

Но каким образом антиматерия прилетела на Землю (если мы примем версию, что «Тунгусский метеорит» – это столкновение антиматерии с материей)? Это был просто кусок незнамо чего, который прошел все слои атмосферы и упал в тайге? Учтите, что взрыв одной миллионной грамма антиматерии соответствует взрыву 38 кг тротила. То есть прилетело очень небольшое количество (это для людей взрыв был ужасающим, а с точки зрения возможностей антиматерии он был очень слабым). Вариантов прибытия к нам незваной гостьи два: комета и корабль пришельцев.

Корабль пришельцев не является такой уж фантастической версией, хотя в свое время ученые посмеивались над писателями-фантастами. На корабле могла произойти утечка топлива, и топливом могла быть только антиматерия (современные ученые подсчитали, что всего 17 г антиматерии достаточно, чтобы корабль с Земли долетел до звезды Альфа Центавра, то есть преодолел расстояние в 4,3 световых года, или в почти триста тысяч раз больше, чем от Земли до Солнца). Давайте допустим, что наши братья по разуму имеют гораздо более совершенную технику и технологии, чем мы. При контакте антиматерии с материей уничтожаются и та, и другая – происходит взрыв и высвобождение энергии. Поскольку уничтожение полное, от корабля пришельцев и самих пришельцев ничего не осталось. Эту версию в последние годы рассматривают серьезные ученые, в частности ее изучали представители НАСА (Национальное Управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США).

Но инопланетный корабль не объясняет странные природные явления, которые происходили до падения «метеорита». Хотя наши братья по разуму могли таким образом подавать нам сигналы. Или это просто совпадение.

Другая версия – антиматерия прилетела на Землю в составе кометы, о чем говорил русский ученый Константинов, как мы упоминали выше. Кометы, возможно, являются самыми старыми обитателями Солнечной системы. Земля и другие планеты путешествуют вокруг Солнца по своим орбитам, отделенным друг от друга огромными расстояниями. Они идут этими совершенно определенными путями, на одной скорости, но время от времени сталкиваются с кометами, кусками мертвых комет и астероидов, и еще каким-то космическим мусором. Кометы состоят из замерзших газов, частиц пыли или песка, снега, льда. Единого состава у комет нет.

Персеиды – это метеорный поток, который наблюдается с 17 июля по 24 августа, максимум приходится на 12 августа. В этот период Земля проходит через шлейф пылевых частиц, выпущенных кометой Свифта – Туттля. Интенсивность метеорного потока постепенно растет, достигает пика и постепенно падает. Число метеоров обычно достигает 60 в час

Кометами называют тела Солнечной системы, которые движутся по сильно вытянутым орбитам и выглядят как слабо светящиеся пятнышки овальной формы, состоят они из головы и хвоста. Куски мертвых комет, как и куски астероидов, не имеют определенной орбиты. Считается, что большинство комет большую часть жизни проводят в пространстве за Плутоном, в той части космоса, где мы их не видим и не догадываемся об их существовании. Если комета устремляется к Солнцу, то его жар растапливает лед. Выбрасываемые в космос газы и пыль отражают солнечный свет, и именно это мы видим в телескопы, а иногда и невооруженным глазом. Но в комете также могут содержаться породы, достигающие полутора километров в диаметре.

Мы обязаны кометам в частности метеорными потоками. Фрагменты комет формируют кольца из пород, большая часть которых находится между Марсом и Юпитером, но далеко не все. Некоторые протянулись вокруг Солнца, постоянно находятся там, и Земле приходится проходить сквозь них во время своего годового пути по орбите. Эти куски космического мусора сгорают в нашей атмосфере – тогда и наблюдается метеорный поток, или звездный дождь. Мы наблюдаем Леониды в период с 14 по 21 ноября, максимум действия этого метеорного потока приходится на 17–18 ноября. Леониды – самый известный метеорный поток. Он известен с древних времен. Самым ранним историческим свидетельством об этом метеорном потоке является его описание, сделанное в 901 году в Александрии. Родоначальницей потока является комета Темпеля – Туттля. Леониды иногда проливаются метеорным дождем, это было в 1901, 1934, 1966 и 1999 годах. В среднем в час бывает не больше 40 метеоров. Метеоры из Леонид очень быстрые и белые. Скорость этих метеоров составляет около 71 км/ч.

Периодически на Землю падают обломки астероидов, в атмосферу врываются остатки мертвых комет, большинство падений этих тел проходят незамеченными. Однако раз в миллион лет (а, может, и чаще) прилетает настоящий монстр. Например, ряд ученых считает, что динозавры исчезли 65 млн лет назад из-за столкновения Земли с гигантским астероидом. Он прилетел со скоростью 40 км/с, пробил атмосферу, взорвался и рухнул у северной оконечности современного полуострова Юкатан. Размерами он был с Манхэттен. По всей планете можно найти огромные кратеры, диаметры которых превышают километр. Один из самых известных находится в Аризоне – его диаметр превышает 1,5 км, а окружность – 3 км. Он появился тридцать тысяч лет назад.

Но, как мы уже говорили, «Тунгусский метеорит» не оставил никакого кратера, никаких кусков метеорита или астероида, пришельцы из внеземного пространства испарились, растворились в воздухе, не оставив после себя ни следа (мы не говорим про поваленный лес, ведь это не след, а следствие).

Антиматерия встретилась с материей – и случилось то, что случилось. Приближение кометы или части кометы могло сопровождаться природными явлениями, которые описывали свидетели. Даже мог быть описанный выше метеорный поток, который жителям сибирских деревень раньше видеть не доводилось. Взрыв в результате встречи материи с антиматерией должен был случиться и сопровождаться вспышкой, которую видели в России и Западной Европе.

Многие уважаемые ученые по всему миру придерживаются версии: «Тунгусским метеоритом» была комета, а в ней содержалась антиматерия, пусть в ничтожном количестве. Но много и не надо!

Высвобождение энергии

Эта книга посвящена антиматерии, и, как уже говорилось выше, я придерживаюсь именно этой гипотезы, объясняющей феномен «Тунгусского метеорита». В таком случае мы можем рассматривать это событие как свидетельство латентной мощи антиматерии. Если считать сгусток материи топливом, то антиматерия будет той искрой, которая высвобождает ее энергию, причем получится лучший природный способ высвобождения энергии.

В рассказе о Большом взрыве упоминалось, что при формировании материи огромные количества энергии были заморожены, или пойманы в ловушку в частицах, которые составили атомы, из которых, в свою очередь, состоит все на Земле. Химические и ядерные реакции включают перераспределение и переформирование этих частиц таким образом, чтобы высвобождалась часть их внутренней энергии, но даже в результате самых сильных взрывов фактически высвобождается очень малое количество этой энергии – в сравнении с количеством замороженной, или запертой, в материи при ее рождении миллиарды лет тому назад.

Живые существа представляют собой химические заводы, высвобождающие энергию от реакций, в которые вступают углерод, кислород и другие элементы, из которых состоят все живые организмы. Наши тела высвобождают энергию, в результате взрыва тоже высвобождается энергия. Это разные количества, и количества в частности зависят от так называемых шкал времени. То есть наши тела высвобождают энергию постепенно, в виде тепла, поддерживая температуру тела, равную 36,6 °C (если человек здоров). Реакции идут быстрее, если организму приходится бороться с вирусами, когда человека лихорадит и у него поднимается температура. По сути химический взрыв ничем не отличается от того, что происходит в наших телах и других живых организмах, только в этом случае все идет гораздо быстрее. Предположим, вы сытно пообедали – и теперь энергии вам хватит на несколько часов, но если «шкалу времени» сжать, чтобы высвободить это количество энергии за долю секунды, а не за несколько часов, то произойдет взрыв.

Даже в случае реакции ядерного синтеза, например водородной бомбы, которая дает один из самых мощных известных взрывов, используется примерно один процент всей энергии, заключенной в материи

В результате взрыва ракеты, реактивного снаряда, даже самого сильного химического взрыва, который возможен практически, высвобождается, как мы уже сказали, лишь малая часть энергии, замороженной, или запертой, в атомах (хотя такой взрыв может быть ужасен для человека). Большая часть энергии атома находится в его ядре, а когда зажигается ядерная искра, мы получаем мощность взрыва, равную тому, что случилось в Хиросиме и Нагасаки. В сравнении с этим химические взрывы кажутся ничтожными. Тем не менее даже в этом случае высвобождается только тысячная (или гораздо меньшая) часть энергии.

Чтобы высвободить всю энергию, нужен обратный процесс – противоположный тому, в результате которого энергия была заморожена, или поймана в ловушку, в материи миллиарды лет тому назад.

Даже в случае реакции ядерного синтеза, например водородной бомбы, которая дает один из самых мощных известных взрывов, используется примерно один процент всей энергии, заключенной в материи.

И это может сделать антиматерия. Аннигиляция килограмма антиматерии даст примерно в десять миллиардов раз больше энергии, чем высвобождается при взрыве одного килограмма тротила. При аннигиляции антиматерии высвобождается вся энергия, то есть в сто раз больше, чем при ядерном синтезе водородной бомбы. Вот в этом и заключается привлекательность антиматерии для научной фантастики, авторы которой предлагают использовать ее в качестве исключительно эффективного топлива для космических кораблей. Но она реальна, и похоже, что военные в самом деле разрабатывают оружие с использованием антиматерии. Например, над этим вопросом совершенно точно думали не только научные фантасты, но и серьезные ученые и исследователи из НАСА в США. В НАСА ведется работа по нескольким соответствующим исследовательским программам, что стало достоянием общественности. Если они окажутся успешными, то последствия высвобождения энергии могут быть ужасающими и привести к уничтожению жизни на Земле.

В октябре 2004 года в газете «Сан-Франциско Хроникл» была опубликована статья о том, что американские военные тратят миллионы долларов на исследование способов использования радикального источника энергии – антиматерии, или таинственного «зеркала» обычной материи, – в оружии будущего. Новость быстро распространилась по всему миру, и были высказаны предположения, что ученые не только в США работают над оружием, которое будет использовать антиматерию. Подумайте об этом, учитывая, что в Хиросиме была высвобождена лишь одна тысячная (или меньшая) доля того, что теоретически может быть высвобождено.

Но где факт, а где выдумка? Можно ли реально использовать антиматерию в виде топлива? И в составе оружия? Мы постараемся отделить правду от вымысла и рассказать, что же все-таки реально сделать с антиматерией.

Интерес военных к антиматерии

Упомянутая выше статья в «Сан-Франциско Хроникл» появилась после выступления Кеннета Эдвардса, руководителя подразделения «Революционные боеприпасы», в марте 2004 года на конференции в институте Передовых концепций НАСА в Вашингтоне с докладом о возможных путях практического применения антиматерии, а именно позитронов, в военных целях. Подразделение, которое возглавляет Эдвардс, было создано на базе ВВС США «Энглин» в штате Флорида. Оно занимается проблемами использования антиматерии в военных целях.

Выяснилось, что исследования антиматерии как практически неисчерпаемого источника энергии идут уже тридцать лет. Несомненно, Эдвардс хорошо разбирается в теме и находится под сильным впечатлением от потенциала антиматерии. Он в частности заявил, что даже крошечные количества антиматерии, которые невозможно рассмотреть невооруженным глазом, могут быть разрушительными. По его словам, у позитронной бомбы имеется целый ряд преимуществ в сравнении с ядерным и термоядерным оружием. Во-первых, количество энергии, выделяющейся при аннигиляции, больше, чем в ходе ядерной или термоядерной реакции. Например, 50 миллионных грамма позитронов содержат столько же энергии, сколько 4000 фунтов тротила. Их было бы достаточно для взрыва, который прогремел в Оклахома-Сити в 1995 году.

Девятиэтажное здание в Оклахома-Сити практически полностью уничтожено взрывом, эквивалентным 1800 килограммам тротила, погибли 168 человек, свыше 500 были ранены

Во-вторых, взрыв позитронной бомбы не оставляет радиоактивных продуктов, которые будут разлагаться в течение десятков или даже сотен лет. Это представлялось как безопасное для окружающей среды свойство такого оружия. Интересно, для кого? Для тех, кто думает его использовать, а потом прийти на ту землю, которая подверглась атаке? Хотя Кеннет Эдвардс заявил, что не исключается и создание комбинированных боеприпасов, использующих антиматерию наряду с обычным ядерным зарядом. Также прозвучала информация, будто бы первичный продукт аннигиляции позитронов и электронов представляет собой невидимую, но очень опасную гамма-радиацию, которая «может убить большое количество солдат, не затронув гражданское население». Более подробного объяснения механизма подобного действия не прозвучало.

Правда, работы над позитронным оружием еще очень далеки от завершения. Расчеты, сделанные учеными из НАСА, работающими в Кливленде, показали, что для получения одного миллиграмма антиматерии сейчас потребовалось бы около ста миллиардов долларов – слишком дорого, чтобы этот проект был интересен с коммерческой точки зрения. Хотя Эдвардс считает, что позитроны в достаточных количествах можно было бы получать на ускорителе элементарных частиц в «Фермилаб» и на линейных ускорителях в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе и в Стэнфордском университете.

Кроме производства существует проблема безопасного хранения позитронов. Ее необходимо решить – иначе об их практическом применении не может быть речи. Для этого требуется надежная изоляция античастиц от обычных частиц (обычной материи), при столкновении с которыми античастицы аннигилируют. В настоящее время для хранения античастиц используются так называемые ловушки Пеннинга, о которых мы подробнее расскажем ниже. В них частицы удерживаются от столкновения со стенками ловушки с помощью магнитного поля. Однако, поскольку позитроны заряжены одинаково и отталкиваются друг от друга, со временем все они вырываются из магнитного поля и благополучно исчезают, сталкиваясь с обычной материей.

Решением вопроса хранения позитронов занимается компания Positronics Research LLC, ею руководит бывший профессор Пенсильванского университета Джеральд Смит, к которому мы вернемся в конце книги. Кроме ловушек Пеннинга ученые предложили использовать для хранения позитронов и квазистабильные образования – позитронии. Позитроний представляет собой систему из вращающихся друг вокруг друга позитрона и электрона, которые удерживаются от столкновения электромагнитными полями. После этого открытия фирма получила от военного ведомства США 3,7 миллиона долларов на дальнейшие исследования.

Военные совместно с учеными работают и над другими проектами. Можно упомянуть «Высокоэффективную ловушку антиматерии» (HiPAT – High Performance Antimater Trap), над которой ведется работа в Центре космических полетов имени Маршалла, который входит в состав НАСА. В этом проекте участвуют и ВВС США.

Идет работа и над изучением использования антиматерии для производства различных двигателей, в этом также принимают участие военные. Например, американская компания Hbar Technologies, которая работает над двигателями для космических аппаратов, получает существенную поддержку от НАСА и, в частности, разрабатывает двигатель на основе антиматерии для космического корабля. В случае успешного решения вопроса такой двигатель позволит космическим кораблям летать на большие расстояния и на гораздо большей скорости, чем сейчас. Например, именно по расчетам Hbar Technologies, 17 граммов антиматерии достаточно, чтобы космический корабль за 40 лет долетел до звезды Альфа Центавра, о чем мы уже упоминали выше. Кеннет Эдвардс на мартовской конференции в Вашингтоне заявил, что такой двигатель можно было бы построить в течение пятнадцати лет за два миллиарда долларов.

Проект космического корабля VARIES (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System) – межзвездного транспортного средства, приводимого в действие антиматерией: энергия от солнечных батарей приводит в действие супермощный лазер, луч которого разбивает пространство и время, что приводит к спонтанному возникновению материи и антиматерии. Собирая антиматерию в ловушки, корабль находится возле звезды до тех пор, пока топлива не будет достаточно для перелета

Одного выступления Кеннета Эдвардса достаточно, чтобы предположить: американские специалисты накопили достаточно информации для перехода от теории к практике. У журналистов «Сан-Франциско Хроникл» возникло много вопросов, которые они хотели задать и Эдвардсу, и другим, но представители ВВС США больше ни словом не обмолвились об исследованиях в области антиматерии. Вероятно, военное ведомство США не просто так наложило запрет на публикацию материалов об исследованиях в области антиматерии. Не исключено, что через пару десятков лет научная фантастика типа «Звездных войн» будет смотреться как детская забава. А ведь когда-то фантастикой казалось деление атома.

Вообще Вооруженные силы США славятся исследованиями и разработками странных или кажущихся странными и эксцентричными идей. Кажется, что военное ведомство США работает по принципу «Если это вообще возможно, то пусть это сделаем мы». Правительство США в свое время выделило огромные деньги на разработки радаров, атомной бомбы, поддержало развитие радиоастрономии, ядерной физики и физики элементарных частиц. Мотивы в 1950-е годы едва ли можно назвать чистыми и благородными. Представители и правительства США, и военного ведомства видели, какую мощь смогла высвободить наука из атомного ядра. «Холодная война» очень способствовала выделению средств на самые безумные (пусть на первый взгляд) идеи из сферы науки и технологий. Делалось все, чтобы только Советский Союз, в котором на похожие проекты тоже тратились огромные суммы, не стал первым, кто совершит следующий прорыв или изобретет нечто ошеломляющее. И в самом деле было выдвинуто много очень толковых и практически осуществимых идей, многие были доведены «до ума».

В последние годы ВВС США подключили к своим разработкам талантливых студентов, в частности для разработки непилотируемого микросамолета-истребителя на основе антиматерии, он должен использовать энергию от аннигиляции антиматерии. Правда, пока никаких практических результатов не появилось.

Но американские военные (или задействованные ими ученые, или все вместе) также занимаются исследованием телепатии, телекинеза, психокинеза и антигравитации. Точно известно, что ВВС США проверяли возможность применения в военных целях телепортации и психокинеза и заплатили 25 тысяч долларов за исследование, которое провел физик Эрик Дэвис из компании Warp Drive Metrics, которая базируется в Лас-Вегасе. В ближайшие пять лет планируется выделить еще 7,5 миллиона долларов на продолжение этих исследований.

По заявлениям Дэвиса, телепортация теоретически возможна. Если возможность телепортации будет подтверждена, это будет иметь громадное значение для военных, спецслужб и просто для коммерческого применения. Правда, многие специалисты не считают Дэвиса серьезным исследователем, а увлеченность ВВС США подобной тематикой вызывает удивление научного мира. В ответ на это американские военные говорят: «Нельзя узнать, что под камнем ничего нет, не перевернув его».

Источники энергии на основе антиматерии и оружие на основе антиматерии очень хорошо встают в этот ряд. Мы можем сравнить имеющуюся сегодня информацию об антиматерии со знаниями о делении ядра в 1939 году, которые привели к последующей разработке атомной бомбы. Точно так же прикладная наука и инженерное искусство могут использоваться и в этом случае. Успешное производство ядерного оружия подтвердило правильность подхода американских стратегов – «Пусть это сделаем мы». Так что, похоже, следующим будет оружие на основе антиматерии. Или все-таки нет?

Природная антиматерия

Как уже говорилось, антиматерия в нашей Вселенной не встречается, по крайней мере, в каких-то значительных количествах. Тем не менее природные процессы дают самый простой ее пример, позитрон, зеркало электрона в антимире.

Слово «позитрон» происходит от английского positive – «положительный». Название предложил открывший его американский физик Карл Андерсон. Позитрон имеет электрический заряд +1 и массу, равную массе электрона. Позитрон стал первой открытой античастицей и является античастицей электрона. Электрон, самая легкая электрически заряженная частица, встречается в атомах всей материи, а позитрон, в свою очередь, является необходимой составляющей антиатомов антиматерии. В нашем мире много радиоактивных элементов, ядра их атомов спонтанно выделяют энергию, когда составляющие их части каким-то образом перестраиваются для формирования, например, более стабильных соединений. Атомные ядра некоторых элементов известны как «эмиттеры позитронов». В таком случае мы говорим об радиоактивном распаде или позитронной эмиссии. Позитрон в таком атоме не существует заранее (как собачий лай не существует внутри собаки), его создает высвобождаемая энергия.

Позитроны также возникают в результате процесса, который называется «рождением пар» – в этом случае фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электронно-позитронных пар в сильном электрическом поле.

Карл Андерсон открыл позитрон с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, хотя первым высказал предположение о существовании позитрона Поль Дирак. Дирак описал электрон с отрицательным электрическим зарядом и аналогичную частицу с положительным зарядом. Открытие позитрона стало триумфом его теории.

В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия. Дирак считал возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано в дальнейшем. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.

Андерсон наблюдал космическое излучение и сделал открытие в 1932 году. Он сфотографировал следы (треки) частиц, которые очень напоминали следы электронов, но под действием магнитного поля отклонялись в противоположную сторону по сравнению со следами, оставляемыми электронами. Это свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства вновь открытой частицы подтвердили теорию электрона Дирака. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам Дирака, теория которого после открытия позитрона могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц. Стали проводиться дальнейшие исследования уже других частиц, они оказались необычайно плодотворными, и в настоящее время парная природа элементарных частиц (частица и античастица) является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.

Позитрон вылетает из атома и живет столько, сколько ему удается избегать встречи с электроном. Поскольку наш мир состоит из атомов, все из которых включают электроны, позитрон вскоре сталкивается с каким-то электроном, и они оба исчезают во вспышке гамма-лучей, которая происходит за пределами видимого нами спектра. Однако есть специальная аппаратура, способная увидеть эти лучи. Например, они используются в медицине при проведении позитронно-эмиссионной томографии (или ПЭТ), о которой мы расскажем ниже. То есть если антиматерия в целом является разрушителем, в случае ее обуздания и управления ею она может парадоксально спасать жизни.

Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришел к выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно

Если говорить о больших масштабах, то можно сказать, что природа создает позитроны в самом сердце нашего Солнца. Солнечный свет, который мы видим сегодня, – это частично результат работы позитронов, которые были созданы в центре Солнца примерно 100 000 лет назад и практически сразу же аннигилированы.

Солнце по большей части – это водород, простейший элемент. В центре температура превышает 10 миллионов градусов, атомы водорода распадаются на составляющие части, электроны и протоны, которые вращаются и роятся независимо друг от друга и в беспорядке, протоны время от времени сталкиваются, а после ряда процессов соединяются, в конце концов получается гелий, следующий простейший элемент. Гелий – это пепел от реакции ядерного синтеза, масса у него меньше, чем у протонов, которые использовались для его создания. Потеря массы превращается в энергию, которая в конечном счете является энергией, выходящей в виде солнечного света. Причем здесь позитроны? Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. При подходящих обстоятельствах протон может измениться в нейтрон и выпустить энергию, часть из которой материализуется как позитрон. Это подобно тому, что происходит в позитронно-эмиссионных аппаратах, используемых в земной медицине.

Позитрон оказывается в центре Солнца, где много электронов, и мгновенно уничтожается, превращаясь в гамма-лучи. Эти лучи пытаются уйти прочь со скоростью света, но им мешают многочисленные заряженные частицы, электроны и протоны, из которых состоит звезда. Эти гамма-лучи получают удары с одной и другой стороны, их снова и снова поглощают электроны; затем они эмитируются с меньшим количеством энергии, чем в предыдущий раз, и этим гамма-лучам требуется сто тысяч лет для достижения поверхности Земли. За это время лучи теряют много энергии и меняются, превращаясь из рентгеновских в ультрафиолетовые и наконец приобретают цвета, видимые нашему глазу. Таким образом получается, что дневной свет – это результат производства антиматерии в центре Солнца и частично ее аннигиляции.

Это не история из прошлого антиматерии, процесс производства позитронов на Солнце идет дальше, и идет именно в мгновение, когда вы читаете эту строку, а аннигиляция происходит быстрее, чем вы успеете дочитать предложение до конца. Гамма-лучи, которые получились минуту назад, уже пробираются наверх из центра звезды, чтобы в конце концов выйти на поверхность и осветить Землю через тысячу столетий.

Как мы увидим дальше, антиматерия в форме позитронов встречается чаще, чем подозревают многие. Она используется в медицине, науке, есть много технологий, в которых она участвует. Она сконцентрирована в лучах, направляемых электрическими и магнитными полями, эти лучи ударяются в материю, в результате получается вспышка энергии, которая воспроизводит в малом масштабе условия, которые имели место во всей Вселенной в первый момент после Большого взрыва. Так что антиматерия еще и позволяет нам узнать, что происходило в самом начале – как шло сотворение мира.

Материальный мир

Если бы вам каким-то образом удалось увидеть кусок антиматерии, то вы бы не поняли, что это. Внешне антиматерия никак не отличается от материи, но способность уничтожать все, к чему она прикасается, делает ее настоящим «внутренним врагом». Так что же это? Мы говорим, что это – противоположность материи, но что в ней «противоположного»? Что дает антиматерии силу уничтожать все, с чем она вступает в контакт, даже очень краткосрочный?

Чтобы начать понимать антиматерию, нам, во-первых, нужно поговорить о материи или «провести экскурсию» в материю, то есть в нас самих. Наши личные свойства закодированы в наших ДНК, миниатюрных спиралях, состоящих из сложных молекул. Эти молекулы в свою очередь состоят из атомов, которые являются мельчайшими частями элементов, например углерода, водорода или железа, и могут существовать и сохранять свойства элемента.

Атомы водорода самые легкие из всех, они склонны подниматься к высшим слоям атмосферы и исчезать, или «сбегать». По этой причине водород относительно редко встречается на Земле, в то время как во Вселенной это самый часто встречающийся элемент.

Большая часть водорода сформировалась вскоре после Большого взрыва, то есть ему почти четырнадцать миллиардов лет.

Вселенная (в % от числа атомов)

Огромные скопления водорода дают свет, например это звезды и наше Солнце. А в звездах, в свою очередь, производятся самые разнообразные элементы. Почти все атомы кислорода, которые мы вдыхаем, углерода в нашей коже и типографской краске на этой странице были произведены в звездах примерно пять миллиардов лет назад, когда начала формироваться Земля. Так что мы все являемся звездной пылью, или ядерными отходами, потому что звезды также можно назвать ядерными печами, в которых главным видом топлива является водород, звездный свет является производимой звездами энергией, а разнообразные элементы – это остающийся «пепел».

Чтобы понять, насколько малы атомы, взгляните на точку в конце этого предложения. В ней содержится 100 миллиардов атомов углерода, это количество значительно больше, чем количество всех когда-то живших на Земле людей. Чтобы увидеть какие-то отдельные атомы невооруженным глазом, точку нужно увеличить до 100 метров.

Элементарные атомы углерода могут соединяться различными формами, в результате получаются алмазы, графит, сажа, уголь. Антиматерия также состоит из молекул и атомов. Атомы антиуглерода могут дать антиалмаз, причем такой же красивый и твердый, как алмаз. Антисажа будет такая же черная, как сажа, а антикнига будет такой же, как книга, которую вы держите в руках. Точки в антикниге тоже потребуется увеличивать до 100 метров, чтобы рассмотреть атомы антиуглерода. Если бы мы могли это сделать, то увидели бы, что эти мельчайшие частицы антиуглерода невозможно отличить от мельчайших частиц углерода. Так что даже на базовом уровне атомов материя и антиматерия выглядят одинаково. Источник их отличия и контраста находится внутри.

Атомы очень маленькие, но они не являются самыми маленькими вещами из известных. Если мы попадем внутрь атомов, то увидим, из чего они сделаны – и именно там, внутри и раскрывается разница между материей и антиматерией.

Каждый атом содержит лабиринт внутренней структуры. В центре находится ядро, в котором заключена основная масса атома. Если точку, напечатанную типографской краской в этой книге, нужно увеличить до 100 метров, чтобы увидеть атом, то если вы хотите увидеть атомное ядро, нужно увеличить ее до 10 000 километров. Это расстояние от одного полюса Земли до другого. То же самое можно сказать и про антиточки и антиатомы. И только если рассматривать их в таких мельчайших деталях, начинает вырисовываться различие между материей и антиматерией.

Если проследить глубокую связь пространства и времени и теорию относительности Эйнштейна с обманчивым и эфемерным миром неопределенности, который правит бал внутри атомов, то всплывает поразительная вещь: природа не может работать только с базовыми частицами материи, которые мы знаем. Для каждой субатомной частицы природа вынуждена создавать и отрицательный образ, зеркальное отражение, каждое из которых следует тем же строгим законам, что и обычные частицы. Знакомые нам частицы строят атомы и материю, а их противоположные версии точно так же создают структуры, которые, на первый взгляд, кажутся такими же, как нормальная, обычная материя, но фундаментально от нее отличаются.

Внутри атомов находятся вращающиеся электрические токи, мощные магнитные поля и электрические силы, которые что-то притягивают, а что-то отталкивают. Внутри атомов антиматерии эти токи, поля и силы также присутствуют, но их полярность меняется на противоположную: северные полюса становятся южными, а положительные заряды – отрицательными. Представьте нашу точку из книги и антиточку увеличенными до 100 метров, чтобы увидеть их отдельные атомы и антиатомы. Если поднести крошечный магнит к краям атома, а потом антиатома, то будет видно, что легкое отклонение влево в случае атома становится зеркальным отражением этого отклонения – вправо – у антиатома. Если что-то притягивается атомом, это будет отталкиваться антиатомом; если же атом что-то отвергал, то антиатом начнет его всасывать, а там, где раньше было безопасно, начинается аннигиляция.

Источником этих сил служит атомное ядро, которое электрически заряжено. У магнитов есть северный и южный полюса, что позволяет им притягивать и отталкивать друг друга, точно так же дело обстоит и с электрическими зарядами: одинаковые заряды отталкивают, а противоположные притягивают друг друга. В случае нормальной материи у атомного ядра положительный заряд. Электроны, крошечные легкие частички, которые находятся у внешних краев атомов, заряжены отрицательно. Атом простейшего элемента, водорода, состоит из одного электрона, который на некотором удалении вращается вокруг находящегося в центре ядра, которое в свою очередь состоит из одного протона.

Именно взаимное притяжение противоположных электрических зарядов заставляет отрицательно заряженные электроны вращаться по кругу вокруг положительно заряженного центрального ядра. Именно эти электрические и магнитные силы, которые работают глубоко внутри атомов, обеспечивают щупальца, с помощью которых молекулы и макроскопические структуры – кристаллы ткани, камни и живые существа – формируются и удерживаются, то есть являются единым целым.

Сила тяжести – это то, что правит галактиками, планетами и падающими яблоками, благодаря ей мы стоим ногами на Земле. Однако именно электрические и магнитные силы дают нам форму и строение. Они гораздо мощнее силы тяжести, но в материи притяжение и отталкивание положительных и отрицательных зарядов склонно уравновешивать друг друга, и остается одна доминирующая сила тяжести. Таким образом получается, что, хотя мощные электрические силы работают глубоко внутри атомов нашего тела, мы не особо их осознаем и сами не являемся электрически заряженными.

Тем не менее есть много подсказок, помогающих понять это внутреннее строение, которое проявляется в ситуациях, когда действие положительных и отрицательных зарядов не отменяется. Если электрический заряд не уравновешен, то появляются искры, примером может служить молния. Магнит может притянуть кусок металла, преодолевая силу тяжести и притяжение Земли, которая тянет вниз. Если говорить о больших масштабах, то электрические заряды в земном ядре превращают всю нашу планету в огромный магнит, что проявляется, когда маленькая стрелка компаса работает в соответствии с магнитным полем Земли, указывая на северный и южный магнитные полюсы.

Все это было уже известно в 1928 году, когда началась история антиматерии. Атомы – такие, как их понимали Поль Дирак, Карл Андерсон и Роберт Милликен, – стали главными игроками в первом акте саги об антиматерии. Они состояли из массивных протонов, положительные электрические заряды которых захватывали в ловушку отрицательно заряженные легкие электроны и устраивали с ними космический танец. Вооруженные этими знаниями, мы можем оценить идею антиматерии.

Для законов электричества и магнетизма, которые лежат в основе существования материи, не имеет значения, какие образцы материи несут отрицательный заряд, а какие – положительный. Если мы в какой-то ситуации заменили бы все положительные заряды на отрицательные, а отрицательные на положительные, то все получившиеся в результате силы были бы точно теми же, а построения, которые у них получаются, тоже не изменились бы. То есть, если представить, что все отрицательно заряженные электроны станут положительными, а протоны отрицательными, то внешне ничего не изменится.

Но мы уже знаем, что смена зарядов превращает то, что мы называем материей, в то, что мы называем антиматерией. Антиатом антиводорода будет состоять из антипротона с положительно заряженным позитроном у внешнего края. Поль Дирак, который первым предсказал существование такого зеркального образа материи, говорил об этой загадке в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году. Например, он считал случайностью то, что на Земле и, предположительно, во всей нашей Солнечной системе электроны заряжены отрицательно, а позитроны положительно. В других звездах все может быть наоборот, они вполне могут состоять из положительно заряженных электронов и отрицательно заряженных протонов.

Он говорил о симметрии положительного и отрицательного и считал, что вполне может оказаться так, что половина звезд относится к одному типу, а вторая половина – к другому. В наши дни мы называем это материей и антиматерией, но, глядя в ночное небо, не можем различить, где одна, а где другая.

* **

Две противоположные формы вещества раскрываются только в субатомной Вселенной. На этой территории действуют законы, которые кажутся нам странными и причудливыми, если сравнить то, что происходит там, с нашим опытом в реальном мире. Пытаясь понять эти законы и их последствия, наука натолкнулась на неизбежность существования антиматерии.

Законы движения Ньютона управляют поведением видимых вещей, в которых бесчисленные миллиарды атомов действуют согласованно, эти законы предсказывают, как будут ударяться друг о друга бильярдные шары. Но дело обстоит совсем не так, когда речь заходит об отдельных атомах и составляющих их частицах, которые занимают мир неопределенности, в котором есть только относительный шанс того, что все будет происходить так, как предсказано. В то время, как бильярдные шары отскакивают друг от друга определенным образом, некоторые атомы будут разлетаться в некоторых направлениях больше, чем другие, в некоторых местах окажется много атомов (как в густонаселенных районах), а в других их будет мало (как в пустыне).

Поведение отдельных атомов может казаться случайным, будто они действуют наугад, но в действительности это не так. Атомы показывают действие законов квантовой механики, которые предсказывают вероятность, что определенный атом сделает то или это. Я не могу предсказать, подбрасывая монетку, что выпадет – орел или решка, тем не менее, если я подброшу миллион монеток, то могу быть уверен, что результат окажется близок к 1:1, и чем больше я подброшу монет, тем большая уверенность в этом результате у меня появится. Точно так же дело обстоит и с атомами. Фундаментальные законы квантовой механики относятся к каждому отдельному атому. Я не могу с уверенностью предсказать, как отдельный атом отреагирует на удар, что получится в результате – орел или решка (если рассуждать метафорически), но когда задействованы миллионы атомов, случайное выпадение орла или решки постепенно выравнивается. Когда задействованы большие количества атомов, начинают работать законы Ньютона.

Законы Ньютона предсказывают, что движение шаров, сделанных из материи, будет идентично движению шаров из антиматерии: миллиарды атомов ведут себя так, как будут вести себя и антиатомы. Однако именно внутри отдельных атомов заключается биполярная природа материи, и именно так правят квантовые законы. Если соединить квантовые законы с теорией относительности Эйнштейна, становится ясно: одной формы материи недостаточно. Акт созидания во время Большого взрыва должен был привести к двум уравновешенным вариантам.

Атомы часто описывают как миниатюрные солнечные системы, а электроны – как планеты, которые кружатся вокруг ядра-солнца: нечто маленькое вращается вокруг чего-то большого в центре. Однако с тех пор, как была предложена эта картина, начались споры.

Земле требуется год для того, чтобы обойти вокруг Солнца, и она вращается так уже свыше четырех миллиардов лет. Сравните это с электроном в атоме водорода, который очевидно обходит находящийся в центре протон примерно за одну сотую скорости света и каждую секунду совершает около триллиона вращений. Можно выразить это и по-другому: за одну миллионную долю секунды электрон оборачивается вокруг находящегося в центре протона большее количество раз, чем Земля совершила оборотов вокруг Солнца за всю историю своего существования.

Эти идеи начали появляться в начале ХХ столетия, и существовала теория, что электрон может эмитировать такое электромагнитное излучение, что оно сразу же будет направлено в ядро в виде вспышки света. Но как тогда атомам выжить? Как они вообще смогли бы существовать?

Ответ дала квантовая теория. Когда речь идет о расстояниях, меньших миллионной доли миллиметра (это масштабы атомов), не следует руководствоваться опытом жизни в реальном мире. Он не может подсказать нам, что происходит.

Макс Планк (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики

В 1900 году Макс Планк показал, что световые волны эмитируются в микроскопических «квантах» энергии, известных как фотоны. В 1905 году Эйнштейн показал, что свет в них остается, путешествуя в пространстве. Это послужило началом квантовой теории, идеи о том, что у частиц могут быть обманчивые и переменные свойства, они не тут и не там, а «наиболее вероятно, здесь, но может, и там». В квантовой механике определенность заменяется вероятностью, она то увеличивается, то уменьшается. Успехом было объяснение того, как выживают атомы.

Квантовые волны можно представить в виде волн, накатывающих на кусок веревки. Представьте веревку, свернутую в лассо, на многослойной петле представьте цифры, как на часах. Если самая большая волна наблюдается в двенадцать, а спадает в шесть часов, то следующий пик получается в двенадцать. Однако если самая большая волна накатывает в двенадцать, а спад наблюдается в пять, то следующий пик будет в десять, и двенадцать уже не соответствует ритму волны. В 1912 году датский физик Нильс Бор понял, что эти волны электронов, циркулирующие в атомах, должны также идеально подходить каждой петле. Электроны не могут отправляться куда хотят, но могут двигаться теми путями, под которые идеально подстраиваются их волны. В частности, они не могут двигаться по спирали, подойти к ядру и разрушить его. Атом стабилен.

Нильс Бор (1885–1962) – датский физик-теоретик, создатель первой квантовой теории атома

Квантовые волны также объяснили тайну, которой было два века от роду: атомные спектры. Относительно просто вытрясти свет из атомов и заставить показать их уникальные спектры. Это можно сделать, добавив какой-то элемент, например, натрий к огню, и смотреть на свет сквозь призму или дифракционную решетку, в результате чего свет разделяется на составляющие его цвета-компоненты. Получится серия ярких линий, в случае натрия будут две особенно яркие желто-оранжевые. Это знакомый нам цвет уличных фонарей. Если мы возьмем пары ртути, то цвет будет голубовато-зеленым, у звезд – розовый, что объясняется способностью водорода эмитировать видимый свет с дальнего конца красной полосы радуги. Эти красивые цвета требовали объяснения. Благодаря чему они получаются? Почему они варьируются у разных элементов? Теперь мы знаем, что они являются результатом квантовых движений электронов внутри атомов.

Свет излучается, только когда электрон переходит с одного пути на другой (с одной петли на другую). Если изначальный путь принимал только электроны с высокой энергией, а электрон переместился на путь, где энергия ниже, разницу между двумя энергиями забирает фотон света, который излучается. Общая энергия остается той же самой, просто она перераспределяется. Таким образом, у фотонов могут быть конкретные количества энергии – определяемые «прыжками», которые может совершить электрон. Наши глаза видят разные ценности энергий фотонов как разные цвета. В результате излучаемый свет дает спектр цветов, который является уникальным для каждого атомного элемента. Именно благодаря этим цветовым «автографам» можно сказать, какой атомный элемент присутствует в космосе, когда космос направляет на нас свои лучи. Эти цветовые модели являются видимым доказательством того, что квантовые волны упорядоченной случайности правят в субатомном мире фундаментальных частиц.

Электрон

Название «электрон» происходит от греческого слова, означающего «янтарь». В Древней Греции естествоиспытатели проводили эксперименты с кусками янтаря – их терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Первым слово «электрон» использовал Джордж Стони, в дальнейшем его стал использовать и Джозеф Джон Томсон, о котором мы расскажем ниже. Это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона неделим, впервые он был измерен русским физиком А. Ф. Иоффе в 1911 году и американским физиком Робертом Милликеном в 1912 году. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц, хотя, в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берется с положительным знаком.

Датой открытия электрона считается 1897 год – в этом году Джозеф Джон Томсон поставил эксперимент по изучению катодных лучей. Томсон долгие годы возглавлял Кавендишскую лабораторию в Кембридже, к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Вопрос природы катодных лучей занимал Томсона на протяжении многих лет, он всегда склонялся к тому, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от ряда немецких физиков, которые считали, что это волны, проходящие в эфире. На мнение Томсона влиял, в основном, тот факт, что лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении.

Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – английский физик, один из основоположников классической электронной теории металлов

Вначале ученый считал, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Но измеряя магнитное отклонение количественно, он начал сомневаться в правильности этой точки зрения, поскольку отклонение было существенно больше, чем предсказывала гипотеза. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами одновременно с передаваемым ими зарядом.

К этому времени еще не ставилось ни одного эксперимента, в котором можно было бы одновременно определить и заряд, и отношение массы к заряду частицы катодного луча. Томсон увидел возможность одновременного определения этих величин для частиц, уносящих отрицательный заряд при попадании ультрафиолетового излучения на цинк. Он разработал метод определения отношения массы к заряду для них и заряда одной частицы методом капельной конденсации. Целью эксперимента было однозначно показать: эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе. В первых публикациях на эту тему Томсон еще не использовал слово «электрон», он называл эти частицы «корпускулами».

Питер Зееман (1865–1943) – голландский физик. Исследователь воздействия магнитного поля на спектральные линии источника излучения. Открыл эффект, известный теперь под названием «эффекта Зеемана»

Затем Томсон стал подробнейшим образом разрабатывать концепцию электронов как частиц, входящих в состав атома. Он определил, что количество электронов в атоме зависит от атомного веса. Томсон предложил модель атома, который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере. Он показал, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа.

То есть мы точно знаем, что электроны существуют, с 1897 года. Также мы знаем, что их присутствие в атомах является источником спектра. Даже до того как Томсон доказал это – доказал так, что не осталось сомнений, ученые подозревали, что существует эта составляющая атома, и даже приходили к выводу, что у нее имеется электрический заряд и она обладает двусторонним магнетизмом, сродни двойственности северный полюс – южный полюс самого обычного магнита. Полвека спустя это объяснил Поль Дирак и предсказал существование антиматерии.

В 1896 году Питер Зееман, физик Амстердамского университета, а в дальнейшем директор института физики этого университета, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года за выдающиеся заслуги в исследованиях влияния магнетизма на радиационные явления, обратил внимание на то, что, когда сильные магниты находятся рядом с его образцами, яркие желтые линии, излучаемые натрием, слегка меняются.

Спектральные линии, которые он исследовал, обычно были резкими и четкими, но, как обратил внимание Зееман, расширялись в магнитном поле. В дальнейшем, после появления более мощной аппаратуры, выяснилось: то, что казалось расширением, в действительности является разделением одной линии на две или больше. Зееман в свое время при имевшихся в его распоряжении инструментах этого видеть не мог. Он смотрел на спектральные линии, как смотрит близорукий человек без очков.

Выяснилось, что это происходит из-за магнетизма электрона. Так же как магниты могут притягивать и отталкивать в зависимости от расположения севера и юга, точно так же и движение электрона в магнитном поле влияет на его энергию. Следствием этого является легкая модификация энергий любых эмитируемых фотонов, а поэтому изменяется и рисунок спектральных линий.

«Эффект Зеемана» показал, что электрон может действовать как маленький магнит со своим собственным северным и южным магнитными полюсами. Создавалось впечатление, что электрон способен вращаться и делать это в магнитном поле как в одну, так и в другую сторону, то есть по часовой стрелке и против. Сегодня идея о том, что электрон, размер которого не поддается измерению, может «вращаться», кажется не имеющей смысла, но физики все равно продолжают использовать слово «спин», когда говорят о способности электрона действовать как магнит.

Определенно гипотеза о такой двойственности электрона объяснила множество данных в атомной спектроскопии, но на протяжении многих лет идея о «вращении» (спине) была немногим более отчаянной попытки найти смысл во множестве собранных данных. И только Поль Дирак, соединив теорию относительности с квантовой механикой, смог объяснить, каким образом появилось это свойство и почему это происходит.

* **

Вращение и антиматерия являются необходимыми свойствами физического мира, когда соединяются квантовые законы и теория относительности Эйнштейна. Именно Эйнштейн первым показал, что такое энергия на самом деле, поразительным следствием стал вывод о том, что материя – это пойманная в ловушку энергия. Когда энергия замораживается в частицах материи, то оставляет отрицательный след, это и есть антиматерия. Это первым обнаружил Поль Дирак.

Классические законы движения были открыты Исааком Ньютоном свыше 300 лет назад. Первый закон гласит, что всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Тела не любят выходить из состояния покоя или менять прямолинейное движение, а опыт показывает, что легче передвинуть лист, чем кусок свинца. Ньютон утверждал, что если применить одну и ту же силу к двум телам, то их относительное ускорение будет мерой внутренней инерции, или массы.

А что происходит, если непреодолимая сила встречается с неподвижным предметом? У неподвижного предмета должна быть бесконечная масса. Но такая концепция невозможна, по крайней мере, в механике Ньютона, поскольку вся масса во Вселенной не является бесконечной, хотя и огромной. Однако после того, как Эйнштейн переписал наш взгляд на мир в своей теории относительности, идея о бесконечной массе и полном сопротивлении ускорению там, где происходит искажение пространства и времени, становится реальностью.

Если мы имеем неподвижное тело и в течение секунды применяем к нему силу, то его скорость увеличится на некое значение, например 10 метров в секунду. А теперь снова приложим ту же силу. По Ньютону и по нашему жизненному опыту, скорость снова увеличится на 10 метров в секунду. Если повторять этот эксперимент, то тело будет ускоряться и ускоряться без ограничений. Хотя по Эйнштейну, если очень точно измерять изменения в скорости, обнаружится, что, хотя скорость выросла на 10, следующий толчок ускорит его чуть меньше, чем на 10 метров в секунду, и по мере движения быстрее и быстрее ускорять его станет труднее и труднее. Если тело будет двигаться на скорости, близкой к скорости света, то применение силы едва ли изменит его скорость.

Правила Ньютона являются идеальным приближением к точным законам движения, пока мы имеем дело только с предметами, которые двигаются медленно относительно скорости света. Скорость света составляет 300 000 километров в секунду, и законы Ньютона очень точны в том, что касается нашей обычной жизни. Но если нас интересует поведение электронов в ускорителе частиц, где совсем другие скорости, следует пользоваться описанием Эйнштейна.

В теории относительности Эйнштейна масса тела становится больше и больше по мере того, как оно движется быстрее и быстрее. При приближении к скорости света масса растет чрезвычайно быстро, заставляя тело еще больше сопротивляться ускорению. В конце концов, если попытаться достичь скорости света, то масса станет бесконечной. Поэтому невозможно ускорить массивный предмет до скорости света. И передвигаться со скоростью света может только то, что не имеет массы, например сам свет!

Хотя идея о том, что инерция меняется вместе со скоростью, может показаться странной с точки зрения нашего «здравого смысла», тем не менее это так, как показывают годы экспериментов с частицами высоких энергий. Если частицы материи отправляются в путь в лабораториях уровня ЦЕРН, чтобы встретиться с лучами антиматерии, идущими в другом направлении, то расчет времени является чрезвычайно важным для того, чтобы они прибыли куда следует, когда следует, и при этом нужно учитывать относительность.

Взаимоотношение между энергией и движением, о котором известно с времен Ньютона, и которое приняли пионеры новой квантовой механики, изначально помогло в описании поведения атомов и электронов, но в действительности оно является более сложным.

Удивительным и имеющим гораздо большее значение в теории относительности Эйнштейна является то, что даже неподвижный предмет содержит энергию, которая «поймана в ловушку» в составляющих его атомах. Количество энергии – это «Е» в знаменитом уравнении Е = mc^2, где m – это масса, а с – скорость света. Она латентна внутри материи, даже если та неподвижна.

Если мы говорим о движущемся теле, то в сумму должна быть добавлена кинетическая энергия. Естественным кажется простое добавление кинетической энергии к энергии, содержащейся в массе (mc^2). Это было бы так, если бы не тот факт, что при движении масса предмета m увеличивается, и таким образом величина mc^2 также меняется. Хотя разобраться со всем этим сложно, ответ для общей энергии Е движущегося тела оказался довольно простым. Рассчитывают ее, вначале добавив возведенную в квадрат энергию движения к возведенной в квадрат энергии в массе движущегося тела mc^2. Квадратный корень получившегося числа будет ответом. Так что, например, если количество энергии в покое равнялось четырем джоулям, а движение дало еще три джоуля, то в целом будет пять джоулей (три на три, прибавленные к четыре на четыре, дают в целом двадцать пять, что является тем же самым, что и пять на пять).

Значение теории относительности Эйнштейна для природы энергии просто поразительно. Во-первых, массивные предметы в покое содержат количество энергии mc^2, пойманное в ловушку внутри них. Во-вторых, даже что-то не имеющее массы, например фотон, который движется со скоростью света, будет иметь энергию благодаря своему движению. Если энергия в целом законсервирована, то для энергии в луче света возможно трансформироваться в энергию, пойманную в ловушку в материи.

Но как может электрон с отрицательным электрическим зарядом появиться из энергии в струе света, который не имеет электрического заряда? И именно здесь мы начинаем говорить о двух формах материи, существующих в природе. Отрицательно заряженный электрон имеет положительно заряженную форму, известную как позитрон. Энергия фотона, частицы света, оказывается в ловушке в этих двух взаимодополняющих частях вещества. Этот процесс также может происходить наоборот: электрон и позитрон могут аннигилировать друг друга, энергию каждого возьмут фотоны, которые несутся со сцены разрушения на скорости света.

Появление вещества из чистой энергии, чистейшей формой которой является свет, огромно в своих масштабах. В случае антиматерии, отрицательного образа материи, мы вступаем в контакт с богами созидания. Здесь мы начинаем видеть, как наша Вселенная появилась в результате Большого взрыва. Невероятный жар и свет с огромной энергией были заморожены, или пойманы в ловушку в уравновешенных частях материи и антиматерии. Теория относительности Эйнштейна с ее глубоким значением для природы энергии дает основания для предположений о том, как материя создавалась в начале времен. Важной частью этого является идея о том, что у материи есть зеркальный образ – антиматерия. Теория относительности объясняет подсчеты энергии, а при соединении теории относительности с квантовой механикой открывается вся сила природы. Из этого союза двух великих теорий ХХ века родилась идея антиматерии.

Поль Дирак и море Дирака

О выдающемся ученом Поле Дираке стоит рассказать в отдельной главе. Несомненно, он этого достоин.

Пожалуй, за исключением Эйнштейна, ни один человек не оказал настолько определяющего влияния, причем за относительно короткий период времени, на развитие физики. Он заложил основы квантовой физики в целом, квантовой теории поля и теории элементарных частиц. Дирак также занимался общей теорией относительности, разработал квантовую статистику (которая называется статистикой Ферми—Дирака), релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака), предсказавшую позитрон. Именно благодаря Дираку мы сегодня говорим об аннигиляции и рождении пар. Он заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации. Также отметим, что для Дирака всегда была важна «математическая красота». Дираку принадлежит известная фраза «Физические законы должны обладать математической красотой».

Дирак родился в Бристоле в семье учителя. Отец его был швейцарцем, и поэтому мальчик с детства был двуязычным – дома в равной степени говорили и на английском, и на французском языках. Правда, сам Поль Дирак на протяжении жизни (или научной карьеры) славился своей немногословностью и фактически не умел общаться с людьми. Его отличало очень серьезное отношение к любой теме обсуждения, нетривиальность ассоциаций и мышления в целом, стремление к предельно четкому выражению мыслей, рациональное отношение к проблемам, причем и к абсолютно не связанным с научным поиском. Дирак был равнодушен к комфорту, вкусной еде, не любил внимания к себе и из-за этого даже хотел отказаться от получения Нобелевской премии.

Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984) – английский физик, один из создателей квантовой механики

Поль Дирак закончил инженерный факультет Бристольского университета. Поступить в Кембриджский университет ему не удалось, правда, в дальнейшем он закончил аспирантуру именно в Кембридже. Его всегда больше всего интересовала математика, но он неоднократно отмечал, что если бы не инженерное образование, он никогда не добился бы успеха в последующей деятельности. Большое влияние на Дирака оказало знакомство с теорией относительности, которая в те годы вызывала в обществе огромный интерес. Первоначальные сведения о теории он получил на лекциях одного профессора философии, после чего обратил пристальное внимание на геометрические представления о мире. Дирак хотел заниматься теорией относительности в аспирантуре Кембриджского университета. Но его научным руководителем был назначен известный теоретик Ральф Фаулер, специалист по статистической механике. Первые работы Дирака посвящены вопросам статистической механики и термодинамики. Фаулер познакомил Дирака с совершенно новыми идеями атомной физики, которые выдвинул Нильс Бор. Идеи Бора и знакомство с ним произвели на Дирака огромное впечатление, он заявлял, что считает их самым грандиозным шагом в истории развития квантовой механики. В дальнейшем Дирак также говорил, что на него очень большое влияние оказало общение с Бором и мысли Бора вслух – тот очень любил думать вслух и уходил в своих рассуждениях далеко от темы, при этом высказывая очень интересные суждения. Также большое впечатление на Дирака произвели идеи Вернера Гейзенберга, которые легли в основу матричной механики.

После того как появилась новая теория Эрвина Шредингера на основе представлений о волновых свойствах вещества, Дирак занялся и ее изучением. Правда, он вначале посчитал ее излишней, так как уже существовал подход, позволявший получать правильные результаты в этой области. Шредингер показал, что любое уравнение волновой механики можно представить в матричной форме и, наоборот, от заданных матриц можно перейти к волновым функциям. Он выпустил несколько основополагающих работ по волновой механике, и значение волновой механики Шредингера было очень быстро оценено научным сообществом. Одним из главных вопросов, поставленных Шредингером, был вопрос о том, что же колеблется в атоме, то есть пытался определить свойства волновой функции. Вначале он считал ее вещественной, однозначной и дважды дифференцируемой функцией, однако в дальнейшем допустил для нее возможность комплексных значений, а также полагал, что частицы можно наглядно представлять как волновые пакеты, составленные из набора собственных функций. Шредингер до конца жизни отстаивал необходимость наглядного представления волновой механики.

Вскоре Дирак понял, что теории Гейзенберга и Шредингера связаны между собой и дополняют друг друга. Впервые Дирак применил теорию Шредингера, рассмотрев задачу о системе тождественных частиц, и обнаружил, что тип статистики, которой подчиняются частицы, определяется свойствами симметрии волновой функции.

Дирак защитил диссертацию под названием «Квантовая механика» в мае 1926 года и вскоре отправился в Копенгаген в Институт Нильса Бора, где наконец познакомился и близко сошелся с последним. В Копенгагене Дирак начал заниматься вопросами теории излучения. Дирак продемонстрировал эквивалентность двух различных подходов к рассмотрению электромагнитного поля, основывающихся на представлении о световых квантах и на квантовании компонентов поля. Ему также удалось получить выражения для коэффициентов Эйнштейна как функций потенциала взаимодействия и объяснить спонтанное излучение. В работе «Квантовая теория испускания и поглощения излучения» он ввел и объяснил новый физический объект – квантовое поле, а метод вторичного квантования лег в основу построения квантовой электродинамики и квантовой теории поля.

Дирак приобрел широкую известность в научных кругах, его стали приглашать на различные конгрессы, в 1927 году избрали членом совета колледжа Святого Джона Кембриджского университета, где он учился в аспирантуре. В это время Дирак был занят построением адекватной релятивистской теории электрона. Ему потребовалось несколько недель работы, чтобы вывести уравнение, которое получило название «Уравнение Дирака», оно оказалось очень удачным, поскольку естественным образом включает спин электрона и его магнетизм. Дирак включил в статью «Квантовая теория электрона» основанный на полученном уравнении расчет спектра водородного атома, который полностью согласовывался с экспериментальными данными. Дирак разработал теорию о вероятности перехода электрона между состояниями с положительной и отрицательной энергиями. Попытки искусственно исключить эти переходы ни к чему не привели. В 1930 году Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией заняты. Это соответствует вакуумному состоянию с минимальной энергией. Если же состояние с отрицательной энергией оказывается свободным («дырка»), то наблюдается частица с положительной энергией. При переходе электрона в состояние с отрицательной энергией «дырка» исчезает, то есть происходит аннигиляция. Из сделанных выводов следовало, что эта гипотетическая частица должна быть во всем идентичной электрону, за исключением противоположного по знаку электрического заряда. В то время такая частица не была известна.

Дирак много выступал с лекциями после опубликования своей теории. И на каждой лекции его спрашивали, где же находится этот антиэлектрон. Наиболее желчно этот вопрос звучал из уст современников, которые тщательно изучили его уравнение и представленные аргументы. В конце концов Дирак высказал предположение, что поскольку у протона положительный заряд, то антиэлектрон с положительным зарядом может являться протоном. Это было сделано в работе «Теория электронов и протонов», опубликованной в 1930 году. Затем Герман Вейль (1885–1955), немецкий математик, который начиная с 1933 года проживал в США и оставил после себя труды по теории функций, теории групп и их применении к физике, показал, что такая «дырка» не может быть протоном, а должна иметь массу электрона. Дирак согласился с этими доводами и указал, что тогда должен существовать не только «положительный электрон», или антиэлектрон, но и «отрицательный протон», то есть антипротон. Антиэлектрон был открыт спустя несколько лет (мы уже говорили о Карле Андерсоне и открытии этой частицы, которая позже получила название позитрон).

В 1933 году Дирак вместе с австрийским физиком Эрвином Шредингером был удостоен Нобелевской премии за открытие новых форм квантовой теории. В декабре 1933 года Дирак прочитал в Стокгольме лекцию на тему «Теория электронов и позитронов», в ней он предсказал существование антиматерии. Это предсказание и открытие позитрона породило в научном сообществе уверенность, что начальная кинетическая энергия одних частиц может быть преобразована в энергию покоя других. В дальнейшем это привело к стремительному росту числа известных элементарных частиц.

Также Дирак написал несколько фундаментальных работ по квантовой теории поля. Важным вкладом Дирака в распространение квантовых идей стало появление его знаменитой монографии «Принципы квантовой механики», первое издание которой вышло в 1930 году. В этой книге было дано первое полное изложение квантовой механики. В 1937 году Дирак сформулировал так называемую гипотезу больших чисел, согласно которой чрезвычайно большие числа (например, отношение констант электромагнитного и гравитационного взаимодействий двух частиц), возникающие в теории, должны быть связаны с возрастом Вселенной, который также выражается огромным числом. Эта зависимость должна со временем приводить к изменению фундаментальных постоянных. Развивая эту гипотезу, Дирак выдвинул идею о двух временных шкалах – атомной, которая входит в уравнения квантовой механики, и глобальной, которая входит в уравнения общей теории относительности.

В Вестминстерском Аббатстве, в Лондоне, в 1995 году была установлена мемориальная табличка в память о Поле Дираке. На ней указаны годы жизни и его знаменитое уравнение

Говоря об этом уравнении, отметим, что его характерной особенностью является наличие среди его решений таких, которые соответствуют состояниям с отрицательными значениями энергии для свободного движения частицы (что соответствует отрицательной массе частицы). Это представляло трудность для теории, поскольку все механические законы для частицы в таких состояниях были бы неверными, но в квантовой теории переходы в эти состояния возможны. Действительный физический смысл переходов на уровни с отрицательной энергией выяснился в дальнейшем, когда была доказана возможность взаимопревращения частиц. Из уравнения Дирака следовало, что должна существовать новая частица (античастица по отношению к электрону) с массой электрона и электрическим зарядом противоположного знака; и как мы уже говорили, она была действительно открыта и названа позитроном. Это стало свидетельством гениальности теории электрона Дирака. Переход электрона из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией и обратный переход интерпретируются как процесс образования пары электрон—позитрон и аннигиляции такой пары.

Уравнение Дирака справедливо не только для электронов, но и для других элементарных частиц со спином 1/2, например мюонов и нейтрино, о которых мы будем говорить ниже. Применимо оно и для кварков, которые также являются элементарными частицами со спином 1/2. Модифицированное уравнение Дирака можно использовать для описания протонов и нейтронов, которые не являются элементарными частицами (они состоят из кварков). Считается, что теория, которая включает только уравнение Дирака, взаимодействующее с классическим внешним электромагнитным полем, не совсем верно учитывает рождение и уничтожение частиц. Она хорошо предсказывает магнитный момент электрона и тонкую структуру линий в спектре атомов. Она объясняет спин электрона, поскольку два из четырех решений уравнения соответствуют двум спиновым состояниям электрона. Два оставшихся решения с отрицательной энергией соответствуют античастице электрона (позитрону), предсказанной Дираком исходя из его теории и почти сразу же вслед за этим открытой экспериментально.

Несмотря на эти успехи, такая теория имеет и недостаток: она не описывает, в частности, рождение и уничтожение частиц – один из фундаментальных процессов релятивистской теории взаимодействующих полей. Однако эта трудность разрешена в квантовой теории поля.

* **

Ну а теперь, после краткой биографии этого выдающегося человека, мы перейдем к тем вопросам, которыми он занимался и которые интересуют нас в связи с рассматриваемой темой.

Эйнштейн говорил, что у электрона должен быть спин и или положительная, или отрицательная энергия. Дирак же вначале хотел каким-то образом обойти загадку отрицательной энергии, но был вынужден ее принять. Что это значило?

Когда вы нажимаете педаль газа в своем автомобиле, он набирает скорость, приобретая энергию движения, или кинетическую энергию. Энергия не приходит из ничего. В процессе участвует сгорание топлива, которое высвобождает энергию, заключавшуюся внутри топлива, и она превращается в такое же количество кинетической энергии. Нажмите на тормоз – и движение автомобиля замедляется, кинетическая энергия снижается. Эта энергия не исчезла, но превратилась в тепло в тормозах и шинах, а возможно, и звук, если вы тормозили резко. В конце концов автомобиль останавливается. Кинетическая энергия равна нулю, но все еще остается довольно большое количество потенциально доступной энергии, которая заключена в бензобаке. Даже если бензобак пуст, то большое количество энергии заключено (или поймано в ловушку – как вам нравится) в тс^2 атомов, из которых состоите вы и ваш автомобиль, и вы можете использовать часть вашей тс^2, чтобы придать вашему автомобилю какую-то кинетическую энергию, например, толкая его.

Идея замены одного варианта положительной энергии на другой – это то, что подпитывает индустриальное общество. В том, чем индустриальное общество и люди, живущие в нем, занимаются каждый день, нет признаков отрицательной энергии. Так что же означают решения, связанные с отрицательной энергией, для электрона?

Если электроны могут иметь отрицательную энергию, можно ожидать, что электроны в материи могут спонтанно снижать свою энергию, переходя в одно из состояний с отрицательной энергией. Поскольку это делает материю нестабильной, тот факт, что мы вообще находимся здесь, как кажется, подразумевает, что теория электрона Дирака неправильная, не может быть никакой отрицательной энергии. Но Дирак поразительно использовал тот факт, что материя стабильна, для интерпретации состояний с отрицательной энергией! Чтобы это понять, нужно оценить поразительную регулярность атомных элементов, которую обнаружил русский химик Дмитрий Менделеев и отразил в своем периодическом законе химических элементов.

У некоторых элементов имеются очень похожие свойства, эти сходства повторяются, или возвращаются, «периодически», если составить список элементов в порядке увеличения атомной массы. Примеры свойств, которые повторяются периодически, – это химическая инертность газов гелия, неона и аргона; у металлов это сродство к воде, например у натрия и магния; а в случае высокореактивных элементов фтора, хлора и йода сродство к воде дает кислоты. Эти сходства известны уже на протяжении многих веков. Периодическая таблица элементов Менделеева раскрыла их периодичность, но объяснила их квантовая механика.

Электроны во всех атомах идентичны. Разница между одним вариантом атомного элемента и другим состоит в разном количестве электронов, которые вращаются вокруг центрального ядра (и, конечно, количестве протонов в этом ядре). Как мы видели, эти электроны не могут отправляться туда, куда им хочется, вместо этого законы квантовой механики ограничивают их, определяя несколько определенных путей, или «квантовые состояния». Модели доступных путей по мере добавления большего количества электронов и, соответственно, продвижения по таблице элементов, повторяются, причем цикл этот регулярный, и периодическая схожесть следующих элементов тоже повторяется. Квантовая теория объясняет это как следствие фундаментального правила, известного как принцип исключения. По сути, электроны напоминают кукушек, когда две в одном гнезде – это слишком много, одна получается лишней. А если выразиться сухим языком квантовой механики, то: никакие два электрона из одной и той же совокупности не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии.

Дирак понял, что это уравнение подразумевает: электроны могут иметь отрицательную энергию, и использовал этот принцип исключения как основу своей блестящей идеи. Он предположил: то, что мы называем вакуумом, не является пустым, а скорее напоминает бездонную яму, и в нее спускается лестница. Каждая ступенька этой лестницы соответствует возможному квантовому состоянию, месту, где находится электрон. Верх лестницы соответствует нулевой энергии, а все ступеньки ниже являются возможными состояниями электрона с отрицательной энергией. Дирак считал, что если все эти отрицательные уровни уже заполнены, то никакие электроны не могут упасть в щель с отрицательной энергией, и таким образом материя остается стабильной. То, что мы называем «вакуумом», напоминает глубокое спокойное море, которое никто не замечает, пока ничто не нарушает его покой. Заполненное море – это базовый уровень, относительно которого определяются все энергии. «Уровень моря» Дирака определяет нулевую энергию.

Если одного электрона в этом море не хватает, то останется «дырка», в интерпретации Дирака. Отсутствие отрицательно заряженного электрона, энергия которого отрицательна по отношению к уровню моря, проявится как положительно заряженная частица с положительной энергией, а именно со всеми свойствами того, что позднее назвали позитроном. Это была странная идея – квантовая механика и до сих пор, через восемьдесят лет после своего появления, кажется странной, – а Дирак сделал свое предположение, когда квантовая механика только зарождалась, поэтому его можно считать гениальным.

Как можно сдвинуть или переместить электрон с отрицательной энергией, чтобы можно было увидеть «дырку» в море вакуума? Ответ состоит в подаче энергии, например, гамма-луча с большим количеством энергии. Если в гамма-луче достаточно энергии, то он может выбить электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией, результатом будет производство гамма-лучом и электрона с положительной энергией, и «дырки» в том, что было вакуумом. «Дырка» – это отсутствие и отрицательной энергии, что проявится как состояние с положительной энергией, и отрицательный заряд, который проявляется как положительный. Так что конечный результат – это превращение энергии гамма-луча в обычный отрицательно заряженный электрон, который сопровождает положительно заряженный электрон, и оба – с положительной энергией.

Что такое этот положительный электрон? Предположение Дирака об антиэлектроне многим в то время показалось просто научной фантастикой. К тому времени единственными известными частицами были электрон и протон, на основании которых и объяснялась вся материя. Более того, считалось, что они неизменны. Тем не менее теория Дирака подразумевала, что эти фундаментальные частицы материи можно создавать или уничтожать по желанию. Не было необходимости в других частицах и не было никакого желания их видеть, а потом еще и как-то объяснять, если не считать общепризнанного, но в то время еще не обнаруженного нейтрона, который добавляет массу атомному ядру и помогает его стабилизировать. До тех дней, когда странные частицы с фантастическими названиями будут появляться одна за другой в результате открытий в космических лучах и ускорителях частиц, еще оставалось много лет. В 1928 году картина с частицами была простой: материя состоит из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. В этом относительно уютном мирке для антиэлектрона места не было.

После того как Дирак опубликовал работу «Теория электронов и протонов», которую мы уже упоминали, утвердилось и широко распространилось мнение, что Дирак серьезно рассматривает протон как кандидата на роль положительно заряженной частицы, которая появилась из его уравнения как кролик из шляпы фокусника в цирке. Современным физикам, которые знают о глубочайшей симметрии между материей и антиматерией, мысль о том, что протон может быть идентифицирован как антиэлектрон, при разнице в массах почти в 2000 раз, кажется абсурдной.

Все это может казаться очевидным сегодня. Но глубокую симметрию материи и антиматерии сегодня понимают гораздо лучше, чем в 1928 году, а историки спорят, являлась ли разница в массе такой очевидной, как кажется сегодня, и понимали ли тогда ее значение. Известный русский ученый Петр Капица (1894–1984), один из основателей физики низких температур и физики сильных магнитных полей, современник Дирака, утверждал, что Дирак сделал свое заявление в шутку, отойдя от своей обычной угрюмости и неразговорчивости. Целью Дирака было просто заставить замолчать тех, кто ему надоедал, настойчиво задавая вопрос о том, где же находится антиэлектрон. Он хотел продолжать объяснять свои глубокие идеи и оставить вопрос массы для решения в дальнейшем, считая его «мелкой деталью».

Роберт Оппенгеймер (1904–1967) – американский физик-теоретик. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы. В 1953 году выступил против создания водородной бомбы, был обвинен в «нелояльности» и отстранен от секретных работ

Уравнение Дирака указало путь к антиматерии, а первым, кто увидел картину в целом, стал американский физик Роберт Оппенгеймер, оставивший после себя труды по квантовой механике, физике атомного ядра и космических лучей, разделению изотопов. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы.

Оппенгеймер считал, что положительная частица не может быть протоном, потому что, если бы это был протон, то атомы водорода уничтожили бы сами себя. Идея, подразумевавшая, что электрон и его положительно заряженный двойник могут возникнуть из вакуума, может быть применена в обратном порядке: если включить «фильм» с конца и перематывать к началу, то получится, что происходит взаимное уничтожение пары и она исчезает в гамма-лучах. Так что, если положительная частица идентифицируется с протоном, то атомы водорода будут жить только до тех пор, пока протон не встретится с электроном. И не только водород, а вся материя исчезнет в одно мгновение.

Дирак сразу же понял силу критики Оппенгеймера и принял как факт, что его положительный электрон – это что-то совершенно новое. В сентябре 1931 года он опубликовал вывод о том, что «дырка» будет «новым видом частицы», неизвестной экспериментальной физике, с той же массой и зарядом (количественно), как у электрона. Такую частицу можно называть антиэлектроном. Ее свойством будет пиротехническое разрушение традиционного отрицательно заряженного электрона, обратная возможности их создания из чистой энергии.

Массивный протон – это совсем другой зверь. Уравнение Дирака подразумевало, что в нем также имеется «анти» компонент. В работе от 1931 года он дал это ясно понять, написав, что в его теории «имеется полная и идеальная симметрия между положительным и отрицательным электрическим зарядом». Он лишь слегка намекал на осторожность, когда говорил, что «если симметрия и вправду является фундаментальной по своей природе, то должно быть возможным сменить заряд на противоположный в любом виде частиц». Таким образом он предсказал антипротон, отрицательно заряженное массивное зеркало протона. Предсказание Дирака о том, что у каждой частицы есть двойник – античастица, теперь признается как непреложная истина, это свидетельство глубочайшей симметрии картины Вселенной.

Идея Дирака о бездонном море, полном одинаковых электронов, также объясняет, почему все электроны и позитроны, созданные «из вакуума», имеют одинаковые свойства вместо того, чтобы появляться с различными бесконечными возможностями, причем распределенными наугад. Дирак также предположил, что море наполняют и протоны, и сегодня мы уже признаем, что кварки также удовлетворяют принцип исключения и заполняют бесконечное глубокое море. Именно этот бесконечно глубокий склад моря Дирака обеспечивает нас частицами и античастицами, которые мы можем материализовать.

Это – антиматерия в теории, а что в реальности? Теперь мы снова возвращаемся к позитрону, о котором говорили, рассказывая о природной антиматерии.

Космическое открытие

В тысячах метрах над нашими головами потоки сильной энергии, состоящие из субатомных частиц и гамма-лучей из открытого космоса, врезаются в верхние слои атмосферы. Эти столкновения дают лавину других частиц, большинство которых поглощается воздухом до того, как они достигнут поверхности Земли, так что до уровня Земли доходит только мелкий безопасный «моросящий дождик» радиации.

Было выяснено, что в дополнение к знакомым электронам, протонам и атомным ядрам эти «космические лучи» содержат и экзотические элементы, ранее неизвестные на Земле. Именно так и был открыт позитрон, положительно заряженная античастица электрона.

Если вкратце, то в начале 1923 года были сделаны первые фотографии космических лучей. На них были образы позитронов, но тогда этого еще никто не понял. Затем, после того как Поль Дирак в 1928 году предсказал, что существует положительно заряженная версия электрона, ее через четыре года обнаружили в космическом излучении. Вначале подумали, что позитрон – это нечто внеземное, но потом ученые обнаружили, что он постоянно производится и на Земле и является частью радиоактивных процессов. Единственная причина, объясняющая, почему его раньше никто не замечал, состоит в том, что для позитронов наш мир является чужим и враждебным, поскольку быстро их разрушает.

Дмитрий Скобельцын (1892–1990) – основатель российской школы физики атомного ядра и космических лучей. Он обнаружил в космических лучах заряженные частицы и их ливни и таким образом заложил основы физики высоких энергий. Считается первооткрывателем электронно-ядерных ливней и ядерного каскадного процесса

Так что, когда позитроны впервые разглядели, их не признали; а произошло это, как мы уже говорили, за пять лет до появления теории Дирака. И увидел их в 1923 году русский физик Дмитрий Скобельцын в Ленинграде, когда исследовал гамма-лучи.

Все видели след от реактивного самолета, след может оставаться в небе в течение нескольких минут и по нему можно следить о движении самолета. Такие следы состоят из крошечных капелек воды, которые конденсируются на выхлопных газах и создают длинное тонкое облако. Подобные признаки можно увидеть и в диффузионной камере, или камере Вильсона. Камера Вильсона – это первый трековый детектор заряженных частиц. Она была изобретена английским физиком Чарльзом Вильсоном в 1912 году. Действие камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. По сути это стеклянная коробка, в которой находится влажный воздух при низком давлении, также имеется поршень, который может внезапно позволить воздуху ворваться в камеру. Затем водяные пары из воздуха конденсируются на любых заряженных частицах, открывая их присутствие и движение миниатюрными следами, состоящими из паров. Для физиков, занимавшихся атомной физикой в начале ХХ века, камера Вильсона была подобна телескопу у астрономов. Она делала видимым то, что недоступно невооруженному глазу.

Гамма-лучи не оставляют непосредственных следов. Они чем-то похожи на человека-невидимку, придуманного Гербертом Уэллсом – они выдают себя, на что-то наталкиваясь, как герой Уэллса сталкивался с людьми. Именно так Скобельцын и решил их поймать. Невидимые гамма-лучи выбивали электроны из атомов в камере Вильсона, их следы Скобельцын мог видеть, а по ним надеялся получить и доказательства по гамма-лучам.

Камера Вильсона – один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. За это изобретение Чарльзу Вильсону присуждена Нобелевская премия (1927)

Это сработало – и даже слишком хорошо. Гамма-лучи оказались настолько мощными, что в дополнение к выбиванию электронов из газа они также выбивали их и из стенки камеры, что мешало замерам, которые пытался сделать Скобельцын. Затем ему пришла в голову идея избавиться от нежелательных электронов, поставив камеру между двумя полюсами большого магнита. «Облака» внутри стали менее густыми, видимость стала лучше, и это открыло нечто совершенно неожиданное: казалось, что магнит заставляет некоторые «электроны» отклоняться «не в ту сторону».

Сегодня мы знаем, что Скобельцын видел позитроны, положительно заряженную «анти»-версию электрона. Но ничто из этого не ожидали увидеть в 1923 году. Аномальные следы ставили в тупик и также отвлекали ученого от исследований.

Новость об этих следах распространилась в научном сообществе, и через пять лет Скобельцын решил показать их на международной конференции в Кембридже. Все удивились так же, как был удивлен он, но никто не мог предложить объяснения. Удивительно то, что он демонстрировал все это в 1928 году в Кембридже, в тот же год и там же, где Дирак выступит со своим теоретическим предсказанием существования позитронов, следы которых будут напоминать электроны, «направляющиеся не в ту сторону». Однако поскольку никто в то время не имел оснований ожидать, что позитроны существуют, да еще и проявятся в эксперименте Скобельцына, Нобелевскую премию он, можно считать, упустил.

Точных данных о том, присутствовал ли Дирак на этой конференции, нет. Но скорее всего не присутствовал – он же был математиком, и только в дальнейшем выяснилось, что его работа имеет значение для космических лучей. Вероятно, Дирак даже не знал о находках Скобельцына.

Роберт Милликен (1868–1953) – американский физик. Экспериментально проверил квантовую теорию фотоэффекта Эйнштейна и определил численное значение постоянной Планка. Международный астрономический союз присвоил имя Милликена кратеру на обратной стороне Луны

Магнитное поле заставляет заряженные частицы отклониться от курса. Отклонение получается больше в случае легких или медленно движущихся частиц, чем для более тяжелых и быстрых. Направление показывает, является заряд отрицательным или положительным: отрицательные идут в одну сторону, налево, а положительные в другую, направо. Однако нашлись и такие, которые шли прямо сквозь камеру, которую использовал Скобельцын. Эти следы оставляли электроны, которые двигались столь быстро, что магнитное поле едва ли успевало на них повлиять и отклонить перед тем, как они исчезали. Они двигались гораздо быстрее, чем могли частицы из любого радиоактивного источника или гамма-лучей, известных в то время. В действительности их выбили из атомов космические лучи. Хотя Скобельцын этого не понял, он стал первым, кто наблюдал следы самих космических лучей. Почти точно, что это лучи содержали не только электроны, но и позитроны, но они недостаточно отклонялись для того, чтобы обратить на себя внимание, поэтому ученый не стал заниматься более детальным изучением вопроса и упустил Нобелевскую премию во второй раз.

В 1923 году Роберт Милликен получил Нобелевскую премию за измерение заряда электрона с высокой точностью. Милликен проводил эксперименты с заряженными капельками масла. Он измерил в них заряд электрона.

Элементарный электрический заряд является одной из фундаментальных физических констант, и знание его точного значения очень важно. В своих экспериментах Милликен измерял силу, действующую на мельчайшие заряженные капельки масла, подвешенные между электродами при помощи электрического поля. При известном значении электрического поля можно определить заряд капли. Проведя повторные эксперименты с большим количеством капелек, Милликен показал, что результаты могут быть объяснены, если предположить, что заряд капли пропорционален целому числу элементарных зарядов.

Выражение «космические лучи» (или «космическое излучение») тоже придумал Милликен, у которого была своя теория происхождения внеземной радиации. Он считал, что космические лучи – это гамма-лучи, «родовые муки создания», как он называл их сам, хотя не совсем понятно, что он имел в виду. Чтобы извлечь из лучей то, что в них содержится, вначале нужно заставить их изогнуться, или отклониться, показать заряд и энергию, а для этого требуется более сильный магнит. Если магнитное поле достаточно сильное, то можно отклонить и перенаправить даже самые быстрые частицы. В 1930 году Милликен предложил своему студенту Карлу Андерсону построить достаточно мощный магнит для отклонения космических лучей.

Андерсон воплотил это с помощью инженеров в ближайшей аэронавигационной лаборатории. Магнитные поля получались в десять раз мощнее, чем у Скобельцына, с их помощью Андерсону удалось изменить направления полета частиц. К своему удивлению он обнаружил, что в космических лучах содержатся и положительно, и отрицательно заряженные частицы в примерно равных количествах.

Как говорилось выше, Милликен считал, что космические лучи состоят из гамма-лучей, которые следов не оставляют. Он предположил, что заряженные частицы были выбиты из атомов гамма-лучами. В его интерпретации отрицательными были электроны, а положительными – протоны. Однако фотографии, сделанные Андерсоном, с этим не совсем сочетались. Легкие частицы типа электронов оставляют тонкие слабые следы, очень сильно отличающиеся от плотных следов массивных протонов. Все следы на фотографиях Андерсона выглядели как следы электронов, и поэтому он высказал предположение, что те, которые отклонились «не в ту сторону», – это не положительно заряженные частицы, идущие вниз, а электроны, идущие вверх. Милликену это не понравилось, на его суждения сильно влияло понимание природы космических лучей, и он настаивал, что даже если следы тонкие, а не густые, их тем не менее вызывают протоны, которые идут вниз.

Андерсон решил спор, установив свинцовую пластину в центре камеры. Если частица пройдет сквозь пластину, то потеряет энергию, и ее кривая изменится после того как она выйдет из пластины, в сравнении с тем, какой была до входа. Таким образом, споры о том, идут ли они вверх или вниз, прекратятся, также раз и навсегда определится знак заряда: положительные – вниз, а отрицательные – вверх.

Это и вправду дало ответ на вопрос и показало, что ошибались и Андерсон, и Милликен! Следы были оставлены не положительно заряженными протонами и не электронами, которые шли вверх, а являлись следами «положительных электронов», которые шли вниз. По крайней мере Андерсон был удовлетворен, хотя ему все еще было трудно убедить своего учителя в находке.

Интересно, что первым Андерсон увидел позитрон, который в действительности двигался вверх (это оказался случайный позитрон, получившийся в результате удара космического луча по атому в воздухе ниже свинцовой пластины, затем он отскочил вверх и прошел сквозь нее). Затем ученый обнаружил первый красивый пример положительной частицы, которая определенно была гораздо легче протона и двигалась вниз сквозь свинцовую пластину. Вскоре он увидел несколько примеров таких «положительных электронов» и обрел достаточную уверенность в находке, чтобы рассказать о ней научной общественности. Первая фотография следов была опубликована в декабре 1931 года в журнале Science News Leter, тогда же впервые появилось название «позитрон». И сохраняется до сих пор.

Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини

В 1931 году считалось, что материя состоит из атомов, и «атомное меню» весьма простое – электроны и протоны. Позитронам там места не было. Так откуда же они появились и что собой представляют?

Андерсон и Милликен жили на западном побережье США. В те времена еще не было средств связи, позволяющих мгновенно связаться с другими людьми, не было групп по интересам, которые ведут обсуждение в Сети, что является обычным делом сегодня, они имели лишь отдаленное представление о работе Дирака. В то время как Андерсон первым идентифицировал позитрон, Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини из Кавендишской лаборатории в Кембридже подтвердили его существование без всякого сомнения и объяснили, откуда он появился.

Патрик Блэкетт учился в Королевском военно-морском колледже и начинал карьеру в армии, участвовал в Первой мировой войне. После окончания войны он уволился из армии и поступил в Кембриджский университет, где изучал физику. После окончания остался работать в этом университете, но в дальнейшем также работал в Лондонском и Манчестерском университетах, а к началу Второй мировой войны перешел в одно из научных подразделений Королевских ВВС и участвовал в разработке воздушной защиты против налетов Люфтваффе.

Патрик Мейнард Стюарт Блэкетт (1897–1974) – английский физик, президент Лондонского королевского общества в 1965–1966 годы. Он занимался физикой космических лучей с помощью усовершенствованной им камеры Вильсона. Нобелевскую премию получил в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации

Усовершенствованную камеру Вильсона он сконструировал вместе с Джузеппе Оккиалини, целью было изучение космического излучения, и в 1933 году они подтвердили открытие позитрона, также Блэкетт доказал существование ливней электронов и позитронов. Поскольку в обычной материи не содержится позитронов, Блэкетт разработал концепцию рождения пар на основе теории Поля Дирака – рождения пары частица – античастица за счет гамма-излучения. Кроме того ему удалось экспериментально доказать наличие обратного процесса, то есть аннигиляции.

После Второй мировой войны Блэкетт занимался космическим излучением и истоками межзвездного космического магнитного поля. Эти исследования, которые расходились с современным состоянием науки, привели его к исследованию истории магнитного поля Земли и намагничивания пород.

Джузеппе Оккиалини окончил Флорентийский университет, вначале работал во Флоренции, а потом переехал в Кембридж и стал работать в Кавендишской лаборатории, где познакомился с Патриком Блэкеттом. Он также был удостоен Нобелевской премии по физике в 1948 году за усовершенствование камеры Вильсона и сделанные с ее помощью открытия. В дальнейшем переключился на космические исследования.

Но нас интересует то, что происходило в Каведишской лаборатории после того, как познакомились Блэкетт и Оккиалини. Позитронов нет внутри атомов, по крайней мере, атомов материи, известной нам на Земле. Так откуда позитроны берутся в космических лучах? Андерсон этого не знал, ответ дали Блэкетт и Оккиалини: позитроны не являются внеземными пришельцами, а создаются в атмосфере самой космической радиацией.

Джузеппе Паоло Станислао Оккиалини (1907–1993) – итальянский физик, занимался физикой элементарных частиц. Считается одним из основателей европейской космической программы. Был первым директором Института космической астрофизики и физики космоса, который теперь носит его имя

Изначально Блэкетт работал с камерой Вильсона в группе Резерфорда в Кавендишской лаборатории. Он изобрел камеру, которая была готова к действию каждые десять секунд, и сделал фотографии на обычную кинематографическую пленку. В период с 1921 по 1924 год он зафиксировал более 20 000 фотографий следов, оставляемых альфа-частицами – продуктом радиоактивного ядерного распада – которые бомбардировали азот в камере. Время от времени альфа-частица сталкивалась с ядром атома азота и соединялась с ним таким образом, что азот превращался в другой элемент. Блэкетт таким образом зафиксировал ядерную трансмутацию на пленке и прославился.

Как уже говорилось, в Кавендишскую лабораторию в 1931 году приехал Джузеппе Оккиалини. Он специализировался на обнаружении ядерной радиации с помощью счетчиков Гейгера. Сравнив свои записи с исследованиями Блэкетта, Оккиалини понял, что, объединив усилия и опыт, они смогут изменить камеру Вильсона, превратив ее в очень эффективный инструмент. До них она в общем-то работала неточно.

Идея была блестящей и простой. Камера Блэкетта работала, автоматически снова и снова делая снимки, и ждала своего шанса – когда случится что-то выдающееся. На большинстве снимков ничего интересного не было, следы фиксировались примерно на одном из двадцати. Счетчик Гейгера усиливал сильные стороны и ослаблял слабые стороны камеры Вильсона. Он реагировал, если сквозь него проходила заряженная частица, но практически ничего не показывал для того, чтобы определить, откуда она появилась. Блэкетт и Оккиалини решили поместить один счетчик Гейгера над камерой Вильсона, а второй – под ней. Если оба счетчика отреагируют одновременно, это будет подтверждением прохода космического луча сквозь камеру, – решили они. В результате удалось зафиксировать следы космического излучения на пленке. Главное – это то, что следы остаются после прохождения луча, ведь к тому времени, как делался снимок, луч уже давно прошел, но важные капли все еще оставались в газе.

Классическая фотография (ок. 1930 г.) получена в опыте Блэкетта, где радиоактивный источник помещен в камеру Вильсона, наполненную смесью газов. Эту реакцию можно описать как захват ядра гелия ядром азота, который превращается при этом в короткоживущий изотоп фтора, мгновенно распадающийся (с высвобождением энергии) на кислород и протон. На фото полностью виден трек протона – без преувеличения можно сказать, что вероятность наблюдения такого трека не превышает одной миллионной

Если раньше у Блэкетта получалась одна успешная фотография из двадцати, то теперь результат показывали четыре из пяти! Первые фотографии этим методом были сделаны в июне 1932 года, а к концу осени у исследователей набралось уже около тысячи снимков. Они обратили внимание на то, что ряд следов, которые на первый взгляд казались электронами, на самом деле отклонялись не в ту сторону в магнитном поле. Блэкетт обсудил этот вопрос с Дираком.

Дирак не только не воскликнул «Эврика!», но даже и «Позитрон!», хотя это было доказательством его теории. Но этого не произошло. Почему-то Блэкетт с Дираком не смогли сделать должный вывод. Возможно, это объясняется осторожностью Дирака (или Блэкетт не смог оценить глубину теории Дирака, или просто не воспринимал ее достаточно серьезно). Но как бы это ни объяснялось, Блэкетт с Дираком расстались, и ни один из них не осознал до конца истины, которая была у них перед глазами. Как незадолго до них Скобельцын упустил Нобелевскую премию, так и Блэкетт с Оккиалини не заметили, какое открытие совершили. И только услышав об открытии Карла Андерсона, они наконец поняли, что обнаружили.

Карл Дэвид Андерсон (1905–1991) – американский физик-экспериментатор, открывший позитрон и удостоенный за это Нобелевской премии по физике (1936). Разделил премию с Виктором Гессом, открывшим космические лучи и доказавшим их внеземное происхождение

Но, к счастью, они могли предложить больше, чем Скобельцын и Андерсон в своих неточных и неустойчивых экспериментах. На многих фотографиях было видно до двадцати следов, оставленных частицами, которые выходили из какой-то точки на медной пластине, расположенной сразу же над камерой, словно вода из душа. Сильное магнитное поле во всей камере отклоняло треки, показывая, что примерно половина частиц заряжены отрицательно, а остальные – положительно. Блэкетт и Оккиалини поняли, что позитроны не появляются на Земле естественным образом. Появление равных количеств позитронов и электронов должно происходить потому, что они производятся некоей невидимой космической радиацией с большим количеством энергии. То есть позитроны формируются в результате столкновений космических лучей и атомов в камере Вильсона.

Камера, с которой работали ученые, имела стеклянные стенки в медной обшивке, и ливни были результатом ударов космических лучей о металл. Таким образом, одного электрона в космическом луче достаточно для получения каскада электронов и позитронов. Сильные электрические поля внутри атомов меди заставляли проходящие электроны излучать гамма-лучи и обеспечивали достаточное количество энергии этим гамма-лучам. Они в свою очередь обеспечивали пары электронов и позитронов. Уравнение Альберта Эйнштейна E = mc^2 подразумевает, что энергию (Е) можно превратить в массу (m) – радиацию в материю – а Блэкетт с Оккиалини впервые продемонстрировали создание материи и антиматерии из радиации. Они доказали, что новая частица Андерсона не является каким-то странным внеземным пришельцем, вторгающимся на чужую территорию.

Ироничным в этой драме является то, что Блэкетт с Оккиалини чуть не опередили Андерсона, а ведь вся слава могла достаться им. Андерсону было трудно убедить своего учителя Милликена в том, что он обнаружил положительную версию электрона, а не просто видел протоны. Работа Блэкетта и Оккиалини доказала, не оставив никаких сомнений, что это так, и Милликен с неохотой согласился с правотой Андерсона. А последний оказался достаточно смелым, чтобы опубликовать результаты своей работы в 1932 году несмотря на скептицизм Милликена. И его декабрьская публикация опередила появление работы Блэкетта и Оккиалини в феврале 1933 года. Поэтому первооткрывателем позитрона и считается Карл Андерсон.

Позитроны на Земле

После того как Поль Дирак указал путь, а новость об открытиях Андерсона, Блэкетта и Оккиалини быстро распространились в научном мире, позитроны стали появляться тут и там. Физики просматривали старые фотографии, сделанные в камерах Вильсона, и находили доказательства существования позитронов, которые раньше упускали. Многие, если бы обладали достаточной смелостью, смогли бы вписать свои имена в анналы истории и науки вместо Андерсона. Среди тех, кто упустил позитрон, можно назвать Ирен Жолио-Кюри, дочь Марии Кюри, и ее мужа Фредерика Жолио. Фредерик Жолио уже упустил одну Нобелевскую премию, хотя первым получил нейтроны в январе 1932 года и ошибочно принял их за гамма-лучи. Теперь они поняли, что также упустили и позитрон. Андерсон получил Нобелевскую премию за свое открытие в 1936 году. Однако в дальнейшем Кюри и Жолио повезло, и они удостоились Нобелевской премии по химии в 1935 году за получение недолговечных радиоактивных ядер. Одним из применений их работы является производство ядер, которые спонтанно эмитируют позитроны.

Естественную радиоактивность солей урана открыл Антуан Анри Беккерель (1852–1908) в 1896 году и получил Нобелевскую премию совместно с родителями Ирен Жолио-Кюри. Он обнаружил, что ядра атомов урана могут спонтанно меняться. Сегодня мы знаем: это происходит из-за того, что нейтрон в ядре превращается в протон, а электрический заряд в целом уравновешивается эмиссией отрицательно заряженного электрона. После открытия позитрона было естественным предположить, что может произойти ядерный распад, при котором протон превращается в нейтрон, а электрический заряд забирает позитрон.

Появилась идея о том, что радиоактивность может давать позитроны с такой же легкостью, как и электроны. Главная практическая разница между ними заключается в том, что происходит потом. Электрон после выбрасывания может двигаться как электрический ток или присоединиться к танцу планетарных электронов в соседних атомах, что инициирует химические реакции и бесконечные другие приключения в будущем Вселенной. В отличие от него позитрон – чужой на нашей Земле, он недолго живет в этом мире. Он оказывается окруженным материей, в которой содержится множество отрицательно заряженных электронов. И один из этих электронов мгновенно встает в пару с позитроном в космическом роковом танце. В течение микросекунды происходит аннигиляция – то есть взаимное уничтожение. Именно это в последние годы стало ключом практического использования позитронов.

Позитронная эмиссия является естественной и обычной. Способность определенных видов ядер эмитировать позитроны стала очень полезна для медицины и техники. В качестве примеров можно назвать углерод-11, азот-13 и кислород-15, которые являются радиоактивными формами обычных элементов в теле и могут быть использованы вместе с позитронной эмиссией для отслеживания таких функций тела, как, например, работа головного мозга. Базовый принцип состоит в том, что, когда ядро испускает позитрон, а последний аннигилируется вместе с ближайшим электроном, два гамма-луча могут выйти практически «спина к спине». Эту пару можно обнаружить с использованием электронной схемы, разработанной в физике частиц, что позволяет очень точно обнаруживать эмитирующее ядро.

А теперь о применении. Когда вы думаете, различные участки вашего головного мозга активны в разной степени. Если участок активен, то он использует энергию, которая подается в головной мозг, как химические сахара в кровоток. Если мы сможем измерить концентрацию сахара в головном мозге, то это будет свидетельством активности мозга. Химики могут соединить радиоактивные атомы с молекулами сахара, и эти сахара можно проглотить и распределить внутри тела в активные участки, например сердце, легкие, мышцы и мозг. Суть идеи, которая оказалась такой полезной для диагностирования в медицине, состоит в использовании сахаров, которые эмитируют позитроны. Позитроны сразу же аннигилируются вездесущими электронами в близлежащих атомах. Мы можем сказать, где в пространстве произошла аннигиляция, а следовательно, где локализован сахар, просто используя специальные камеры для определения вылетающих гамма-лучей.

Окружив голову пациента кольцом из камер, можно получить изображения головного мозга с различных участков. Данная техника известна как позитронно-эмиссионная томография, ПЭТ. Это активно развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В его основе лежит возможность при помощи специального распознающего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных излучающими позитроны радиоизотопами. Потенциал ПЭТ в значительной степени определяется арсеналом доступных меченых соединений – радиофармпрепаратов. Метод ПЭТ используется для изучения не только головного мозга, но и внутренних органов людей и животных. Подходящий радиофармпрепарат позволяет изучать с помощью ПЭТ такие разные процессы, как метаболизм, транспорт веществ, экспрессия генов и еще многое другое. Использование радиофармпрепаратов, относящихся к различным классам биологически активных соединений, делает ПЭТ достаточно универсальным инструментом современной медицины. Поэтому сейчас идет активная разработка новых радиофармпрепаратов и эффективных методов синтеза уже зарекомендовавших себя препаратов.

Определенные изотопы, которые представляют интерес для ученых и медиков, живут недолго (например, кислород-15, который используется для исследования кислородного метаболизма, живет всего две минуты). Поэтому их нужно готовить рядом с головой пациента. Их можно произвести, бомбардируя подходящие элементы протонами из маленького ускорителя.

Так что сегодня загадочное предсказание антиматерии Дираком используется для спасения жизней. Аннигиляция позитрона также используется для изучения материалов. Примером является аннигиляция в металлах, которая может выявить усталость металла гораздо быстрее, чем любая другая технология. Это используется для проверки турбинных лопаток в самолетах, в результате одновременно и лучше обеспечивается безопасность, и растет прибыль.

Ученые изучают химические свойства антиматерии, привязывая позитроны к обычным атомам. Электрон и протон формируют атомы водорода, поэтому электрон и позитрон могут формировать атом позитрония, который живет меньше одной миллионной доли секунды перед самоуничтожением. Молекулы позитрония уже были сформированы, идет обсуждение вопроса, могут ли плотные массы таких молекул сформировать основу лазера, работающего на гамма-лучах.

Так что античастицы в форме позитронов уже являются знакомыми и ежедневно используются. Они менее известны, чем электроны, просто потому, что их меньше, и поэтому их быстрее убивают. Как мы уже говорили выше, дневной свет – это конечный продукт позитронов, семена антиматерии, которые были произведены в солнечной печи сто тысяч лет назад, а свет для далекого будущего готовится позитронами, которые производятся прямо сейчас. Солнечный ядерный синтез эффективно превращает четыре протона в ядро гелия, плюс два позитрона и нейтрино. Позитроны аннигилируют для производства фотонов. Масса гелия меньше, чем сумма масс четырех протонов, а излишняя mc^2 – это энергия, которая также появляется на поверхности в виде видимого света. Примерно 10 % видимого света возникло как аннигиляция позитронов.

Аннигиляция

Есть материя, например электрон, и есть антиматерия, например позитрон, а еще есть то, что не является ни материей, ни антиматерией. Самый известный пример последнего – электромагнитное излучение. Все электромагнитное излучение, от гамма-лучей до рентгеновских и от ультрафиолета до видимого света, инфракрасных лучей и радиоволн, состоит из фотонов с различной энергией. Материя и антиматерия могут уничтожить друг друга, а их аннигиляция оставляет не-вещество в форме фотонов. При соответствующих условиях эта последовательность может иметь место в обратном порядке, и фотоны превратятся в материю и антиматерию.

Чистая энергия, концепция, которую так любят ученые, в особенности говоря о естественных процессах, – это тоже не-вещество. Она может перейти из одной формы в другую, например быть электрической, химической или энергией движения, она может также превратиться в материю и антиматерию. Эйнштейн сказал нам, сколько вещества может конденсироваться из энергии, для этого есть формула E = mc^2. Минимальное количество энергии для производства электрона и позитрона – это 2mc^2: одной порции mc^2 достаточно для производства стационарного электрона, а второй – позитрона. После появления, если они созданы стационарными, они почти точно сразу же уничтожат друг друга и высвободят энергию, которая на мгновение была поймана в ловушку внутри них. Чтобы дать позитрону шанс на выживание, нужно иметь больше энергии, чем этот минимум; «излишек» становится кинетической энергией, движением, так что после рождения электрон и позитрон понесутся прочь и сбегут друг от друга.

Шатьендранат Бозе (1894–1974) – индийский физик, один из создателей квантовой статистики

Фотон света является одним из более сотни известных примеров частиц, являющихся не-веществом. Они называются бозоны, или бозе-частицы, – в честь Шатьендраната Бозе, специалиста по математической физике. Термин был предложен Полем Дираком. Бозоны – это частицы, или квазичастицы с целым спином, они подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, которая допускает, что в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Различают элементарные и составные бозоны.

В отличие от них вещественные частицы, которые являются основными частями материи или антиматерии, называются фермионами (или ферми-частицами) в честь итальянского физика Энрико Ферми. Он разработал теорию бета-распада, открыл искусственную радиоактивность, вызываемую нейтронами, замедление нейтронов в веществе. Преуспел как в теоретической физике, так и в экспериментальной. Именно Ферми после того, как эмигрировал в США, построил первый ядерный реактор и первым осуществил в нем цепную ядерную реакцию в 1942 году. Он был удостоен Нобелевской премии в 1938 году за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами.

Ядерной физикой Ферми стал заниматься в 1932 году и в 1934 году создал первую количественную теорию бета-распада, известную также как четырехфермионная теория слабого взаимодействия. Ее суть в том, что при бета-распаде в одной точке взаимодействуют четыре фермиона (протон, нейтрон, электрон и нейтрино). Эта теория стала прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц. В 1939 году Ферми высказал мысль, что при делении ядра урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов, и если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, то тогда путь к цепной реакции будет открыт. Проведенный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.

Ферми был одним из руководителей Манхэттенского проекта, в частности занимался первым испытанием бомбы в Аламогордо и являлся одним из научных консультантов президента Трумана по вопросам использования бомбы. В честь него названа уже упоминавшаяся в этой книге «Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория (США).

Фермионы, названные в честь Энрико Ферми, – это частицы, или квазичастицы с полуцелым спином. К этой группе относятся электрон, протон, нейтрон, мюон, нейтрино, кварки и ряд других. Поведение фермионов описано в уравнении Дирака; бозоны следуют другим правилам. По сути Дираку повезло. Его целью было уравнение для частиц, имеющих массу, и решение проблемы положительной и отрицательной энергии. В 1928 году единственными известными частицами, имеющими массу, были электрон и протон. Кстати, оба являются фермионами. Другая идентифицированная частица, фотон, была бозоном, но без массы. Через двадцать лет после революции в науке, которую произвело уравнение Дирака, в космических лучах был открыт бозон с массой – пион. Если бы пион открыли к 1928 году, маловероятно, что Дирак стал бы так напряженно работать над своим уравнением, если бы вообще стал.

Вселенная построена из базовых частиц, которые оказываются пойманными в ловушку в бесконечном танце природными силами, самыми известными из них являются сила тяжести, а также электромагнитные силы. Они действуют на большие расстояния, по сути бесконечные, если сравнить с размерами атомов. Благодаря силе тяжести планеты остаются на своих орбитах, вращаясь вокруг Солнца, одновременно кружащиеся электрические потоки внутри Земли порождают магнитные поля, которые поворачивают маленькую стрелку компаса, направляя потерявшихся путников к дому. По крайней мере раньше было так. Сегодня люди скорее будут полагаться на систему GPS, но лежащий в основе принцип подобен использовавшемуся в старые добрые времена: связь со спутником посредством радиоволн, электромагнитной радиации, и это проявление все тех же вездесущих сил.

Энрико Ферми (1901–1954), один из создателей ядерной физики, в развитие которой он внес огромный вклад, и нейтронной физики, а также квантовой статистики

Если вы наблюдаете за магнитом, притягивающим кусок металла, или компасом, стрелка которого поворачивается к Северному полюсу, вы можете задуматься: что между ними общего? Какой агент тут действует? Происходящее в данном случае можно назвать «электромагнитным полем», но, по большому счету, это не объяснение. Мы просто придумали ярлык для странного явления, для действия через весьма существенное расстояние. Один из результатов работы Дирака – открытие того, что самим электромагнитным полем управляет квантовая теория. Фотоны – пучки электромагнитной радиации, подобные частицам, и они передают электромагнитную силу по мере того как перемещаются от одной заряженной частицы к другой. Двигающийся взад и вперед электрон в радиоантенне в Лондоне может вызвать подобную реакцию внутри вашего радиоприемника, стоящего у вас дома (а ваш дом может находиться очень далеко от Лондона), и передатчиком в данном случае будут электромагнитные волны – благодаря радиоволнам также происходит и движение фотонов. Движение в одной точке приводит к движению в другой; фотоны проходят по разделяющему две точки пространству; сила приходит к вам.

«Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми, США

В современной «квантовой теории поля» не только электромагнитная, но и все силы передаются бозонами. Считается, что то, что фотон делает для электромагнитной силы, то и «гравитон» делает для силы тяжести. Пока никто еще не обнаружил гравитон, но мало кто сомневается, что он существует и когда-нибудь будет открыт. Есть две другие силы, которые также передаются бозонами.

Эти силы менее широко известны, потому что в основном действуют в атомном ядре и вокруг него, их можно раскрыть только благодаря высокочувствительной аппаратуре, способной работать на таком уровне. Они известны как сильное взаимодействие и слабое взаимодействие, названия отражают их очевидную мощь относительно знакомой нам электромагнитной силы.

Схема ядерного синтеза

Сильное взаимодействие строит протоны и нейтроны из более мелких частей, известных как кварки (о них мы подробнее поговорим ниже), и склеивает вместе атомное ядро. Слабое взаимодействие заставляет Солнце светить и является очень важным для строительства элементов, без которых Земля и мы сами не можем существовать. Эта сила действует внутри атомных ядер, медленно съедая их изнутри и в конце концов трансформирует составляющие их части в более стабильные комбинации. Таким образом на Солнце, где протоны являются топливом, слабое взаимодействие постепенно превращает четыре из этих протонов в компактный кластер, который является ядром гелия, состоящим из двух протонов и двух нейтронов. Оперируя таким образом, слабое взаимодействие трансформирует два из протонов в нейтроны, их положительный электрический заряд забирают позитроны. За пять миллиардов лет примерно половина солнечного топлива, его протоны, изменилась таким образом. Это дает представление о том, насколько слаба эта сила при работе внутри солнечной печки, за что мы можем быть благодарны: Солнце живет достаточно долго, чтобы появились разумные существа, но при этом работает достаточно быстро для обеспечения условий, при которых жизнь вообще смогла появиться.

Сильные и слабые силы интересуют физиков уже более полувека – с тех самых пор, как их существование было признано. Сегодня мы понимаем, как они работают, и их секреты фактически раскрыло использование антиматерии. Они тоже передаются бозонами.

Глюоны – это то, что склеивает кварки друг с другом для построения протонов и нейтронов, а затем пионы помогают построить ядра атомов с использованием последних. Пионы также именуются пи-мезонами, это субатомные частицы, открытие в 1947 году. Слабое взаимодействие проявляется двумя определенными путями, и есть бозоны, которые его передают. Одно из проявлений подобно электромагнитной силе, но гораздо слабее, оно передается электрически нейтральным бозоном известным как Z^0 (ноль обозначает отсутствие заряда). Этот Z^0 подобен фотону, за исключением того, что очень массивен, массивнее даже атома железа. Для него даже придумали название – «тяжелый свет». Второй способ проявления слабого взаимодействия – это обмен участвующих частиц количествами электрического заряда. Например, при трансформации протона в нейтрон внутри Солнца слабая сила взяла электрический заряд у протона и передала его позитрону. А откуда появился этот позитрон? Он был создан из энергии, унесенной носителем слабой силы, известным, как W+. В данном случае плюс обозначает, что у W положительный электрический заряд. W также может существовать и с отрицательным зарядом, как при распаде нейтрона. В данном случае нулевой заряд нейтрона превратился в положительный (протон) и отрицательный (W—), отрицательный электрический заряд W — передается электрону.

Все эти агенты, которые передают силы, являются не-веществом, они и не материя, и не антиматерия, они – бозоны. Они воздействуют на частицы материи или антиматерии и сами могут превращаться в уравновешивающие части этих двух форм вещества, которые являются фермионами. Так что, похоже, природа обеспечила два варианта частиц: носители силы, которыми являются бозоны, и основные кирпичики вещества, которыми являются фермионы. Бозоны могут приходить и уходить; фермионы в конечном счете распадаются до своих самых стабильных форм, электронов и комбинаций протонов и нейтронов, на этом этапе риск для них представляют их вторые «Я» из антиматерии.

Сражение между материей и антиматерией во Вселенной шло четырнадцать миллиардов лет назад, победила материя. Фермионы порождают структуру, обладают стабильностью и ведут к жизни. Мы сформированы из атомов, которые существуют уже миллиарды лет, и только теперь они конфигурируются в соединения, которые думают, что они – это мы. Мы вдыхаем кислород, выдыхаем углекислый газ, растем и умираем, но наши атомы продолжат свое существование. Их базовые части снова соединятся или пересоединятся в бесконечном разнообразии в далеком будущем – пока (и если) не встретятся с антиматерией.

Другие античастицы

Дирак изначально написал свое уравнение, чтобы объяснить электрон. Однако оно подходит для всех фермионов и точно также подходит к протону или нейтрону. Уравнение подразумевало, что у электрона имеется версия с отрицательной энергией, и Дирак успешно это интерпретировал как положительно заряженный позитрон с положительной энергией. Точно так же уравнение подразумевало, что у протона и нейтрона есть двойники, или аналоги, в антиматерии – антипротон и антинейтрон. У антипротона такая же масса, как и у протона, но отрицательный заряд вместо положительного. Точно так же у антинейтрона такая же масса, как у нейтрона, и нулевой заряд. Поскольку заряд у антинейтрона такой же, как у нейтрона, каким свойством они различаются?..

Хотя у нейтрона в целом нет электрического заряда, внутри у него заряд содержится. Как мы увидим, и у протона, и у нейтрона есть небольшой участок, в котором можно провести измерения. Внутри него кружатся электрические заряды, положительные и отрицательные, которые при сложении дают то целое, которое мы называем зарядом протона или нейтрона. Хотя в целом заряды нейтрона складываются в ноль, их движения производят кружащиеся электрические токи и магнетизм, что можно почувствовать, наблюдая, как нейтрон движется в магнитном поле. Внутри антинейтрона эти отдельные электрические заряды имеют противоположный знак, а потоки внутри него являются зеркальным отображением потоков внутри нейтрона. В результате магнетизм – Северный и Южный полюса, если хотите, меняются местами. В магнитном поле пути нейтронов и антинейтронов являются зеркальными отображениями друг друга. Как мы увидим ниже, точки электрических зарядов, которые соединяются для формирования протонов и нейтронов, сами по себе являются маленькими частичками, известными как кварки. Протон или нейтрон состоит из кварков; а их двойники, или аналоги, состоят из антикварков.

После открытия позитрона в 1932 году встала задача подтвердить, существует ли также и другая часть атома антиводорода, антипротон. Проблема состояла в том, что протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Так будет ли антипротон на столько же тяжелее позитрона? Это означает, что для его производства требуется гораздо большее энергии.

К 1950 году в космическом излучении открыли и другие новые частицы. Они включали мюон, который является более тяжелой версией электрона; уже упоминавшийся пион, который является бозоном и весит примерно одну седьмую часть протона. Также были частицы, известные как каон, которые назвали «странными» частицами, потому что они имеют неожиданно долгий срок жизни. Но антипротон не нашли. Общее мнение было таково, что антипротон существует – настолько физики были уверены в истинности утверждений Дирака. Амбициозный план появился в Калифорнийском университете в Беркли – там решили построить ускоритель, который будет ускорять протоны таким образом, что при ударе в цель появится достаточно энергии для производства антипротона. Задачей было построить машину и разработать средства для обнаружения и идентификации антипротона, причем так, чтобы не оставалось никаких сомнений.

«Беватрон» начали проектировать в конце 1940-х годов, в первую очередь для проведения экспериментов в области физики высоких энергий и элементарных частиц, в частности для экспериментального наблюдения антипротонов. Поскольку на момент проектирования жесткая фокусировка еще не была изобретена, ускоритель получился слабофокусирующим. Это означало большой размер пучка, а значит, огромную вакуумную камеру и гигантский размер магнитных элементов. Магнит «Беватрона», создающий ведущее поле, весил 10 000 тонн. Чтобы запитать магнит при подъеме энергии протонного пучка, использовался огромный мотор-генератор. После окончания очередного цикла, когда пучок был выпущен или сброшен, энергия из магнитного поля извлекалась обратно, раскручивая мотор. Выпущенный из «Беватрона» пучок протонов мог непосредственно использоваться в экспериментах, либо, после взаимодействия с мишенью, производить вторичные пучки других частиц, например нейтрино и пионов. Первичные или вторичные пучки использовались в разнообразных экспериментах для изучения физики элементарных частиц. Для отслеживания происходящего внутри машины использовались жидководородные пузырьковые камеры, в которых перегретый жидкий водород вскипал при прохождении одиночной частицы. Каждое такое событие фотографировалось на фотопленку, треки измеряли, а для обработки многих тысяч фотоснимков были разработаны специальные автоматы.

Оуэн Чемберлен и Эмилио Сегре, получившие Нобелевскую премию за открытие антипротонов, 1959

В 1954 году «Беватрон» заработал, и в 1955 году были зарегистрированы первые антипротоны, а вскоре и антинейтроны. Это оказалось непросто, потому что антипротоны встречаются редко и их количество серьезно перевешивается производимыми легкими частицами, например множеством электронов, позитронов и пионов. Антинейтрон обнаружила другая группа ученых, которую возглавлял Оресте Пиччионе. Это произошло в 1957 году.

Вообще объявлялся конкурс на работу на «Беватроне», и первой ее выиграла команда, в которую входили Чемберлен и Сегре, а второй к работе была допущена команда Пиччионе, которая также участвовала в конкурсе. Комиссия долго обсуждала, кого допустить первыми. Пиччионе представил несколько интересных идей по улавливанию антипротона, но в целом комиссия посчитала, что Чемберлен и Сегре представили более интересный набор предложений и идей, и поэтому их допустили первыми, а Пиччионе – вторым.

Так что через тридцать лет после предсказания Дирака существование базовых частиц антимира было доказано экспериментально. И это стало началом расхождений по вопросам антиматерии и судебных тяжб. Комиссия допустила Чемберлена с Сегре первыми, и именно они получили Нобелевскую премию по физике. Но антинейтрон открыл Оресте Пиччионе, работавший после них. Он не считал, что антинейтрон заслуживает отдельной Нобелевской премии (говоря про антинейтрон в этой связи, его называли «глазурью на торте»), но полагал, что его должны были включить в состав лауреатов премии за антипротон, так как Чемберлен и Сегре, по его мнению, использовали ряд его идей. И это послужило причиной начала судебной тяжбы. Ряд ученых утверждали, что все дело тут в удаче – Чемберлену и Сегре позволили работать первыми, поэтому они и стали первооткрывателями антипротона. Вообще научное сообщество в этом вопросе разделилось. Кто-то считал, что Пиччионе следовало включать в состав лауреатов, другие считали, что не следовало давать Нобелевскую премию и Чемберлену с Сегре, а ее заслужили проектировщики «Беватрона» или, по крайней мере, они должны были быть включены в состав лауреатов. Но с требованием компенсации за исключение из состава номинантов Пиччионе обратился только в 1972 году, через тринадцать лет после присуждения премии. Суд посчитал, что прошел слишком большой срок, и отказался удовлетворить иск.

Мы никогда не узнаем, каких успехов Пиччионе мог бы добиться, если бы он был первым. Ведь он мог бы и не открыть антипротон! История не знает сослагательного наклонения. Бурно обсуждавшее этот вопрос научное сообщество на какое-то время утратило любопытство к античастицам. Но интерес опять появился после открытия еще более глубокого слоя материи, кварков, и антиматерии, антикварков, что в конце концов приведет к объяснению того, как материя появилась в результате Большого взрыва.

Кварки и антикварки

Когда Дирак выступил с предположением о существовании антиматерии, он знал только электрон и протон. Даже после открытия нейтрона (которое произошло в тот же год, что и открытие позитрона, о котором говорил Дирак), «меню» частиц все равно оставалось небогатым. Однако в течение тридцати лет было открыто столько частиц в космических лучах и в новых ускорителях частиц, что кажется, если бы Дирак выступил со своим предположением тридцать лет спустя, на него мало кто обратил бы внимание. Еще одна частица? Ну и что?

Ускоритель в Беркли, о котором мы только что рассказали, разработанный для производства антипротонов, также добавил и другие новые частицы в «меню». Все эти новые частицы были нестабильными, некоторые жили не дольше, чем лучу света требуется для того, чтобы пересечь атомное ядро. По сути это – сказать, что частица умирает в момент ее создания. Поскольку теория относительности Эйнштейна подразумевает, что информация не может путешествовать быстрее скорости света, частице требуется какое-то мгновение на то, чтобы сформироваться, а потом распасться на более мелкие части. Другие обнаруженные частицы жили дольше, но и в этом случае мы имеем в виду менее одной миллиардной доли секунды или примерно то время, которое свету требуется, чтобы пройти по вашей ладони. Вы можете задуматься: а как кто-то вообще смог узнать о чем-то таком эфемерном? Ответ заключается в мощи современной электроники и в том факте, что, когда эти частицы путешествуют на скоростях, близких к скорости света, они могут преодолевать измеримые расстояния в период своей короткой жизни.

Любая частица, имеющая электрический заряд, может выбивать электроны из атомов в воздух, когда в них врезается. Если воздух влажный, то после прохождения частицы образуется след из паров. Камера Вильсона революционизировала понимание атомных частиц, включая открытие позитрона в первой половине ХХ века. Но изобретение более мощных инструментов сделало ее музейным экспонатом во второй половине ХХ века.

Американский физик и нейробиолог Дональд Артур Глейзер (1926–2013), сын еврейских иммигрантов из России, наблюдал за пузырьками в кружке пива. И это наблюдение в 1952 году, когда он работал в Мичиганском университете, привело к изобретению им пузырьковой камеры для регистрации заряженных частиц, за которую он в 1960 году был удостоен Нобелевской премии по физике. В дальнейшем Глейзер работал в Калифорнийском университете в Беркли, где изобрели «Беватрон», на котором он лично проводил эксперименты. До пузырьковой камеры Глейзер сконструировал множество улучшенных камер Вильсона и искровых камер, разработал несколько типов пузырьковых камер для экспериментов в области высоких энергий и сам экспериментировал на них.

Пузырьковая камера очень быстро стала поразительным средством для открытия танца субатомных частиц. В камере Вильсона частицы формировали пузырьки жидкости в окружающем газе, а в пузырьковой камере они формировали пузырьки газа в жидкости. И образы пузырьковых следов – спиралей в магнитном поле, которые дробятся при распаде частиц, производя «потомство», будто родители, передающие свои гены, стали удивительными произведениями искусства и открытием невероятных истин для тех, кто научился эти следы расшифровывать.

К протону и нейтрону вскоре присоединились частицы, которые во многом казались более тяжелыми их версиями, но со свойствами, благодаря которым их назвали «странными частицами». Некоторые являются более странными, чем другие. Еще были частицы, не имеющие того особого характера, который позволил бы называть их «странными», но они были своеобразными, они волновали и дразнили ученых. Им стали давать имена, используя греческие буквы и обозначения этих букв в греческом языке. Так, например, появились лямбда (Λ), омега (Ω), сигма (Σ), дельта (Δ) и другие. Когда греческого алфавита не стало хватать, перешли на латинский.

По мере появления все большего количества частиц постепенно у некоторых из них начали выделять общие черты – значит, все они не являются независимыми, а принадлежат к нескольким семьям. Происходящее напоминало то, что произошло с элементами атома в предыдущем столетии. Менделеев обратил внимание на регулярность среди элементов, на основании чего построил свою периодическую систему элементов. В дальнейшем было найдено объяснение этой периодичности: атомы состоят из нескольких общих составляющих, электроны вращаются вокруг ядра из протонов и нейтронов. Доказательство того, что атомы на самом деле состоят из более мелких частей, впервые было получено Джозефом Джоном Томсоном, когда он высвободил из них электроны, о чем мы рассказывали выше, а потом Эрнестом Резерфордом, открывшим существование атомного ядра. Все шло подобным образом и с множеством других частиц, которые живут очень недолго, в духе «атомного дела», хотя имелись отличия в деталях.

Открыв ядро атома, Резерфорд негативно отзывался о перспективах ядерной энергетики: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор». Также он открыл альфа– и бета-лучи и установил их природу, разработал теорию радиоактивности, осуществил первую искусственную ядерную реакцию и именно он предсказал существование нейтрона. Правда, Нобелевскую премию Резерфорд получил по химии – за исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ.

Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориями. Этим английская школа отличается от немецкой школы экспериментаторов, которая исходит из существующих теорий и стремится проверить их опытом. Резерфорд мало пользовался формулами и мало прибегал к математике, но был гениальным экспериментатором. Важным качеством Резерфорда как экспериментатора была его наблюдательность, что отмечали многие коллеги. Резерфорд понял, что у атома имеется некий твердый центр, после того как наблюдал за альфа-частицами, ударяющими атомы. Иногда они отскакивали от атомов так сильно, будто ударили по какому-то твердому предмету внутри. Это и было атомное ядро. Подобное произошло и много лет спустя, но в более грандиозных масштабах, когда открылось, что протон, нейтрон и их многочисленные родственники не являются основными зернами материи, а сделаны из еще более мелких частиц под названием кварки.

Резерфорд с помощниками открыл атомное ядро, проводя эксперименты в Манчестерском университете, а для проникновения внутрь протонов и нейтронов потребовался ускоритель длиной 3 километра. Электронные лучи выходили из ускорителя на территории Стэнфордского университета, который находится к югу от Сан-Франциско, и ударяли по цели из водорода, а затем прокладывали путь глубоко внутрь протонов, которые находятся в центре каждого атома. Время от времени электроны резко отскакивали, сбиваясь с курса, причем гораздо сильнее, чем было бы, если бы протоны являлись просто миниатюрным мячиком с электрическим зарядом. Как было и с ядром атома, так и с протоном: электрический заряд протона не размазан ровно по всему объему, а вместо этого сконцентрирован на трех гораздо меньших частицах внутри, известных как кварки. В действительности то, что мы называем протоном, – это не больше, чем три кварка, которые дергаются в разные стороны, пойманные и заключенные в постоянную тюрьму, размер которой не больше одной миллионной части одной миллиардной метра. Если взглянуть на муравейник, то он на первый взгляд кажется единой коричневой кучей, но если приглядеться повнимательнее, он окажется шевелящейся массой крошечных существ. Точно так же протон издали кажется компактным шаром с зарядом, но при внимательном рассмотрении оказывается беспорядочной смесью кварков.

Кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом. Кварки не встречаются в свободном состоянии, но входят в состав других сильно взаимодействующих частиц, например, протонов и нейтронов. Кварки являются бесструктурными, точечными частицами. В настоящее время известно 6 разных типов кварков, иногда говорят – «ароматов» кварков (u, d, s, c, b, t). Они обладают и дополнительной внутренней характеристикой, которая называется «цвет» (что является специфическим квантовым числом). Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Пузырьковая камера Глейзера произвела революцию – и появились целые семьи новых частиц. Упорядочить их удалось только спустя десять лет

Гипотеза о существовании кварков, то есть о специфических субъединицах, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы, была впервые выдвинута в 1964 году, причем это сделали двое ученых – американский физик Мюррей Гелл-Манн и американский физик и нейробиолог Джордж Цвейг – независимо друг от друга. Оба предложили свои названия. Цвейг называл их «тузами» (он предполагал, что существует четыре кварка), но это название не прижилось, поскольку кварков в признанной модели три, а к настоящему времени известно шесть типов. Гелл-Манн позаимствовал слово «кварк» из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором чайки кричат: «Три кварка для мистера Марка!». Скорее всего, это подражание звукам, которые издают чайки, но точно это неизвестно. Еще в 1961 году Гелл-Манн предложил классификацию элементарных частиц – и в настоящее время она объясняется при помощи кварковой модели. Вообще, современная теория взаимодействия кварков основывается на работах Гелл-Манна. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1969 году за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий.

Кварки естественным образом группируются в три так называемых поколения (правда, пока неизвестно, почему это происходит). Кваркам, таким образом разделенным на группы, были даны интересные названия: верхний и нижний (первое поколение); странный и очарованный (второе поколение); прелестный и истинный (третье поколение). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2⁄3, а другой – зарядом -1⁄3.

Эрнест Резерфорд (1871–1937) – создатель учения о строении атома. Предложил планетарную модель атома (положительно заряженного очень маленького ядра, содержащего бо́льшую часть массы атома, и отрицательно заряженных легких электронов, вращающихся вокруг него)

Кварки участвуют в различных взаимодействиях, среди которых можно назвать электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут повлиять на аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не способен удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде, как было сказано выше. Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков, они называются адронами.

Естественно возникает вопрос: а почему ученые уверены в существовании кварков, если в свободном виде их увидеть нельзя? Не будем нагружать вас многочисленными подтверждениями, которые приводились до появления мощных ускорителей частиц. Но теперь они есть, и их энергии постоянно повышаются, поэтому стало возможным попытаться выбить отдельный кварк из адрона при высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала четкие предсказания, как должны выглядеть результаты таких столкновений – в виде струй. Такие струи действительно наблюдаются в экспериментах. А если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы не было. Также эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая теоретически ожидалась для объекта, состоящего из трех кварков. А при столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон—антимюон. Также можно сказать, что гипотеза кварков и все, что из нее вытекает относительно строения адронов, способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Однако до сих пор не найдены ответы на ряд вопросов. Почему существует три поколения кварков? Почему существует три цвета? Почему такой разброс в массах и из чего состоят сами кварки? Некоторые ученые считают, что кварки состоят из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц—составляющих кварков уже придумано: преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов.

Кварки плотно прикрепляются друг к другу, по три (в случае барионов, мезоны состоят из кварка и антикварка), и таким образом получаются протоны, нейтроны и другие многочисленные частицы. Два типа ядерных частиц, протоны и нейтроны, сами состоят из двух типов кварков, верхнего и нижнего, которые мы упоминали выше при рассказе о поколениях кварков. У этих зерен материи есть электрические заряды, величины которых являются лишь частями заряда протона. У протона положительный заряд, а, например, заряд верхнего кварка – 2/3 положительный, заряд нижнего кварка – 1/3 отрицательный. Два верхних кварка и один нижний кварк составляют протон (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1). Два нижних кварка и один верхний дают нулевой заряд (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0), а это и есть нейтрон.

Существуют комбинации трех верхних кварков и трех нижних, эти частицы имеют короткий срок жизни, они называются «дельта». Добавим к паре верхний и нижний кварк третий тип кварка, который называется «странный» (это второе поколение, как мы упоминали выше), с тем же электрическим зарядом, что и нижний кварк (-1/3). Он по сути идентичен последнему во всем, кроме массы (примерно на 20 % тяжелее) – и вы получаете странную частицу. Чем больше странных кварков в тройке, тем более странной получается частица. В протоне и нейтроне нет странных кварков. В более тяжелых и немного странных частицах под названиями «лямбда» и «сигма» есть по одному странному кварку. Более странная частица кси содержит два странных кварка, а самая странная из всех – омега – состоит из трех странных кварков.

Уравнение Дирака относится к кваркам точно так же, как к электронам и протонам, и при этом имеется тот же намек на антиматерию. Позитрон – это зеркальная античастица по отношению к электрону, и точно так же антикварк – это зеркальное отражение кварка, у него та же масса, тот же размер и тот же электрический заряд, что и у кварка, только знак этого электрического заряда меняется на противоположный. Таким же образом антиверхний кварк (вы можете называть его «верхний антикварк», если вам так больше нравится, или «антиверхний антикварк», поскольку общепринятого названия не существует) имеет заряд -2/3 вместо +2/3, а у антинижнего кварка заряд +1/3 вместо -1/3. Точно так же, как два верхних и один нижний составляют положительный протон, два антиверхних и один антинижний составляют отрицательный антипротон. И так же два антинижних и один антиверхний составляют антинейтрон. У всех странных частиц под греческими названиями, например, лямбда, сигма, кси и омега, имеется какой-то «анти»-двойник. Замените любой из типов кварков на соответствующий антикварк, и вы получите антилямбду, антисигму и т. д. Их получали во время экспериментов, когда свободная энергия при столкновении луча протонов, выходящего из ускорителя, и цель в лаборатории давали новые частицы и античастицы. Каждая из полученных частиц, похоже, имеет своего двойника, идеальное зеркальное отражение – это нечто типа инь и ян.

* **

Что происходит, когда кварк встречается с антикварком? Мощная сила, удерживающая кварки и антикварки по три, также может притянуть и единичный кварк к антикварку. Многие частицы, которые встречаются в космических лучах и ускорителях, например пионы и странные каоны, – это крошечные пучки кварка и антикварка. Такая комбинация не является ни материей, ни антиматерией, но содержит образцы каждой, кварк материи и антикварк антиматерии. Если кварк и антикварк заключены в миниатюрной вселенной, которая простирается только на одну тысячную часть миллиардной части метра, они практически мгновенно встретятся и уничтожат друг друга. Поэтому пион и каон живут только очень короткое время.

Эксперименты показали, что случается, когда протон встречается с антипротоном. Иногда они просто плывут друг к другу, иногда на скорости врезаются друг в друга, и конечный продукт варьируется. Чем больше скорость, на которой происходит столкновение, тем больше их энергия, тем больше пионов или гамма-лучей создается при взрыве. В процессе экспериментов ученые узнали, чего ожидать, если кто-то с успехом создаст источник энергии на основе антиматерии, или бомбу, или если в нашу атмосферу прилетит антикамень из космоса. Мы уже поняли достаточно, чтобы предсказать возможные результаты.

Эксперименты показали, что аннигиляция не происходит мгновенно. Вместо этого протон и антипротон немного «танцуют», как бы ухаживая друг за другом, и только потом происходит их окончательное судьбоносное слияние. Представьте протоны в куске материи, когда приближается антипротон. Положительный заряд протона создает электрическое поле, которое распространяется в пространстве в масштабах атомов. Эти расстояния составляют примерно десять миллиардных метра и кажутся нам крошечными, но при этом они примерно в десять тысяч раз больше, чем размер и самого протона, и самого антипротона. Если антипротон приближается к протону относительно медленно, то он окажется в ловушке из-за противоположных зарядов и начнет вращаться по орбите вокруг протона подобно тому, как делает электрон в обычном атоме. Изначально эта орбита далеко, но по мере того как антипротон станет терять свою энергию, он будет переходить с внешних орбит на внутренние и при этом эмитировать гамма-лучи. Именно эти гамма-лучи можно уловить, а их энергию измерить. Это подобно тормозным следам автомобиля на месте аварии, по которым можно определить последовательность событий.

Наконец, антипротон оказывается на близко расположенной орбите и в радиусе действия мощной силы, сопротивляться которой не могут ни протоны, ни антипротоны. Описанный танец мог продолжаться в течение одной сотой доли секунды, но, как только частица попадает под действие мощной силы, конец наступает практически мгновенно. Новость о катастрофе идет со скоростью света через протон и антипротон, и они исчезают за менее чем миллиардную долю миллиардной доли секунды, оставив после себя гамма-лучи и пионы. Потом они тоже исчезают: пионы, состоящие из кварка и антикварка, живут очень недолго, они саморазрушаются, тоже превращаясь в гамма-лучи, или в электроны, позитроны и нейтрино, и все они несут энергию аннигиляции.

Аннигиляция дает уникальную возможность – высвобождение энергии из материи. Что это? Благо или зло? В нашем материальном мире антиматерия разрушает все. Если мы хотим, чтобы антиматерия приносила пользу, мы должны научиться ее сдерживать и удерживать вне любой материи и так долго, как нужно перед тем, как захотим ее использовать. Теперь расскажем о решении этой проблемы.

Хранение антиматерии

Проблема хранения энергии касается не только антиматерии. Мы знаем, как хранить нефть и газ. Но сейчас по всему миру идет активное развитие альтернативной энергетики, изучаются возможности использования солнечных батарей и ветрогенераторов. Электричество, произведенное этими источниками энергии, уже используется, хотя, конечно, до освещения и отапливания домов только с помощью энергии солнца, силы ветра и антиматерии еще очень далеко.

Но энергетические комплексы для выработки энергии из альтернативных источников уже есть – например, они работают в небольших изолированных поселках в разных странах мира. Если тянуть на сотни километров линии от электростанции, потери окажутся неоправданно большими. Поэтому в таких уголках активно строят солнечные и ветряные электростанции.

В США стоимость киловатта в регионах с большим количеством солнца составляет семь центов. Конечно, на юге эффективность солнечных батарей всегда будет выше. В некоторых регионах такие установки выбирают, руководствуясь заботой об окружающей среде. Иногда солнце и ветер используют во взаимодействии с электросетью.

Теоретически эффективность преобразования солнечной энергии может достигать 86 % (антиматерии – 100 %). Правда, КПД нынешних солнечных батарей в массовом производстве составляет всего 18 %, но это все равно выгодно. А какую выгоду может дать использование антиматерии?

Век нефти закончится не из-за дефицита нефти, а из-за того, что появляются новые технологии, одной из которых может стать антиматерия. На сегодняшний день способ преобразования солнечной энергии уже достиг уровня, когда он начинает конкурировать с имеющимися старыми источниками электроэнергии, включая АЭС

Не так давно было предложено решение проблемы хранения энергии, выработанной солнечной батареей. Американский изобретатель Илон Маск представил литий-ионные аккумуляторы. Возможно, это изобретение изменит расклад сил в мировой энергетике.

А что же с антиматерией, которая определенно может быть более эффективна, чем солнце и ветер? Решение вопроса хранения вещества, которое разрушает все, предложил Бруно Тушек, австрийский физик, который занимался физикой ускорителей и создал первый в мире электрон-позитронный коллайдер. В его коллайдере пучки частиц и античастиц вращаются в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Поскольку антиматерия разрушит любой материальный предмет, ее следует держать в клетке, не имеющей стен. Решение – вакуум, который лучше открытого космоса с магнитными и электрическими полями. В нем должны быть заключены античастицы, позитроны или антипротоны, как циркулирующие пучки.

Этот эффект был достигнут в лабораториях, занимающихся физикой частиц, например в ЦЕРН, где использовалось кольцо магнитов протяженностью 27 километров, где в течение многих недель пучки позитронов направляли сквозь вакуумную трубку. Эти позитроны двигались со скоростью света и жили столько времени, сколько времени не касались стенок трубки благодаря подпитывающему магниты электричеству или пока не сталкивались со случайными атомами газа внутри трубки.

Об этом эксперименте мы поговорим ниже, а сейчас нас интересует, как хранить антиматерию, как ее транспортировать и использовать в реальности. Определенно, непрактично строить 27-километровые круги магнитов и тем более перевозить их с места на место. И в этом нет необходимости. Огромное кольцо было вершиной научных достижений, разработанное специально для производства и управления пучками антиматерии, на скорости, максимально приближенной к естественному пределу скорости – 300 000 километров в секунду. Но начальная идея и технология появились гораздо раньше сооружения кольца магнитов, в 1960 году, и принадлежит упомянутому Бруно Тушеку. Хотя в то время ни он сам, ни кто-то другой не могли предвидеть, что это может быть решением вопроса хранения антиматерии.

Во время Второй мировой войны Тушек работал над радаром в Гамбурге. Одним из его коллег был норвежец Рольф Видероэ (1902–1996), занимавшийся физикой ускорителей. Какое-то время Видероэ работал в ЦЕРН – известном центре ускорителей. Он первым предложил идею создания бетатрона (1923) и в 1926 году сконструировал его, однако помешали ошибки в расчете удержания и фокусировки пучка. Тем не менее другие ученые использовали наработки и на их основе Дональд Керст запустил первый в мире бетатрон в 1940 году. Сам Видероэ участвовал в разработке и создании нескольких бетатронов, циклотронов, синхротронов, накопителей, ему принадлежит несколько патентов на методы ускорения частиц. До сих пор основная идея Видероэ остается принципом, лежащим в основе современных ускорителей.

Затем последовали эксперименты американского физика Эрнеста Орландо Лоуренса (1901–1958), который выдвинул идею и построил циклотрон – первый в мире циклический ускоритель – ускоритель протонов, в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени, а частицы движутся по плоской развертывающейся спирали. Лоуренс предложил многократное прохождение частицами ускоряющего зазора с относительно небольшим напряжением. Для замыкания орбиты использовалось постоянное магнитное поле, для ускорения частиц – локализованное высокочастотное электрическое поле с амплитудой в несколько киловольт. Для нерелятивистских частиц частота обращения не зависит от скорости, поэтому частица, многократно проходя через ускоряющий зазор и увеличивая свою скорость и радиус вращения, все равно приходит в ускоряющий зазор в нужной фазе с электрическим полем. За это Лоуренс был удостоен Нобелевской премии в 1939 году (а патент получил еще в 1934 году). Вообще он построил несколько циклотронов, каждый раз совершенствуя предыдущий. Лоуренс оставил после себя труды по ядерной физике, ее применении в биологии и медицине и был участником создания атомной бомбы. Можно сказать, что благодаря циклотрону Лоуренса появилась современная физика высоких энергий.

Для нас самой интересной является идея Видероэ, касающаяся частиц, которые идут в противоположных направлениях по одной и той же орбите. Он хотел собирать и сталкивать такие частицы, но получил отказ, когда обратился за патентом по причине того, что хотел заниматься «очевидным». Прошло пятнадцать лет, и этим же начали заниматься другие.

Если вы выстрелите двумя частицами друг в друга, вероятность столкновения будет ниже их расхождения. Однако если вы накопите много таких частиц, а затем выстрелите двумя мощными пучками друг в друга, то разумно предполагать, что частицы из двух противоположных пучков встретятся друг с другом в одном месте и в одно и то же мгновение.

Впервые эту «очевидную» идею применили в 1959 году – американцы использовали магниты для направления электронов по двум кольцам. В одном кольце магнитные поля направляли электроны по часовой стрелке, а в другом поля изменяли, чтобы электроны шли против часовой стрелки.

Узнав об этих экспериментах, Тушек вспомнил о беседах с Видероэ, и его осенила собственная идея. У позитронов такая же масса, как у электронов, но противоположный знак электрического заряда, так что магнитное поле, которое направляет электроны, например, направо, будет отправлять позитроны налево. Вместо двух наборов магнитов, направляющих электроны в противоположных направлениях, почему бы не взять один набор магнитов, который направит электроны в одну сторону, а позитроны в другую? При условии, что у двух пучков одна и та же энергия, они пойдут одинаковыми путями, но вращение будет идти в противоположных направлениях.

В коллайдере ADA пучки частиц и античастиц вращались в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Ученые смогли успешно сохранять и электроны, и позитроны, и это стало первым в истории укрощением античастиц

В результате Тушек с коллегами спроектировал и построил коллайдер с накопительным кольцом в лаборатории Фраскати под Римом. Его назвали ADA – сокращение от итальянского Anello d’Accumulazione, «накопительное кольцо».

Затем машину перевезли в лабораторию Орсе под Парижем, где была возможность использовать более мощные электронные лучи. И именно там в 1963 году успешно сохранили мощные пучки позитронов и пропустили их сквозь пучки электронов. Время от времени отдельные электроны и позитроны в пучках сталкивались, и в результате этого мгновенно происходила аннигиляция пары и вспышка. Появлялся выбор: если хотите, можно хранить античастицы, а можете заставлять их сталкиваться, в результате чего они будут уничтожены.

В течение следующих тридцати лет ученые строили накопительные кольца для хранения электронов и позитронов все большего и большего размера, пучки имели все более и более высокую энергию. Их сталкивали друг с другом, происходила аннигиляция, и в процессе экспериментов ученые поняли, что это отличный способ узнать о происхождении и природе материи. Несколько прорывов привели к вручению Нобелевских премий.

Большой электрон-позитронный коллайдер

Одной из крупнейших когда-либо построенных подобных машин стал Большой электрон-позитронный коллайдер, ускоритель заряженных частиц, который мы упомянули в начале предыдущей главы. Расскажем о нем подробнее.

Строительство ускорителя для столкновения электронов и позитронов началось осенью 1983 года в Швейцарии, неподалеку от Женевского озера. На глубине 100 метров был вырыт кольцевой туннель, длина которого в целом составила 27 километров (длина кольцевой ветки лондонского метро). Подземное кольцо пролегало под швейцарскими виноградниками, пересекало границу и уходило во Францию. Огромное кольцо состояло из восьми частей (секций), длина каждой – 3 км. Между этими закругленными секциями находились другие, прямые, длина каждой прямой секции составила 500 м. В точках пересечения встречных пучков ускорителя были построены четыре экспериментальные установки, каждая из которых состояла из большого числа детекторов частиц. Магниты направляли пучки электронов и позитронов к цели. Направляющих магнитов было три с половиной тысячи, а еще тысячу магнитов специально сконструировали для фокусировки пучков, чтобы повысить концентрацию электрических зарядов. Эксперименты завершились в 2000 году, а сам ускоритель демонтировали. В настоящее время в этом же туннеле размещен новый ускоритель – Большой адронный коллайдер.

Большой электрон-позитронный коллайдер – крупнейший инструмент для научных работ конца ХХ века. Именно в нем регулярно получали и удерживали антиматерию, а потом происходила ее аннигиляция

Эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере дали возможность всесторонне изучить бозоны и позволили показать, что слабое и электромагнитное взаимодействия имеют сходную природу и могут быть объединены в рамках одного взаимодействия – электрослабого.

Электроны производили, отделяя от атомов, а затем их движение ускорялось в небольшом ускорителе. Позитроны получали, выстреливая электронным пучком по небольшой вольфрамовой цели, благодаря энергии столкновений получались позитроны и новые электроны. Позитроны хранили в накопительном кольце, которое по сути напоминало более раннее изобретение Симона Ван дер Меера, которое хорошо сработало для хранения антипротонов (о нем мы расскажем ниже). Когда позитронов накапливалось достаточно, их направляли в серию ускорителей, которые увеличивали их энергию, пока они не начинали двигаться достаточно быстро, чтобы войти в основное кольцо Большого электрон-позитронного коллайдера. Там они путешествовали по трубкам между магнитами. Это была самая длинная вакуумная система из когда-либо построенных. Внутри трубок давление снижалось до меньшего уровня, чем давление на Луне. Ведь после таких усилий, приложенных для производства, сохранения и фокусировки пучков позитронов, очень важным было качество вакуума, чтобы позитроны не разрушились случайными атомами воздуха.

Магнитные поля направляли электроны и позитроны по тем же круговым «тропам», но в противоположных направлениях. Если эти тропы нигде не соединяются друг с другом, все идет хорошо. Но в четырех точках небольшие импульсы электрических и магнитных полей слегка отклоняли пучки таким образом, что их пути пересекались. Даже в этих точках пучки были такие диффузные, что почти все отдельные электроны и позитроны не сталкивались друг с другом и продолжали циркулировать. Однако время от времени происходило столкновение позитрона и электрона, что вело к их взаимной аннигиляции и выбросу энергии.

Это было ключевым моментом. Способность антиматерии уничтожать материю и высвобождать всю ее энергию использовалась здесь наукой для воссоздания, пусть и на одно короткое мгновение и на крошечном участке пространства, того, что представляла собой Вселенная в целом в первые мгновения после Большого взрыва. Ученых интересовало, что было дальше. Они наблюдали за тем, какие формы частиц и античастиц вышли после этого моделирования, «малого взрыва», и узнали, как энергия впервые была преобразована в вещество во время настоящего Большого взрыва. Использовалась очень сложная электроника, которая была установлена везде, где могли произойти столкновения. Она улавливала и записывала появление этих первобытных образцов материи и антиматерии. В Большом электрон-позитронном коллайдере снова и снова повторялось давнее сотворение мира.

И все это было результатом способности производить и управлять пучками позитронов, которые выживали продолжительное время. Для работы аппаратуры требовалась такая точность, что оказалось, что на работу Большого электрон-позитронного коллайдера влияет движение Луны. Энергия разгоняемых частиц также зависела и от ряда других неожиданных факторов: уровня воды в Женевском озере и прибытия поездов на вокзал в Женеве. Ученые связали такую зависимость с деформациями кольца ускорителя, вызываемыми этими факторами. Но вначале они заметили, что в некоторые дни электроны и позитроны появляются чуть раньше, в другие разы они появлялись чуть позже в тех местах, где должно было происходить их взаимное уничтожение. Разница составляла меньше наносекунды, но Большой электрон-позитронный коллайдер смог ее уловить. То есть сначала они появлялись раньше, потом позже, а затем снова раньше – и для этого требовался цикл из двадцати восьми дней. И точно определив продолжительность цикла, ученые поняли, что машина, обладающая невероятной точностью, поразительно чувствительна. 28-дневный лунный цикл, который влияет на приливы и отливы, на океаны и моря, также влияет и на камни на поверхности Земли, хотя и в очень незначительном количестве. То есть все 27 километров Большого электрон-позитронного коллайдера расширялись и сужались на несколько миллиметров каждый месяц, так что в некоторые дни пучкам приходилось путешествовать чуть дольше, а через две недели их путь становился чуть короче. Не будем подробно рассматривать влияние поездов, прибывающих на Женевский вокзал, на работу коллайдера в этой книге, но оно тоже было отмечено!

В этих экспериментах участвовали сотни ученых со всего мира. Через десять лет экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере было показано, как создавалась материя, когда возраст Вселенной составлял всего одну миллиардную долю секунды. Из «мини-взрыва» вышли частицы и античастицы, например, электрон и позитрон, или кварк и антикварк. Многие из них были известны до начала работы Большого электрон-позитронного коллайдера, но он позволил ученым лучше понять, в каком отношении друг к другу существуют эти различные формы частиц и античастиц. В дополнение к знакомым электрону и двум типам кварка, которые соединяются вместе для получения протонов, нейтронов и материи в той форме, которую мы знаем, есть и другие типы, редкие или вообще отсутствующие на Земле, но побывавшие в огненной буре в самом начале существования Вселенной.

Большой электрон-позитронный коллайдер позволил взглянуть на то, что представляла собой Вселенная, когда энергия застывала, превращаясь в материю и антиматерию. Возникло много сотен типов частиц и античастиц. Например, природе показалось, что одного электрона, как единственной возможной частицы, удаленной от ядра и находящейся у внешней границы атома, недостаточно, и она создала еще две более тяжелые версии. Это мюон, который в 200 раз тяжелее, и тау – в 4000 раз тяжелее. Они идентичны с электроном по электрическому заряду и, насколько мы можем судить, во всем другом, кроме массы. И так же как у электрона есть свой двойник – античастица под названием позитрон, так и у каждой из упомянутых других частиц тоже есть положительно заряженная античастица.

То же самое можно сказать и о кварках. Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков. Есть две более тяжелые версии верхнего кварка и две более тяжелые версии нижнего кварка. И у каждого из них есть свой антикварк.

Однако благодаря Большому электрон-позитронному коллайдеру были обнаружены частицы, показывающие, что материя и антиматерия, несмотря на симметричное производство, могут вести себя асимметрично во время своей короткой жизни и во время гибели. Если мы сможем найти объяснения этому и понять, как это происходит, мы сможем ответить на вопрос, почему материя и антиматерия взаимно не уничтожили друг друга сразу же после создания миллиарды лет назад и почему во Вселенной сегодня кое-что остается вместо ничего. Понимание глубокой связи и поиск мельчайших различий между материей и антиматерией – это то, чем занимаются и будут заниматься ученые.

Через некоторое время началась тенденция к снижению размеров ускорителей, и в последние годы были построены относительно небольшие коллайдеры в Стэнфордском университете, в Японии и в лаборатории Фраскати, откуда все начиналось, чтобы электроны и позитроны сталкивались в специально выбранных условиях, где, как надеются ученые, могут раскрыться какие-то различия между материей и антиматерией.

Тот факт, что эти аппараты вообще работают, показывает поразительную симметрию между материей и антиматерией. Пучки электронов и позитронов путешествовали по Большому электрон-позитронному коллайдеру снова и снова и вовремя приходили на место встречи, что свидетельствует об одинаковой реакции на направляющие магнитные силы. Это результат точно уравновешенных электрических зарядов и идентичных масс, которые заставляют их идти по предварительно установленным путям в противоположных направлениях. Точно так же мы можем сравнить время, которое нужно протону или антипротону для завершения круга в магнитном поле, и из этого мы знаем о схожести протона и антипротона.

Будкер, Руббиа и Ван дер Меер

Бруно Тушек укротил позитроны, а Герш Будкер решил посмотреть, не сможет ли он сделать то же самое для протонов, а затем и антипротонов.

Протоны и антипротоны почти в две тысячи раз массивнее электронов и позитронов, соответственно, энергия, которая требуется для их создания, тоже должна быть больше.

Однако производство антипротонов не является проблемой, если у вас достаточно доступной энергии, и впервые это было сделано в 1955 году – выше мы рассказывали про «Беватрон». Управление ими было большой проблемой. Вначале нужно выстрелить пучком протонов в кусок металла. Примерно в одном случае на 250 000 столкновений кинетическая энергия преобразуется в массу в форме новой пары антипротон-протон. Антипротоны двигаются на скорости, близкой к скорости света, во все стороны. Магнитные поля, которые способны сфокусировать позитроны и отправлять их на стабильные орбиты, не смогли управлять дикими протонами, которые летели вбок от предполагаемых путей, врезались в стенки туннеля и уничтожались.

Требовалось что-то для их укрощения. На профессиональном языке это называется «охлаждение», и электронное охлаждение протон-антипротонных пучков является одним из достижений Будкера: он провел антипротоны сквозь облака холодных электронов. Хотя электроны – это материя, а антипротоны – антиматерия, они не представляют опасности друг для друга: электроны уничтожаются своей античастицей, позитроном, а антипротонам угрожают только протоны или нейтроны. Постепенно судорожный неровный ход антипротонов выровнялся, и их энергия, или «тепло», было передано электронам. К 1974 году Будкер преуспел в создании и охлаждении антипротонов, но он не получал их в достаточном количестве для сильного пучка.

Герш Будкер (1918–1977) – это российский ученый, основатель и первый директор Института ядерной физики. Он оставил после себя труды по ядерным реакторам, ускорителям, физике плазмы, физике частиц высоких энергий. Начинал с экспериментов на циклотроне, известен созданием ускорителей на встречных пучках. Метод встречных пучков используется для исследований по физике элементарных частиц

Следующим мы должны упомянуть Карло Руббиа. Он работал в ЦЕРН (какое-то время даже был генеральным директором) и предложил переделать один ускоритель, суперпротонный синхротрон, для столкновений протонов и антипротонов в одном и том же кольце. Предложенный Руббиа коллайдер начал работу в 1981 году, после чего в январе 1983 года появилось сообщение о том, что были зарегистрированы W-бозоны, а через несколько месяцев – также более неуловимые Z-бозоны.

По мнению Руббиа, для производства частиц W и Z требовалась совершенно новая техника – аннигиляторы высокой энергии между протонами и антипротонами. В теории было рассчитано, что при таких условиях возможно произвести не только электромагнитное излучение, свет, но и квантовые пучки, известные как W и Z, которые являются посредниками, переносящими слабые силы радиоактивности.

Самой большой проблемой стало укрощение антипротонов и успешное помещение их в суперпротонный синхротрон. Ее решил Симон Ван дер Меер, который получил Нобелевскую премию вместе с Карло Руббиа. В ЦЕРН построили небольшую машину под названием Аккумулятор (или накопитель) антипротонов, известную как АА. В ней аккумулировались антипротоны и охлаждались, превращаясь в управляемый пучок. Таким образом они сохранялись до тех пор, пока их не окажется достаточно, чтобы использовать. Вот тут и пригодились идеи Ван дер Меера. Электронные детекторы на противоположных сторонах кольца проводили мониторинг антипротонов в пучке – где они проходят. Сигнал шел в компьютер, который рассчитывал отклонение пучка и усилие, требуемое, чтобы лучше выровнять пучки; затем сигнал на скорости света отправлялся к электродам в дальней части кольца. Идея Ван дер Меера заключалась в том, что антипротонам требуется примерно на 50 % больше времени, чтобы пройти по полукругу, чем сигналу, срезающему путь по центру круга, а если кольцо достаточно большое, то для электроники останется время принятия решения и подачи инструкций, на основании которых начнут действовать ресиверы до того, как антипротоны, наконец, пройдут по дуге. За одну миллиардную долю секунды (или наносекунду) свет проходит одну треть метра (один фут). Это был по-швейцарски точный расчет времени – и буквально, и метафорически. Каждые две секунды из протонного синхротрона вылетали протоны, врезались в цель и производили антипротоны. Антипротоны заходили в Аккумулятор антипротонов, по одной партии за раз, там в течение двух секунд происходило охлаждение – до прибытия следующей партии.

Карло Руббиа (род. в 1934 году) – итальянский физик, лауреат Нобелевской премии по физике за решающий вклад в открытие квантов поля W и Z – переносчиков слабого взаимодействия, 1984

Аккумулятор антипротонов напоминал два кольца в одном, соединенных заслонками, которые можно закрывать и открывать. По внутреннему кольцу между заслонками циркулировали группы огражденных антипротонов, а снаружи, у заслонок, находились последние, только что прибывшие антипротоны, которые все еще пребывали в процессе охлаждения. Как раз перед следующим выбросом заслонки открывались, и антипротоны с внешнего кольца, теперь охлажденные, переходили на внутреннее. Затем заслонки закрывались, потом приходила следующая партия, процесс повторялся снова и снова.

Симон Ван дер Меер (1925–2011) – голландский инженер, изобретатель метода стохастического охлаждения пучков в ускорителях

После того как антипротоны оказывались на внутреннем кольце, электронные послания Ван дер Меера передавались по кольцу, и антипротоны охлаждались еще больше. Требовалось немного больше суток для накапливания и охлаждения ста миллиардов антипротонов. Уловка Ван дер Меера привела к мощным пучкам антипротонов с высокой энергией, которые могли использоваться в экспериментах.

Антипротоны с их большей массой было сложнее укротить, чем позитроны, но после того как антипротоны брали под контроль, получались гораздо бо́льшие пучки и гораздо больше энергии. Именно это приводило в возбуждение физиков. Через аннигиляцию антипротонов и протонов они смогли в экспериментах воспроизвести условия, которые существовали в первые моменты Большого взрыва. Технологи проявили изобретательность, обеспечив охлаждение, ряд различных специальных «беговых дорожек» и сложную электронику. Все это поражало и показывало, что антиматерию можно укротить. Да, возможно произвести и укротить антипротоны, но это медленный процесс, он требует большого терпения и стоит он дорого: миллионы долларов.

Ловушка Пеннинга

Хранение античастиц с высокими энергиями, соответствующими температурам, которые гораздо выше, чем даже в центре Солнца, требует больших ускорителей. Возможно ли удержать их в холоде, при комнатной температуре или более низкой температуре? В 1984 году немецко-американский ученый Ганс-Георг Демельт смог хранить один единственный позитрон на протяжении трех месяцев в цилиндре, в котором был создан вакуум, размером в половину человеческого пальца. Это был не первый подобный опыт Демельта.

Демельт родился и вырос в Германии, а в 1952 году был приглашен на работу в США и принял американское гражданство. Его интересы распространялись на атомные и молекулярные пучки и физику элементарных частиц. Он разработал метод удержания одиночных ионов, используемый для прецизионной спектроскопии высокого разрешения. В 1989 году был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов. Впервые Демельт описал преимущества ионных ловушек для спектроскопии высокой разрешающей силы в 1956 году. В последующие годы он пытался строить подобные ловушки. В 1959 году Демельту удалось продержать в магнетронной ловушке (впоследствии названной ловушкой Пеннинга) 1 электрон в течение 10 секунд. В 1973 году ему удалось первое длительное хранение одного электрона, он также смог построить одноэлектронный генератор совместно с Дэвидом Винеландом и Филом Экстромом. В последующие годы он усовершенствовал этот метод.

Ганс-Георг Демельт (род. в 1922) – лауреат Нобелевской премии по физике за разработку метода удержания одиночных ионов, 1989

Хранение позитрона на протяжении трех месяцев получилось благодаря оригинальной комбинации электрических и магнитных полей в аппарате, который Демельт скромно назвал ловушкой Пеннинга – в честь Франца Пеннинга, голландского физика, чью оригинальную идею развил Демельт.

Идея ловушки Пеннинга восходит к 1930-м годам, к тем дням, когда еще только зарождалась электроника, а телевизоры начинали работу на катодных лучевых трубках. Электричество проходит через провода так, словно это жидкость. Подсоедините один конец провода к отрицательному электроду (аноду) мощной батареи, а другой конец к металлической пластине (катоду) внутри стеклянной трубки, наполненной газом. Таким образом электричество будет проходить сквозь газ, вызывая странное освещение. Когда его впервые увидели в последние годы XIX века, викторианское общество было очаровано.

Попытки понять, что происходит, привели к открытию Джозефом Джоном Томсоном электрона, носителя электрического тока. Он добился этого, используя электрические и магнитные поля для направления пучка.

Если магнитное поле достаточно мощное, оно может направлять электроны по четким кругам, где они оказываются в ловушках на орбитах и не могут перебраться в дальний конец трубки. По крайней мере, это происходит в идеальном вакууме. Если присутствуют остатки газа, электроны начнут сталкиваться с атомами, сбегать со своих орбит и будет течь ток.

Ловушка Пеннинга. Этот тип ловушек часто используется при точных измерениях свойств ионов и стабильных субатомных частиц, обладающих электрическим зарядом. В ЦЕРНе в ловушках Пеннинга хранят антипротоны и другие заряженные античастицы

Франц Пеннинг решил, что этот эффект может использоваться для изготовления вакуумметра. Ток или идет, или пресекается, что зависит от напряжения, силы магнитного поля и газа в трубке. Демельт изменил напряжение так, что ток никогда не шел, вместо этого электроны вечно блуждали в магнитном поле. Его анод имел форму пустого цилиндра, крышка и дно находились под углом – по сути он сделал закрытую емкость, по размеру не превышающую банку для безалкогольных напитков, но вместо металла ловушка Пеннинга состояла из электрического и магнитного полей. Первым, что сделал Демельт, было улавливание одного единственно электрона в эту ловушку и измерение его магнетизма. Вращающийся электрон был подобен миниатюрному радиопередатчику, эмитирующему электромагнитное излучение, на которое Демельт мог настроиться с помощью радиоприемника. Он точно измерил частоты радиоволн и таким образом смог измерить магнетизм электрона с точностью до одной десятимиллиардной. Это был гораздо лучший результат, чем у кого-либо еще, и такой точный, что Демельт обнаружил: магнетизм электрона больше, чем подразумевало уравнение Дирака.

Отклонение оказалось маленьким, но это был чрезвычайно важный результат. Работа Демельта совсем не показала, что уравнение Дирака неправильное, наоборот, она подтвердила, что Дирак очень глубоко и основательно описал физический мир. Причина заключалась в том, что Дирак не просто создал теорию электрона, но также показал, как он реагирует на электромагнитные поля.

Ричард Филипс Фейнман (1918–1988) – выдающийся американский физик-теоретик, один из основателей электродинамики. Занимался квантовой теорией поля и предложил теорию квантовых вихрей, принимал участие в разработке атомной бомбы (Манхэттенском проекте)

Ричард Фейнман и другие доказали, что электромагнитное поле само может превратиться в проходящие электроны и позитроны, и это – одно из многочисленных странных свойств квантовой неопределенности.

Фейнман, в частности, работал над теорией «слабого распада», лучше всего проявляющегося в бета-распаде свободного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино, что фактически позволило открыть новый закон природы. Больше всего он известен широкой общественности расследованием катастрофы шаттла «Челленджер», который взорвался через 73 секунды после взлета. Он рассказал о своих находках и умозаключениях по телевидению в прямом эфире и продемонстрировал, что произошло с уменьшенной копией шаттла, и это принесло Фейнману славу человека, разгадавшего тайну катастрофы. В НАСА знали о том, что запуск ракеты при низкой температуре воздуха чреват аварией, но решили рискнуть. Обслуживающий персонал, также знавший о возможном крушении, был вынужден молчать, дав соответствующие подписки о неразглашении.

Но нас интересуют другие эксперименты Фейнмана и Демельта. Они показали, что непосредственное окружение электрона – это не пустое пространство, что там наблюдается бурная активность. Демельт во время своих экспериментов добился такой точности, что измерил не только электрон, но также и воздействие окружающего его вакуума. Оказывается, что электрон, если посмотреть на него повнимательнее, нарушает вакуум, превращает пустоту в улей активности, в котором содержатся античастицы. Демельт доказал то, что подозревали теоретики: мы живем в мире материи, но вакуум полон и «виртуальной» антиматерии, и «виртуальной» материи – виртуальной в том смысле, что она не материализуется, но ее присутствие доказывается ее воздействием на проходящие частицы материи.

Гибель Челленджера. На 73 секунде полета вешний кормовой бак был разрушен, высвободившийся кислород и водород смешались и детонировали, вызвав огромный огненный шар, который поглотил шаттл

Все это происходило в 1973 году. Десять лет спустя Демельт поймал позитрон в ловушку и удерживал там три месяца. Таким образом он смог измерить и его магнетизм. Потребовалось только изменить направление магнитных полей на противоположные, чтобы с положительно заряженным позитроном происходило то же самое, что ранее наблюдалось с отрицательно заряженным электроном. А измерив магнетизм позитрона, он увидел, что значение совпадает со значением, полученным для электрона. Так что можно сказать, что Демельт не только поймал позитрон в ловушку, но и смог показать, что он является идеальным электрическим и магнитным зеркальным образом электрона.

Нобелевская премия по физике была вручена Демельту в 1989 году «за разработку ионной ловушки, которая сделала возможным изучение отдельного электрона (или позитрона) с крайней степенью точности».

Отметим, что только очень небольшие количества антиматерии можно хранить в так называемых магнитных бутылках (пробкотронах). Ограничительным фактором для одних позитронов или антипротонов является то, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, поэтому большое количество частиц (или античастиц) с одинаковым зарядом невозможно разместить вместе – силы отталкивания, действующие между ними, вскоре становятся слишком сильными для контроля полей в магнитной «бутылке». По сути «бутылка» потечет, и античастицы будут уничтожены. Можно попробовать решить эту проблему, разместив позитроны и антипротоны вместе для формирования атомов антиводорода – но тут приходит другая проблема. Атомы электрически нейтральны, а электрические и магнитные поля не могут удерживать нейтральные частицы – они практически сразу же вступают в контакт с обычной материей, например стенками сосуда. И происходит аннигиляция.

Фабрики антиматерии

В книге об антиматерии нельзя не рассказать об известных на весь мир лабораториях, которые занимаются ее изучением, получением, хранением и благодаря которым мы во многом знаем о ней и о том, какую пользу она может принести человечеству. Мы их уже неоднократно упоминали в этой книге, а сейчас пришло время для подробного рассказа.

В первую очередь это ЦЕРН – Европейский центр ядерных исследований (или Европейская организация по ядерным исследованиям), крупнейшая в мире лаборатория физики высоких энергий. Основная цель ЦЕРН – эксперименты в области физики частиц. Правда, после появления книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» многие люди, которые раньше не знали о существовании ЦЕРН, считают, что это лаборатория, которая делает антиматерию. «Делает антиматерию» – правильно, но многое не соответствует действительности. Однако популярность автора и книги заставила многих поверить в ложные истины.

ЦЕРН располагается неподалеку от границы Швейцарии и Франции. Бо́льшая часть площадок (две основные и нескольких мелких) расположена на территории Швейцарии, вблизи города Мейрин, но есть площадки и во Франции. Большой комплекс зданий включает в себя рабочие кабинеты, лаборатории, производственные помещения, склады, залы для конференций, жилые помещения, столовые. Ускорители расположены как на поверхности (старые), так и под землей, на большой глубине, превышающей 100 метров (более современные).

Лаборатория физики элементарных частиц в ЦЕРН близ Женевы является самым большим в мире исследовательским центром. На глубине более 100 м расположены огромные ускорители элементарных частиц, которые позволяют создавать условия, близкие к первым секундам после Большого взрыва

Соглашение об образовании ЦЕРН было подписано в Париже в 1953 году представителями 12 европейских стран (Бельгия, Дания, Германия, Франция, Греция, Италия, Норвегия, Швеция, Швейцария, Голландия, Великобритания, Югославия). Но «днем рождения» организации считается 29 сентября 1954 года. ЦЕРН была создана, так как ведущие европейские физики считали, что подобная организация необходима для физических экспериментальных исследований. Кроме объединения европейских ученых подобная организация была призвана разделить возрастающую стоимость физических экспериментов в области физики высоких энергий между государствами-участниками. В настоящее время в ЦЕРН входит 20 стран-членов. Ни США, ни Россия членами ЦЕРН не являются, но имеют статус наблюдателей вместе с Канадой, Индией, Китаем, также наблюдателями выступают ЮНЕСКО и Европейская комиссия. В ЦЕРН постоянно работают около 2500 человек, еще около 8000 физиков и инженеров из 580 университетов и институтов из 85 стран участвуют в международных экспериментах ЦЕРН и работают там временно.

Среди наиболее крупных и важных открытый лаборатории следует упомянуть открытие W– и Z-бозонов, определение количества типов нейтрино, создание первых атомов антиматерии (это были атомы антиводорода). Для обывателя же самым главным достижением ЦЕРН является Интернет. Идея зародилась в недрах этой лаборатории – для связывания документов посредством гипертекстовых ссылок и для облегчения обмена информацией между группами исследователей, занимающихся проведением экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере. В экспериментах на этом коллайдере, как мы говорили выше, участвовали сотни ученых со всего мира, и им требовался быстрый, часто мгновенный обмен данными. Антиматерия уничтожает материю, но опосредованно создала Всемирную паутину. Первоначально проект использовался только во внутренней сети ЦЕРН. В 1991 году были созданы первые в мире веб-сервер, сайт и браузер. 30 апреля 1993 года ЦЕРН объявила, что Интернет будет открыт для всех пользователей.

Но главным в ЦЕРН, конечно, является комплекс ускорителей. Основной проект в данное время – это Большой адронный коллайдер, о котором слышали даже далекие от физики люди. Его строительство началось в 2001 году, хотя идея впервые прозвучала в 1984-м. Пробный запуск Большого адронного коллайдера транслировался в прямом эфире европейского информационного телеканала Euronews 10 сентября 2008 года – и первый пучок успешно преодолел 27-километровое кольцо, о котором мы рассказывали выше.

«Большим» он назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 метров; «адронным» – потому что ускоряет адроны, то есть тяжелые частицы, состоящие из кварков, а «коллайдером» – от английского слова, означающего «сталкивать», потому что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках. Адронный коллайдер находится в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный, для которого шахта, собственно говоря, и строилась. Туннель проходит под территориями Швейцарии и Франции, на расстоянии от 50 до 175 метров от поверхности Земли, причем кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно ее поверхности.

Для удержания, коррекции и фокусировки пучков в настоящее время используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1,9 K (-271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние. Имеется 4 основных и 3 вспомогательных детектора. Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырех точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно собирают статистику. Скорость частиц в Большом адронном коллайдере на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов.

Большой адронный коллайдер уже позволил и еще позволит провести эксперименты, которые ранее были невозможны и, вероятно, подтвердит или опровергнет ряд теорий. В ХХ веке, в особенности в его конце, и в начале нынешнего столетия, было выдвинуто огромное число необычных идей относительно устройства мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Среди них можно назвать модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Дело в том, что накопленных экспериментальных данных оказывается все еще недостаточно для создания одной-единственной теории. С другой стороны, все эти теории совместимы с имеющимися экспериментальными данными.

Поскольку на основе этих теорий можно сделать конкретные предсказания для Большого адронного коллайдера, экспериментаторы планируют проверять предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Предлагается осуществлять и поиск параллельных вселенных. По мнению ученых, для этих целей необходимо создание мини-черных дыр в Большом адронном коллайдере, и это направление является наиболее интересным для обывателей. Правда, для работы в этом направлении требуется некоторая модернизация коллайдера.

Но Большой адронный коллайдер еще не вышел на проектную энергию и светимость (считается, что он будет работать до 2034 года), тем не менее принято решение к 2020 году провести модернизацию каскада предварительных ускорителей, а также ряд других работ, что позволит заметно повысить светимость коллайдера. Также обсуждается возможность проведения столкновений протонов и электронов. Для этого потребуется пристроить линию ускорения электронов. Обсуждаются два варианта: пристройка линейного ускорителя электронов и размещение кольцевого ускорителя в том же тоннеле, что и сам Большой адронный коллайдер. В планах на очень отдаленную перспективу обсуждается демонтаж большинства деталей имеющегося коллайдера и использование освободившегося тоннеля и инфраструктуры для коллайдера нового поколения. В 2014 физики ЦЕРН начали подготовку к строительству новых коллайдеров, мощность которых будет в 10 раз больше.

Кроме Большого адронного коллайдера и Большого электрон-позитронного коллайдера, которые мы уже упоминали, в ЦЕРН имеются Протонной синхротрон, Протонный суперсинхротрон, линейные ускорители и ряд других ускорителей.

В этой книге мы уже упоминали двух сотрудников лаборатории, удостоенных Нобелевской премии, – Карло Руббиа и Симона Ван дер Меера. Также ее получил Жорж Шарпак за изобретение и создание детекторов элементарных частиц.

* **

Возможно, до 1995 года в истории нашей Вселенной не существовало ни одного атома антиматерии. Когда позитроны или антипротоны в космических лучах встречаются друг с другом, они двигаются так быстро, что скорее продолжают путь своими отдельными путями, а не задерживаются где-то, чтобы соединиться в атомы. В 1995 году все изменилось – именно в тот год команда ученых из ЦЕРН получила первую партию атомов антиводорода.

Антипротоны, которые циркулировали в Антипротонном кольце низкой энергии, встречались с атомными ядрами тяжелого элемента. Любые антипротоны, которые проходили достаточно близко, могли и создать пару электрон-позитрон, и выжить сами. В редких случаях антипротон связывался с позитроном и получался атом антиводорода.

ЦЕРН сделала заявление о получении девяти антиатомов в начале 1996 года, и новость облетела весь мир. Об этом писали газеты, говорили по радио и телевидению. Однако антиатомы существовали очень недолго, и это означало, что их нельзя использовать для дальнейших исследований. Достижением было то, что их вообще удалось получить, хотя жили они какую-то долю секунды перед тем, как быть уничтоженными окружающей материей.

Антипротонное кольцо низкой энергии прекратило работать в 1996 году, и его заменила машина, предназначенная для производства, а затем замедления движения античастиц с целью производства антиматерии. Эту машину назвали «Антипротонный деселератор» (или замедлитель), в нем магниты направляли антипротоны, а мощные электрические поля замедляли их до относительно низкой скорости, примерно 10 % скорости света. Фактически Антипротонный деселератор – это реинкарнация Антипротонного аккумулятора (накопителя), который мы описывали выше. В нем только существенно улучшили вакуумную систему и добавили охлаждающий механизм, который ранее использовался в Антипротонном кольце.

Из каждой партии антипротонов, которые поступают из Антипротонного деселератора, во время эксперимента под названием ATHENA (сокращение от английского «Антиводородный аппарат» – AnTiHydrogEN Apparatus) улавливалось примерно 10 000 антипротонов в магнитном бункере, где их движение еще более замедлялось, до нескольких миллионных скорости света. Следующий этап – их смешение с 75 миллионами «холодных» позитронов, которые собираются в результате распада радиоактивных изотопов, улавливаемых во второй ловушке. Наконец, позитроны и антипротоны переводятся в третью, «смешивающую» ловушку. И именно здесь формируются «холодные» атомы антиводорода.

Откуда известно, что экспериментаторы, работающие в проекте ATHENA, добились успеха? Когда позитрон и антипротон соединяются для формирования нейтрального атома антиводорода, он сбегает из ловушки электромагнитных полей. Затем антиатом ударяется обо что-то в окружающем пространстве, позитрон и антипротон аннигилируются по отдельности с электроном и протоном соответственно. Бесспорное доказательство существования антиводорода получается как раз благодаря обнаружению и улавливанию этой одновременной аннигиляции антипротона и позитрона.

В 2002 году об Антипротонном Деселераторе заговорили снова после того, как в результате еще одного эксперимента под названием ATRP (а-ловушка) впервые удалось получить десятки тысяч атомов антиводорода. Этого количества достаточно, чтобы ученые смогли приступить к изучению газа из антиматерии. Экспериментаторы, участники проекта ATHENA, увидели первые четкие сигналы, свидетельствующие о существовании антиводорода, в августе 2002 года – как раз когда праздновалось 100 лет со дня рождения Поля Дирака. Через месяц участники проекта ATRAP объявили о том, что впервые заглянули внутрь антиатома. В 2011 году было объявлено, что участники эксперимента ALPHAA смогли семь раз сохранять антиатомы на протяжении 1000 секунд. Если удастся сохранять большее количество антиатомов большее количество времени, то это откроет возможности для измерений свойств антиводорода. Ученые надеются, что в конце концов станет возможно сравнить, как водород и антиводород ведут себя в электромагнитных и гравитационных полях. Любое различие между материей и антиматерией, независимо от того, насколько оно мало, будет иметь глубокие последствия для нашего понимания природы и Вселенной. Однако потребуется произвести гораздо большие количества антиатомов – в миллиарды раз большие – и также научиться их хранить, если мы хотим получать полезную энергию из антиматерии и воплотить в жизнь мечты о космических путешествиях. Лучшей фабрикой антиматерии на нашей планете в настоящее время является Антипротонный деселератор.

* **

Также в этой книге мы не можем не рассказать про «Фермилаб», которую также уже неоднократно упоминали, – Национальную Ускорительную Лабораторию имени Энрико Ферми, которая расположена недалеко от Чикаго, в штате Иллинойс, США. Это лаборатория Министерства энергетики США, она специализируется на исследованиях в области физики высоких энергий, астрофизике и ускорительных технологиях.

Решение о строительстве ускорительной лаборатории было принято в 1967 году президентом США Линдоном Джонсоном. В 1974 году ее назвали в честь Энрико Ферми, выдающегося итальянского физика, основателя научных школ в Италии и США, которого мы тоже упоминали. Первым директором стал Роберт Уилсон, известный физик и участник Манхэттенского проекта.

В настоящее время Фермилаб занимается коллайдерными экспериментами, экспериментами с фиксированной мишенью, с нейтрино, астрофизическими опытами и наблюдательными проектами, у нее есть свои ускорительные программы. Самая известная исследовательская установка Фермилаб – коллайдер Теватрон, который закончил свою работу 30 сентября 2011 года. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 6,28 км. На 1 января 2007 года этот коллайдер был ускорителем с самой большой в мире энергией пучков частиц и светимостью, но позднее, в 2009 году, уступил первенство Большому адронному коллайдеру.

Следующий крупнейший в мире коллайдер может быть построен в Фермилаб – если удастся решить вопрос с финансированием. Главной заявленной целью является разработка и строительство электрон-позитронного коллайдера, но маловероятно, что это произойдет в ближайшие годы. Конгресс США (а Фермилаб финансируется из американского бюджета, в отличие от ЦЕРН, средства на которую выделяют все страны-участники) сократил финансирование в четыре раза, уже уволено около ста сотрудников и предстоит очередное сокращение персонала. Так что прорывов в изучении антиматерии скорее следует ожидать от ЦЕРН.

Странное поведение странных частиц

Швейцарский физик Эрнест Штекельберг, работая в нейтральной Швейцарии во время Второй мировой войны, когда в других частях Европы шли ожесточенные бои, высказал предположение, что античастицу можно рассматривать как частицу, путешествующую во времени назад. Идея Штекельберга была опубликована в одном малоизвестном швейцарском журнале в 1941 году, и в то время, конечно, мало кто обратил на нее внимание, в особенности в международных масштабах. Через восемь лет такую же идею высказал Ричард Фейнман, о котором мы рассказывали выше. Война к тому времени закончилась, Фейнман был известным ученым и смог донести свою идею до широких слоев общественности. Штекельберг считал себя обделенным. Но когда его спросили, почему он не опубликовал соответствующие статьи в крупнейших журналах или хотя бы американском Physical Review, который читают по всему миру, он отвечал, что шла война, и он не смог найти художника, который должным образом нарисовал бы необходимые графики и диаграммы, которые требовались для представления идеи. Напоминаем, что компьютеров в те времена не было, но все равно слова о необходимости привлекать художника звучат странно. Ведь требовалось нарисовать несколько прямых линий, соединенных кривыми. Но все равно похоже, что мы должны считать Штекельберга автором идеи о том, что античастицы – это частицы, путешествующие во времени назад.

В сознании тут же возникают образы по-настоящему экзотической антиматерии. Мы смотрим на позитроны и думаем, что это электроны, прибывшие из будущего. Определенно, время не может идти в обратном направлении и проявляться через то, что мы называем антиматерией. Миры из антиматерии не проходят сквозь наш, появляясь из будущего вместе с античужими, которые каждый антидень становятся все моложе и моложе вместо старения. Чтобы посмотреть, как антиматерия и обратный ход времени связаны с материей, нам вначале нужно понять, как базовые законы физики соотносятся со временем и как появилось наше восприятие времени.

Для больших кусков материи, включая живых существ, время – это иллюзия, включающая законы случайности, которые применяются к большим количествам атомов. Цветы вянут, наши тела стареют, из яиц вылупляются птенцы, и яйца при этом не могут собраться назад. Когда порядок превращается в беспорядок в широком смысле, возникает интуитивное ощущение течения времени, и эта концепция совсем не является очевидной после того, как посмотришь на фундаментальные законы физики.

Движением на любых уровнях и в любых масштабах, от планет до бильярдных шаров, управляют законы Ньютона, которые не проводят различий между будущим и прошлым. Если бы нам удалось заглянуть в прошлое и посмотреть, как там планеты двигались по орбитам вокруг Солнца, это движение оказалось бы ничем не отличающимся от того, что мы наблюдаем сегодня. Если посмотреть на движение планет в зеркале, то оно тоже будет точно таким же. То есть законы Ньютона неизменны и постоянны, даже если к ним применить обратный ход времени или зеркальную симметрию. Базовые уравнения работают независимо от того, в какую сторону вы пустите часы.

Отдельные атомы совершенно не волнует, в какую сторону направлена стрела времени, но их взаимодействия, в результате которых они перестраиваются и их переносит с места на место, дают наборы атомов, в которых, вероятно, может наблюдаться беспорядок и дезорганизация. Это происходит потому, что есть и другие возможные варианты: атомы должны быть соединены только одним определенным образом, чтобы получилось яйцо, но если оно разобьется, есть бесчисленное количество вариантов кусочков и того, как они упадут.

В качестве простого примера приведем бильярд. Десять шаров аккуратно выкладывают треугольником. Происходит первый удар – и порядок нарушается. Можно сказать, что каждая бильярдная партия уникальна на этом этапе, потому что есть множество вариантов движения шаров после первого удара. Нельзя сосчитать количество мест, где они могут оказаться. Возможно, хотя и маловероятно, что в результате первого удара игрок не попадет по сложенным шарам, и шар, которым били, вернется в то место, с которого начиналась игра. В таком случае, если вы смотрите запись на пленке, вы не можете сказать, видите ли вы реальное событие или время пошло вспять. При этом вы можете определить, если перед вами пленка прокручивается в обратном направлении, потому что разлетевшиеся после удара шары не склонны сами возвращаться на место и аккуратно выстраиваться равносторонним треугольником.

Беспорядка среди всего десяти бильярдных шаров достаточно для того, чтобы показать стрелу времени. В случае макроскопических предметов в дело вовлечено такое количество атомов, что не остается вообще никаких сомнений. Однако для отдельных элементарных частиц внутри атомов стрела времени потеряна – как в игре в снукер, где используются только два шара. В конце игры на столе оказываются только черный и белый шары. Но если окрасить оба шара в белый цвет, вы не сможете сказать, просматривая запись игры, крутится ли пленка вперед или назад. Точно также и на уровне отдельных электронов, протонов и даже атомов законы не волнует движение времени.

Для этих отдельных электрически заряженных частиц вы можете сделать еще одну вещь: воспроизвести время, посмотреть в зеркало и так же перенести знак электрического заряда в другое место. То, что вы получите в конце, будет вести себя точно так же, как то, с чем вы начинали. Продолжая аналогию с черным и белым шарами при игре в снукер, если вы поменяете черный и белый цвета, то вы тоже не сможете отличить реальность от противоположной или обратной реальности. Это и есть симметрия между материей и антиматерией, между электроном и позитроном. Механика электронов и их реакция на силы идентична механике и реакциям позитронов, если смотреть на них в зеркало и «проигрывать» в обратном направлении. Таким образом электрические токи с позитронами циркулируют против часовой стрелки в Большом электрон-позитронном коллайдере так же, как электрические точки с электронами циркулируют по часовой стрелке, если смотреть фильм, в котором время обращено вспять. В таком смысле позитрон ведет себя, как электрон, идущий назад во времени.

Давайте поместим пучок позитронов и еще один пучок электронов в Большой электрон-позитронный коллайдер в понедельник и будем снимать их по мере того, как они движутся в будущее. В конце недели прокрутим это кино назад и сравним с тем, что видели в реальности. Поток позитронов выглядит так, как поток электронов во времени, идущем вспять. И точно так же электроны выглядят, как позитроны в обращенном вспять времени – ни больше и не меньше! Правда, в этом случае мы игнорируем силу тяжести. Вообще-то для этого опыта следовало бы переместить Большой электрон-позитронный коллайдер в открытый космос.

Позитроны, как все части антиматерии, действуют так же, как частицы обычной материи. В этом отличий нет. Наше воображение поражает их разрушительная способность, которая и делает их «антиматерией». Но во всем другом они – знакомые игроки материального мира.

Глубокая симметрия между материей и антиматерией проявляется только если изменить на противоположные три свойства: заряд, четность и время. Когда Штекельберг и Фейнман высказывали свои идеи, считалось достаточным поменять одно из трех свойств, например одно время, для того чтобы показать эту симметрию. Однако теперь мы знаем, что одного недостаточно. Если вы измените на противоположное только одно свойство или два, могут проявиться небольшие различия. Спорным остается вопрос, ведут ли себя материя и антиматерия симметрично под влиянием силы тяжести.

Концепция простейших противоположных космических сил, единства противоположностей представлена в китайской философии инь и ян: инь символизирует свойства тени, зловещего и левой руки, в то время как ян отражает ее солнечную противоположность, символизируя четность и правую руку. Материя и антиматерия разделяют часть этой мистической симметрии, которая, как мы увидим, отличается и глубокой асимметрией, как отражает символ инь и ян.

Джеймс Уотсон Кронин и Вэл Логсден Фитч, американские физики, удостоенные Нобелевской премии (1980) за открытие нарушения фундаментальных принципов симметрии в распаде нейтральных К-мезонов

Выше мы говорили про бозоны, которые состоят из кварков и антикварков. Среди сотен типов есть один, который, как оказалось, демонстрирует абсолютную разницу между материей и антиматерией. Эта странная частица называется нейтральным каоном, обозначается – K^0. Напомним, что каоны – это группа элементарных частиц с нулевым спином и массой около 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. В группу входят два заряженных и два нейтральных каона. Каоны бывают заряженные, нейтральные, короткоживущие, долгоживущие.

Нейтральный каон состоит из кварка и антикварка с различными ароматами, при сложении электрических зарядов которых получается ноль. Кварк с нижним ароматом вместе с антикварком странного типа дают K^0. Если заменить материю антиматерией, то у вас будут странный кварк и нижний антикварк, которые дают антиверсию K^0.

Первая подсказка о том, что K^0 и его античастица – особенные, появилась в 1964 году, во время эксперимента, проводившегося в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, во время которого меняли заряды и при этом смотрели в зеркало. До этого времени считалось, что материя и антиматерия будут вести себя одинаковым образом. Однако, к удивлению всех, эксперимент показал, что это не так. По результатам эксперимента сотрудники Брукхейвенской лаборатории, американские физики, которые занимались ядерной физикой и физикой элементарных частиц, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, были удостоены Нобелевской премии в 1980 году за открытие нарушения симметрии относительно операции комбинированной инверсии. Комбинированная инверсия обозначается СР, это операция перехода от частиц системы к античастицам (зарядовое сопряжение) с одновременным изменением знаков пространственных координат частиц (пространственная инверсия – Р). Все взаимодействия в природе (за исключением процессов распада одной частицы) инвариантны (то есть не меняются) относительно комбинированной инверсии. Пространственная инверсия (Р) – это изменение знаков пространственных координат на противоположные (то есть х на – х, y на – y, z на – z), получается при зеркальном отражении координат частиц. Физические процессы, обусловленные сильными и электромагнитными взаимодействиями, не меняются при пространственной инверсии, то есть симметричны по отношению к пространственной инверсии. Зарядовое сопряжение – это операция замены всех частиц, участвующих в каком-либо процессе, на соответствующие античастицы. Сильное и электромагнитное взаимодействия не меняются при зарядовом сопряжении.

Инь и Ян – символ происхождения элементарных частиц

То есть до эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории считалось, что СР будет «симметрией» законов природы. Однако это не так! После присуждения Нобелевской премии Кронину и Фитчу одна шведская газета написала, что премию по физике дали за открытие того, что «Законы природы неправильны!». Законы природы не неправильны, хотя они оказались более утонченными или даже хитрыми, чем кто-либо предполагал.

Сегодня мы лучше понимаем, что происходит. Мы даже нашли способы показать асимметрию между K^0 и его античастицей при обратном ходе времени.

Странный кварк более массивен, чем нижний, но во всем остальном точно такой же. В результате странный кварк может отдать часть энергии и превратиться в нижний кварк. Точно так же антистранный кварк может превратиться в антинижний кварк. И наоборот, если нижний или антинижний кварк получает энергию, то он может стать странным или антистранным кварком. Это имеет большое значение для K^0 и анти-K^0: они постоянно меняются, будто доктор Джекил и мистер Хайд (напомним о героях повести Стивенсона: доктор Джекил – ученый и филантроп, человек безупречной репутации, его уважают знакомые и любят друзья. В результате научных экспериментов ему удается материально раздвоить свою личность, выделив из нее порочную и злобную половину – мистера Хайда).

В форме «Джекила» мы имеем комбинацию нижнего кварка с антистранным. Антистранный теряет энергию и превращается в антинижний; иногда эта энергия просачивается наружу и происходит распад каона; но она также может быть впитана соседним нижним кварком, в результате чего тот превратится в странный кварк. В этом случае то, что начиналось как нижний кварк с антистранным кварком, превращается в странный с антинижним: K^0 «Джекил» изменился в анти-K^0 «Хайд».

Это означает, что K^0 и анти-K^0 могут меняться в одну и другую сторону: Джекил в Хайда и обратно. На научном языке это называется осцилляцией. Изначально чистый пучок K^0 будет при распространении превращаться в свои античастицы, которые затем станут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это и есть осцилляция частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K^0 всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица анти-K^0 – с эмиссией позитрона. Если материя и антиматерия симметричны, то, вероятно, произойдет изменение K^0 в анти-K^0, как и обратный процесс. Если снять фильм про осцилляцию, то смотреться он будет одинаково, независимо от того, в каком направлении прокручивать пленку – вперед или назад. Если материя и антиматерия отличаются, то и эти «обменные курсы» могут различаться.

Как заглянуть внутрь одного из этих зверей, чтобы посмотреть, не осциллирует ли он больше, чем другой? Ответ – нужно посмотреть, что остается после смерти, потому что таким образом можно сказать, был ли погибший K^0 или его антиверсией. Если вы создаете пучок, в котором наблюдается смесь K^0 и его антиблизнеца в пропорции 50:50, то вы можете сравнить смесь после гибели частиц. Если окажется другая пропорция, а не 50:50, это произойдет или потому, что в осцилляции наблюдается асимметрия, при трансформации Джекила в Хайда и наоборот: одно направление выбиралось чаще другого, или одна форма погибает быстрее или легче другой. Что бы это ни было, мы приходим к определенному выводу: материя и антиматерия различаются.

Во время серии экспериментов, проведенных в ЦЕРН в 1998 году, было обнаружено, что анти-К превращается в К немного быстрее, чем наоборот. Это доказывает наличие внутреннего направления стрелы времени даже на уровне базовых частиц, поскольку вы можете сказать, в какую сторону крутится пленка со снятым фильмом об осцилляции анти-К в К: вперед, если анти-К имеет склонность вымирать, и назад, если остается больше анти-К. Последствия таковы, что, если вы начинаете с равным количеством К и анти-К в смеси, то в конце концов получается небольшой излишек К. При короткой жизни К это мелочь, и сама по себе она недостаточна для объяснения большого преимущества материи во Вселенной. Тем не менее это доказательство в принципе того, что такая асимметрия может получиться.

Эти ключи к асимметрии материи и антиматерии появились в результате подарка природы: в дополнение к нижнему кварку и его более тяжелой странной версии мы теперь знаем, что природа на этом не остановилась. Эксперименты в Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что в самом начале существования Вселенной были три «поколения» кварков и три поколения частиц, подобных электронам и связанных с ними нейтрино.

Если идеи, заложенные в уравнении Дирака, расширить таким образом, чтобы учитывать тот факт, что природа использует не одно, а три поколения, то оказывается, что материи и антиматерии больше не нужно быть симметричными двойниками. Эмпирическое доказательство этого было продемонстрировано в асимметричном поведении К и анти-К. В последние годы появились еще более веские доказательства после открытия того, что если странный кварк или антикварк в К и анти-К заменяется кварком или антикварком третьего поколения, получающиеся в результате В-мезоны и анти-В-мезоны демонстрируют еще большую асимметрию. Это соответствует тому, что было предсказано теоретически и доказывает, что существование трех поколений ароматов кварков во Вселенной допускает появление асимметрии между материей и антиматерией. Это также показывает, что удаленные галактики могут состоять как из материи, так и антиматерии. Нам нужен только разумный инопланетянин, чтобы задать ему вопрос. Но на всякий случай не стоит пожимать руку антиинопланетянину.

Представьте, что вы висите над планетой в очень далекой галактике. Вы не знаете, состоит ли она из материи или антиматерии, а поэтому – будет ли для вас безопасно на нее сесть. Планета заселена дружелюбными инопланетянами, с которыми вы установили радиосвязь. Они очень умны, понимают вас и настолько продвинуты, что все знают про материю и антиматерию.

Естественно, они утверждают, что состоят из материи. В конце концов было бы странно, если бы кто-то стал говорить о себе как об «анти» ком-то или имеющем «анти» что-то. Как нам определить, совпадают ли наши понятия и определения? Какие вопросы нужно задать, чтобы с абсолютной точностью выявить, что инопланетяне состоят из материи, как мы, или что они – антиинопланетяне?

Если бы материя и антиматерия всегда симметрично противопоставлялись друг другу, то этот вопрос решить было бы нельзя, только можно было бы на свой страх и риск подойти поближе или запустить крошечный непилотируемый зонд и посмотреть, что произойдет, когда он войдет в атмосферу или антиатмосферу. Хотя реакция антиинопланетян на кусок материи, аннигилирующей в их атмосфере, может оказаться не самой благоприятной, независимо от того, какими дружелюбными они казались вначале.

Однако мы знаем, что асимметрия имеет место. Она небольшая, но измеримая, и именно это могут показать электрически нейтральные К-мезоны. Они это делают при распаде, давая пион, который заряжен или положительно, или отрицательно, в компании с электроном или позитроном соответственно. Если бы материя и антиматерия были полными двойниками, то эти два распада тоже идеально совпадали бы. Но в реальности они немного отличаются друг от друга.

Нейтральный К и анти-К спаяны вместе в природе таким образом, что иногда они быстро погибают, но в других случаях живут дольше. Две возможности весьма сильно отличаются и известны как короткоживущие и долгоживущие каоны. Каждый из них демонстрирует асимметрию между материей и антиматерией, но в случае долгоживущего эффект сильнее, распад, который ведет к позитрону, слегка более вероятен, чем дающий электрон. Из двух тысяч примеров в среднем 1003 дадут позитрон, а 997 – электрон. Теперь у нас по крайней мере есть что-то для обсуждения с инопланетянами.

Вначале идентифицируйте К. Называть его так, как называем мы, бессмысленно, поскольку у инопланетян определенно будет свое название, но мы можем его идентифицировать по тому, в чем мы все соглашаемся, – его массе. Он весит немного больше, чем половина массы протона или антипротона, и его нельзя спутать ни с какими другими частицами. Так что скажите инопланетянам, что нас интересует частица, масса которой немного больше, чем половина массивной частицы, которая существует в ядре в центре самого простого атома, имеющегося у инопланетян, протона в атоме водорода (или антипротона в атоме антиводорода). Это идентифицирует К.

В дополнение к К^0 без электрического заряда также есть К-плюс и К-минус с положительным или отрицательным зарядом. Так что мы должны убедиться, что мы с инопланетянами говорим об электрически нейтральной версии. Мы должны сказать, что свойство, которое удерживает атом вместе, мы называем «зарядом» – и нас интересует К, у которого нет заряда. Инопланетяне будут знать, что у этого К^0 есть две формы: короткоживущая и относительно долгоживущая. Мы сосредоточим внимание на последней.

А теперь подходим к самой важной части. В нашем материальном мире (мире, где основной является материя), при распаде долгоживущего К на пион и электрон или позитрон более вероятен вариант с позитроном. Так что мы должны спросить у инопланетян: а легкая частица, которая получается чаще всего во время этих распадов, та же самая, которая встречается в ваших атомах или противоположная ей? Если инопланетяне ответят, что та же самая, то это позитрон и, соответственно, инопланетяне состоят из антиматерии, и мы можем на них смотреть, но не прикасаться к ним. Если инопланетяне ответят, что противоположная, электрон, то это значит, что они, как и мы, состоят из материи, и можно спокойно приземляться.

Тайна отсутствующей антиматерии

Антиматерия лежит в центре одной из самых больших тайн: почему ее так мало во Вселенной? По мнению большинства ученых, в результате Большого взрыва 14 миллиардов лет тому назад материя и антиматерия появились в одинаковом количестве и были идеально уравновешены. Это превращение энергии излучения в частицу и античастицу не является путешествием в один конец. Если в дальнейшем эти противоположности вступают в контакт, то они взаимно уничтожают друг друга, энергия, которая до этого была поймана в ловушку внутри них, высвобождается в виде гамма-лучей. В котле новорожденной Вселенной такие столкновения были очень широко распространены, и новорожденный материал жил недолго. Если в первое мгновение материя и антиматерия вышли из Большого взрыва в одинаковом количестве, то мгновение спустя они должны были уничтожить друг друга.

Исчезновение антиматерии – это пока неразгаданная тайна, но еще важнее кажется другой вопрос: а почему осталась материя? Возможно, дело в некотором их различии, в том, что они не являются идеальными зеркальными образами друг друга.

Мы уже знаем про мелкие различия в мире странных частиц, но базовые электроны, протоны и нейтроны кажутся идеально соответствующими своим аналогам-античастицам. Если различие и есть, мы не можем его измерить. Все в них кажется таким, как предсказывал Дирак: частицы обычной материи и их античастицы являются идеальными двойниками, или аналогами.

Хотя атомы антиводорода являются пока наиболее изученными кластерами антиматерии, теория и опыт подразумевают, что все атомные элементы могут существовать в «анти» форме. В периодической таблице перечислены атомные элементы, которые состоят из электронов, окружающих ядра, содержащие протоны и нейтроны. В антипериодической таблице будут антиэлементы с множеством позитронов, окружающих антиядра, содержащие антипротоны и антинейтроны. Правила квантовой механики, которые объясняют стабильность атомов материи, подразумевают ту же самую стабильность для атомов антиматерии. Знаки электрических зарядов меняются на противоположные, но законы притяжения противоположных зарядов и отталкивания одинаковых зарядов остаются теми же.

Сложные взаимодействия, в результате которых получаются аминокислоты, ДНК и жизнь, в равной степени позволят антиэлементам работать все в анти-ДНК, делая все, даже антижизнь. Химия антиматерии такая же, как химия материи: антипланеты и антиматерия во всех своих формах также реализуемы как более знакомая материя, которая доминирует в известной Вселенной. Антигалактики, состоящие из антизвезд, окруженных антипланетами из антиматерии, ждут ничего не подозревающих астронавтов в дальних концах Вселенной? Можем ли мы быть уверены, что где-то там в пространстве нет огромных сгустков антиматерии?

Земля – это не громадная Вселенная с бескрайними пространствами. Например, водород на Земле встречается редко, но это самый широко распространенный элемент во Вселенной. Звезды типа нашего Солнца по большей части состоят из водорода, они медленно пекут в своей печи зерна более тяжелых элементов, но если вы наугад выберете участок Вселенной диаметром в миллион световых лет, то атомные элементы типа углерода, азота и кислорода, а также железо, серебро и золото, будут скорее всего отсутствовать полностью.

Мы нетипичны с точки зрения большого количества элементов, и то же самое может относиться и к антиматерии. Поэтому одно дело признать, что у нас антиматерии нет, а совсем другое – предполагать, что это так везде, и вся материальная Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней нет. Откуда нам знать, из чего состоит далекая звезда, которую мы видим, как тускло горящую свечку в огромном пространстве космоса? С Земли мы видим только звездный свет, а поскольку у нас нет оснований предполагать, что спектры антиэлементов отличны от спектров элементов, мы не можем отличить звезды от антизвезд, просто глядя на ночное небо.

Астронавты высаживались на Луне, на Марсе садились роботы и зонды, и не произошло никакой аннигиляции, поэтому мы знаем, что ни на Луне, ни на Марсе никакой антиматерии нет. Вся Солнечная система омывается солнечным ветром – потоком субатомных частиц, эмитируемых Солнцем. Если бы Солнце было антизвездой и солнечный ветер состоял из античастиц, то мы улавливали бы гамма-лучи, когда эти античастицы аннигилируют, встречаясь с материей планет. Но мы не видим таких гамма-лучей.

Это также показывает следующее: тот, кто считает, что кометы состоят из антиматерии, не правы. Если бы антикомета прошла сквозь солнечный ветер, то количество излучаемых гамма-лучей было бы огромным, каждый грамм высвобождал бы в результате аннигиляции в два раза больше энергии, чем атомная бомба, сброшенная на Хиросиму. Запущенный зонд с успехом передал образы из кометы Галлея. Если антикометы и антиметеориты существуют, то составляют меньше одной миллиардной доли материи в Солнечной системе. Хотя, как показал «Тунгусский метеорит», в составе кометы (или, например, «мусора» от погибшей кометы) может быть малая доля антиматерии. Но опять же эта версия, как мы уже говорили, не является общепринятой.

Когда взрываются звезды, их обломки и куски выбрасываются в космос, а если их ловят в капкан магнитные руки нашей планеты, они врезаются в верхние слои атмосферы в виде космических лучей. Позитрон был обнаружен в космических лучах, там видели и антипротоны, поэтому может возникнуть искушение думать, что эти античастицы являются остатками антизвезд, которые взорвались где-то далеко от нас. Наоборот, эти позитроны и антипротоны являются «мусором», который сформировался в результате выброса энергии, когда космический луч с высокой энергией, состоящий из обычной материи, ударяет по газу в верхнем слое атмосферы. Если бы взорвалась антизвезда и наполнила космос антиэлементами, то они также присутствовали бы, но пока в космических лучах в атмосфере Земли не появлялось никаких антиэлементов и антиядер. Поиском антиматерии в лучах над атмосферой занимаются специальные спутники, а также аэростат, висящий над Южным полюсом. Однако никакой антиматерии пока замечено не было, даже ничего такого простого, как антигелий, в отличие от огромного количества отдельных позитронов и антипротонов.

А если эти антиэлементы разрушаются по пути? Это возможно, но доказательств нет. В межзвездном пространстве в таком случае появились бы четкие взрывы гамма-лучей в результате аннигиляции позитронов электронами, и аннигиляция антипротонов тоже выдала бы себя. Межзвездное пространство – это почти вакуум, но ни в коем случае не полностью пустое пространство, поэтому если бы антиматерия путешествовала несколько световых лет, то обязательно раньше или позже с чем-то столкнулась бы и была замечена. В дополнение к этому есть миллионы галактик, разбросанных по небесам, некоторые из которых близко подходят друг к другу и расширяются, когда приливные силы притяжения притягивают звезды друг к другу. Если бы эти сталкивающиеся галактики состояли из антизвезд, то в окрестностях на границе между ними наблюдались бы четкие вспышки гамма-лучей, но опять же ничего такого пока замечено не было.

Похоже, что антиматерия создается только на короткое время в результате столкновений, в которых участвует обычная материя, например столкновений космических лучей с атмосферой. На протяжении тридцати лет гамма-лучи, поступающие из центра Млечного пути, сигнализировали, что там имеются позитронные облака. В 2008 году Интеграл, телескоп на спутнике для улавливания гамма-лучей, заметил эти позитроны в районе так называемой рентгеновской двойной звездной системы. Это обычные звезды, которых живьем съедают нейтронные звезды или черные дыры. Газообразный материал умирающей звезды, кружась спиралью идет к каннибалу, становится чрезвычайно горячим – и рождаются пары электронов и позитронов. Если говорить о том, что происходит ближе к дому, то в результате большой вспышки на Солнце в 2002 году появились частицы высоких энергий, которые сталкивались с более медленными частицами в солнечной атмосфере и создавали позитроны. По оценкам, получилось полкилограмма позитронов. Если бы удалось каким-то образом захватить энергию, выделившуюся в результате их последующей аннигиляции, то ее было бы достаточно для обеспечения всех нужд Великобритании в течение двух дней.

Все доказательства указывают на то, что, за исключением недолго существующих античастиц, получающихся, как описано выше, все в рамках нескольких сотен миллионов световых лет состоит из материи. Да, это огромное пространство, но только маленькая часть видимой Вселенной. Все еще остается огромное неисследованное пространство, где может доминировать антиматерия. Могли ли материя и антиматерия разделиться в два независимых царства?

Вселенная – в том виде, в котором мы ее видим сегодня, – это холодные остатки того, что изначально было создано в результате горячего Большого взрыва, а когда предметы охлаждаются, их природа может измениться, например вода замерзает и получаются снежинки. Точно так же, когда Вселенная остывала, могли появиться разделенные каким-то образом регионы материи и антиматерии. Сразу же после Большого взрыва новорожденная Вселенная могла представлять собой кипящую энергию, материя и антиматерия непрерывно создавались и уничтожались. Вселенная старела и охлаждалась, пока ее температура не стала недостаточно горячей для замены взаимно уничтожающих друг друга материи и антиматерии новыми. В соответствии с природными законами вероятности и случайности, должны были получиться регионы с небольшим излишком антиматерии. Вселенная охлаждалась дальше, появлялись звезды и элементы по мере того, как базовые частицы прикреплялись друг к другу в регионах, где доминировала материя, а антизвезды должны были появляться там, где доминировала антиматерия.

Такая возможность была, но большинство моделей Вселенной ее отрицают. По общему мнению, вся видимая Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней нет. В среднем в каждых пяти кубических метрах открытого космоса содержится один протон, ни одного антипротона и 10 миллиардов квантов радиации. Все, что мы знаем о ранней Вселенной, в теории, из наблюдений и результатов экспериментов в Большом электрон-позитронном коллайдере, заставляет предположить, что, когда Вселенная еще была горячей сразу же после Большого взрыва, эти числа были другими: 10 миллиардов квантов радиации, 10 миллиардов антипротонов и 10 миллиардов и 1 протон. Это значит, что после сотворения мира одним из первых событий была Великая Аннигиляция и в результате нее сегодняшняя Вселенная, в которой доминирует материя, состоит из этого одного выжившего из десяти миллиардов протонов. Все в космосе сегодня – это остатки грандиозного акта созидания.

Если это так, то что-то должно было случиться еще раньше, чтобы склонить чашу весов в пользу протонов, а не антипротонов на уровне одной миллиардной. Что-то должно отличаться в обычной материи и антиматерии. Чтобы выяснить, что это могло быть и как изначально получился дисбаланс между материей и антиматерией, нам нужно вначале понять, как материя в том виде, в котором мы ее знаем, появилась в результате Большого взрыва.

Материя, существующая на Земле, не является типичной для Вселенной в целом, но материя во Вселенной также изменилась за многие миллиарды лет. На Земле материя состоит из атомов: электроны пойманы в ловушку в холоде электрической силой атомного ядра. По мере повышения температуры атомы врезаются друг в друга еще более яростно, и их электроны отсоединяются. При температуре свыше десяти тысяч градусов атомы больше не могут оставаться единым целым. Электроны высвобождаются и свободно текут в газе из электрически заряженных частиц, известном как плазма. Именно это происходит в центре Солнца, где температура превышает миллион градусов, а водород полностью разбит на независимые газы электронов и протонов. Мы можем экспериментировать с пучками электронов и протонов и посмотреть, как они себя ведут, врезаясь друг в друга при энергиях, типичных для такой температуры. Это подтверждает, что Солнце в самом деле является огромной машиной ядерного синтеза.

Эксперименты показывают, что при еще более высоких температурах материя приобретает и другие новые формы. Насколько мы можем судить, электроны остаются одними и теми же при всех температурах, а протоны и нейтроны – нет. В холодных условиях Земли и даже в горячем центре Солнца протоны и нейтроны – это сгустки кварков, которые удерживаются вместе глюонами. При более высоких температурах на том уровне, который можно изучать в самых мощных ускорителях, имеющихся в настоящее время, кажется, что ядерная материя расплавляется: атомы превращаются в электрическую плазму при 10 000 градусах, а протоны и нейтроны превращаются в «кварково-глюоновую плазму» при температуре около триллиона градусов.

Сегодня нигде во Вселенной такой температуры нет, за исключением столкновений частиц в ускорителях с высокой энергией. Даже 50 лет назад в «Беватроне» можно было создать условия с более высокой температурой, чем на Солнце. Сегодня мы можем моделировать условия, которые превалировали сразу же после Большого взрыва. Именно в ускорителях антиматерия в форме антипротонов и позитронов стала идеальным инструментом. Когда протоны ударяются в цели из материи, часть их энергии теряется и остается только небольшое количество для создания новых частиц. Однако если вы ускорите движение античастиц примерно до скорости света, а потом они будут сталкиваться с пучком идущих на такой же высокой скорости их материальных двойников, произойдет полная аннигиляция: вся энергия, ранее пойманная в ловушку в их отдельных E = mc^2, высвобождается.

Эксперименты, проводившиеся в Большом электрон-позитронном коллайдере, о котором мы рассказывали выше, подтвердили, что Большой взрыв породил электроны и позитроны, кварки и антикварки и множество фотонов и глюонов. Это происходило на заре Вселенной, когда температура была на миллиарды градусов выше, чем сегодня Солнце. По мере старения и охлаждения Вселенной эти базовые частицы соединялись вместе, строя все более и более сложные структуры. Кварки склеивались вместе по три, создавая постоянные структуры, которые мы называем протонами и нейтронами, а шары плазмы, которые они формировали, начали готовить «зерна» элементов. Когда температура еще больше снизилась, примерно до того, что мы называем комнатной, эти ядерные зерна смогли зацепиться за проходящие мимо электроны и сформировали атомы, химию, биологию и жизнь.

Мы хорошо понимаем, как материя в том виде, в котором мы ее знаем сегодня, сформировалась и развивалась на протяжении 14 миллиардов лет после Большого взрыва. Ирония заключается в том, что мы многое об этом узнали, используя антипротоны и позитроны как инструменты, помогающие нам вернуться назад во времени и посмотреть, как сотворялась материя. Если бы в космосе антипротоны и позитроны имелись в большом количестве, они легко могли бы сформировать антизвезды, космические кухни которых приготовили бы ингредиенты для формирования антиэлементов. Посыл состоит в том, что материя и антиматерия формировались соответствующими друг другу парами. Тем не менее выжить смогла только материя. Где-то в первые моменты существования Вселенной, ранее, чем в миллиардную долю секунды, возник дисбаланс между материей и антиматерией.

Нейтрино

Мы уже говорили об асимметрии между материей и антиматерией и о том, что это естественно для Вселенной. Но при изучении странных частиц это стало сенсацией. Однако, чем больше собиралось данных, становилось все более ясно, что явления, включающие кварки и антикварки, не могут объяснить количественное полное доминирование материи во Вселенной сегодня. В последнее время ученые обратили внимание на лептоны и нейтрино.

Название «лептоны» происходит от греческого слова, означающего «легкий». Название появилось в 1948 году и было выбрано, потому что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжелых частиц, входящих в класс барионов, название которых происходит от греческого слова «тяжелый». Сейчас это уже не вполне соответствует реальному положению дел, поскольку открытый в 1977 году тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов. Лептоны – это элементарные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов – частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько нам известно, отсутствует внутренняя структура.

Несмотря на то что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную структуру лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых лептоны и кварки были бы составными объектами. Рабочее название для гипотетических частиц, составляющих кварки и лептоны, – преоны, и мы их уже упоминали. Существует три поколения лептонов: электрон и электронное нейтрино (первое поколение); мюон и мюонное нейтрино (второе поколение); тау-лептон и тау-нейтрино (третье поколение) и, конечно, соответствующие античастицы. Таким образом, получается, что в каждое поколение входит отрицательно заряженный лептон, положительно заряженный антилептон и нейтральные нейтрино и антинейтрино. Все они обладают ненулевой массой, хотя масса нейтрино весьма мала по сравнению с массами других элементарных частиц. Каждому заряженному лептону (электрон, мюон, тау-лептон) соответствует легкий нейтральный лептон – нейтрино. Ранее считалось, что каждое поколение лептонов обладает своим так называемым флейворным лептонным зарядом – то есть лептон может возникнуть только вместе с антилептоном из своего поколения, так, чтобы разность количества лептонов и антилептонов каждого поколения в замкнутой системе была постоянной. Эта разность называется электронным, мюонным или тау-лептонным числом, в зависимости от рассматриваемого поколения. Лептонное число лептона равно +1, антилептона –1.

С открытием осцилляций нейтрино было обнаружено, что это правило нарушается: электронное нейтрино может превратиться в мюонное или тау-нейтрино. Таким образом, флейворное лептонное число не сохраняется. Однако процессов, в которых не сохранялось бы общее лептонное число (не зависящее от поколения), пока не обнаружено. Закон сохранения лептонного числа является экспериментальным фактом и пока не имеет общепринятого теоретического обоснования.

Слово «нейтрино» происходит от итальянского, которое можно перевести как «нейтрончик», это уменьшительное от «нейтрон». Это стабильная незаряженная элементарная частица, долго считалось, что это частица с нулевой массой, теперь признано, что – с очень малой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино, всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино в паре с мюоном, и тау-нейтрино, связанное с тяжелым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу, отличающуюся от нейтрино знаком соответствующего лептонного заряда и спиральностью. Нейтрино имеют левую спиральность (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино – правую (спин направлен по направлению движения). Одним из перспективных направлений использования нейтрино является нейтринная астрономия, так как звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90 % излучаемой энергии, то изучение свойств нейтрино помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты. Еще одним практическим применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. В ряде стран ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива. Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю. Нейтрино, образующиеся в результате распада радиоактивных элементов внутри Земли, могут использоваться для изучения внутреннего состава Земли. Измеряя потоки геологических нейтрино в разных точках Земли, можно составить карту источников радиоактивного тепловыделения внутри Земли.

То есть у нейтрино нет электрического заряда, очень малая масса, они могут проходить сквозь Землю, как пуля сквозь туман, и они до сих пор остаются такими таинственными, что через полвека после их открытия мы все еще знаем о них меньше, чем о других частицах. Тем не менее в последние годы ученые стали подозревать, что именно они скрывают тайну отсутствия антиматерии во Вселенной.

Нейтрино – это материя или антиматерия? У них нет электрического заряда, как у протона или Z^0, но в отличие от этих бозонов, которые не являются ни материей, ни антиматерией, нейтрино – это фермион, а это означает, что к нему применимо уравнение Дирака и он имеет отношение к материи или антиматерии. Так что отличает нейтральный нейтрино от нейтрального антинейтрино?

В отличие от нейтрона и антинейтрона, которые отличаются внутренним строением из кварков или антикварков, у нейтрино нет внутренней структуры. Это блуждающий кусочек кружащегося ничего, который движется сквозь пространство почти со скоростью света. Легкое вращение – это почти все, что делает нейтрино, но этого достаточно, чтобы решить загадку материи или антиматерии. Квантовая теория также подразумевает, что нейтрино могут мгновенно превращаться в электрон и W+, а антинейтрино могут аналогично превращаться в позитрон и W—. Это позволило бы их различать – если бы мы могли это наблюдать практически, но наши возможности пока этого не позволяют. На протяжении 50 лет указанное вращение использовалось для того, чтобы отличать нейтрино, материю, от антинейтрино, антиматерии. Но в последние годы появилась теория, утверждающая, что в то время как фотоны (и другие бозоны) – это и не материя, и не антиматерия, тяжелые типы нейтрино – это и то и другое! Если такие странные вещи формировались в котле Большого взрыва, то их «потомство» сегодня должно быть в неравной степени распределено между тем, что мы называем материей и антиматерией.

Так откуда взялись нейтрино? Их производят некоторые формы радиоактивности. Когда протон в ядре превращается в нейтрон, изменение энергии материализуется как позитрон и нейтрино. Электрический заряд и общее число фермионов (под этим общим числом имеется в виду количество фермионов материи минус фермионы антиматерии) сохраняется. Вначале был один положительный заряд, который нес в себе протон, и в конце тоже имеется один положительный заряд. Общее число фермионов сохраняется, поскольку позитрон антиматерии уравновешивается нейтрино материи. И наоборот, когда нейтрон распадается, оставляя протон, появляются электрон и антинейтрино.

Если в дальнейшем нейтрино или антинейтрино столкнутся с материей, то выдадут себя, запустив обратный процесс. Нейтрино превращает нейтрон в протон, сопровождаемый электроном. Антинейтрино превращает протон в нейтрон, сопровождаемый позитроном.

Нейтрино могут вращаться, как электроны. Как мы знаем, у электронов есть электрический заряд, а благодаря своему спину они напоминают маленькие магниты. В своем полете они ориентируются или на Северный, или на Южный полюс. Мы можем представить это в виде штопора, который можно вращать в одну или другую сторону – вправо или влево, против часовой стрелки или по часовой. У нейтрино нет электрического заряда, но к нему применимо то, что мы сказали про спин – вращение может совершаться как по часовой стрелке, так и против.

В экспериментах, проводившихся на протяжении свыше 50 лет, казалось, что нейтрино вращается только по часовой стрелке, в то время как антинейтрино – наоборот. Это подобно стрелкам будильника – если мы посмотрим на их ход в зеркале, то покажется, что они идут вспять. Если мы посмотрим на нейтрино в зеркале, он поменяется на антинейтрино? Вначале нужно задать вопрос: а как нам узнать, нейтрино это или антинейтрино, кроме как по направлению вращения? Есть ли еще какой-то показатель, помогающий идентифицировать нейтрино как частицу, а антинейтрино как античастицу? Если такого показателя нет, то остается одно направление вращения. Или все-таки есть?

На этом этапе нужно задуматься о том, что мы имеем в виду под словом «античастица». Под обычной материей мы понимаем отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны. Положительная версия электрона называется «позитрон», а если бы отрицательная версия протона называлась «негатон», то они были бы просто двумя новыми частицами. Но называя их антиэлектроном и антипротоном и сосредоточивая внимание на их способности уничтожать свои вторые «Я», мы приходим в возбуждение от «антиматерии», и начинает работать воображение. Когда речь идет о нейтрино, мы имеем дело с частицами, не являющимися обычным делом в нашем материальном мире. Они пролетают мимо как призраки, редко обнаруживая себя, и определенно не попадают в ловушку внутри материи. Вместо того чтобы думать о нейтрино и антинейтрино как частях материи и антиматерии и определять, что есть что по их родству с электроном или позитроном, как обычно делалось, мы можем просто сказать, что имеем дело с нейтрино: при вращении по часовой стрелки он предпочитает электроны (нейтрино с левым спином), а при вращении против часовой стрелки – позитроны (нейтрино с правым спином).

На протяжении полувека считалось, что нейтрино не имеют массы и вращаются, как штопор, в пространстве со скоростью света. Однако в последние пять лет было обнаружено, что это не так. У нейтрино, которые были эмитированы в процессе обычной радиоактивности или в процессах ядерного распада в центре Солнца, имеется крошечная масса. Она так мала, что пока еще никому не удалось ее измерить. Но если бы у нас появились субатомные весы, то потребовалось бы по меньшей мере 10 000 нейтрино для уравновешивания одного электрона.

Это очень маленькая частица, но значение нейтрино может быть огромным. Теория относительности Эйнштейна подразумевает, что фермион, летящий со скоростью света, остается или вращающимся по часовой стрелке, или вращающимся против часовой стрелки, и вращение не может поменяться с одного на другое. Частицы, у которых есть масса и к которым, как мы теперь знаем, относится нейтрино, могут вращаться или влево, или вправо, и возможно, что в результате взаимодействия с другими частицами они могут изменить направление вращения, превратившись из частиц, вращающихся по часовой стрелке, в частицы, вращающиеся против. Так что для нейтрино возможно вращаться или по часовой стрелке, или против часовой стрелки. И то же самое относится к антинейтрино.

Открытым остается вопрос, следуют ли эти туманные сущности правилу «материя по часовой стрелке, антиматерия против часовой стрелки», или нейтрино является одновременно материей и антиматерией в том смысле, что нейтрино и его античастица неразличимы. На эту возможность указал Этторе Майорана вскоре после появления уравнения Дирака. Майорана предложил протон-нейтронную модель атомного ядра и изучал обменные ядерные силы. В 1937 году Майорана сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование так называемых фермионов Майораны – частиц, одновременно являющихся собственными античастицами. Впервые они были обнаружены только в 2012 году. В физике частиц в наши дни одной из самых интересных тем является использование природой «нейтрино Майораны». Это может сыграть важную роль в объяснении происхождения Вселенной, в которой доминирует материя.

Этторе Майорана (род. в 1906 году) – итальянский физик-теоретик, работавший в теории нейтрино. Гениальный ученик Э. Ферми. В 1937 году сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (впервые они были обнаружены лишь в 2012 году). Бесследно исчез

Если бы у нейтрино не было массы, они все равно оставались бы таинственными, но тем не менее подпадали бы под общее описание частиц и сил, которое называется «Стандартной моделью». Различные версии стали строиться при попытке понять, почему у нейтрино такая маленькая масса, практически равная нулю в сравнении с электроном и позитроном. Есть теория о том, что в дополнение к известным легким нейтрино существуют еще и очень массивные нейтрино Майораны, которые еще предстоит открыть. Для гипотетических частиц даже придумали название – майороны.

Если это так и сегодня майороны просто остаются вне пределов нашей досягаемости, то они были созданы во время Большого взрыва вместе со всем остальным. Это может иметь поразительные последствия для природы нынешней Вселенной.

Если майороны вымерли, то в современной Вселенной находится их потомство. Теоретически майорон – это массивный нейтральный фермион, который может излучать энергию в форме бозона Хиггса и превращаться в нейтрино или антинейтрино. Может получаться три типа нейтрино или соответствующих антинейтрино, и нет оснований считать, что майорон распадется на нейтрино и антинейтрино в равной степени. Это предполагает, что майороны выжили в апокалипсисе Великой Аннигиляции и кое-что оставили нам после себя.

Сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная еще была очень горячей, майороны должны были находиться в термическом равновесии – они постоянно формировались и распадались. Однако Вселенная стала быстро остывать, и наступил момент, когда энергии стало недостаточно для формирования новых майоронов, и умирающие больше не заменялись новыми. Майороны вымерли и никогда больше не появились снова, но выжило их потомство. Это неуравновешенная популяция нейтрино и антинейтрино, которые сформировались как «ископаемые останки» умерших майоронов.

Это был важнейший первый шаг для производства нейтрино. Затем, немного позже, в охлаждающейся Вселенной из энергии сформировались кварки и антикварки, электроны и позитроны. Дополнительные кварки и антикварки формировались в процессе столкновения нейтрино и антинейтрино с электронами и позитронами. А вскоре стало слишком холодно для формирования еще большего количества. Так какой вклад внесли майороны? Их гибель привела к рождению дисбаланса между нейтрино и антинейтрино. Затем мириады частиц и античастиц ударялись об асимметричную смесь нейтрино и антинейтрино – и таким образом получились лишние кварки, количество которых превышает количество антикварков.

Затем Великая Аннигиляция уничтожила всю антиматерию вместе с уравновешенной с нею материей. Потомство майоронов сформировало кривобокую Вселенную, в которой осталась горсточка лишних кварков на каждые 10 миллиардов кварков и антикварков, которые исчезли. Выжившие охладились для формирования Вселенной с доминирующей материей, в которой протоны стабильны и существует та материя, которую мы знаем.

На сегодняшний день это – лучшая теория, объясняющая асимметрию между материей и антиматерией. Во время новых экспериментов в Большом адронном коллайдере ученые будет искать доказательства существования майоронов, уже ведется их поиск в космическом излучении. Но пока майороны не найдены и теория хотя и приводит в возбуждение, но остается недоказанной. Ясно, что асимметрия между материей и антиматерией возникла, когда Вселенная была моложе и горячее, чем могут смоделировать современные аппараты. И не будем забывать, что цель изучения антиматерии – это получение нового источника энергии.

Заключение

Миллиарды лет назад энергия превратилась в материю и антиматерию. На Земле она остается пойманной в ловушку в материи на протяжении этих миллиардов лет. Люди научились высвобождать небольшую ее часть из химических веществ и ядер атомов урана. Из некоторых видов материи энергию получать проще, чем из других. Фактически нам нужна эффективная искра. Идеальной была бы антиматерия, поскольку одно ее прикосновение высвобождает всю энергию из того, чего она касается. Но проблема в том, что антиматерии давно нет во Вселенной, так что до того как использовать ее пиротехнические свойства, нам нужно научиться самим ее изготавливать. И тут мы сталкиваемся с ограничениями, наложенными природой.

Фундаментальная истина состоит в том, что создание антиматерии из энергии через Е = mc^2 всегда дает равные количества обычной материи и антиматерии. Если вы снова соедините их, произойдет аннигиляция, и вы можете получить энергию назад, если ничего не потеряете. На практике теряется большое количество, но даже если мы сможем сделать процесс очень эффективным, то никогда не сможем получить больше, чем вложили. Дело не в том, что нужно провести дополнительные исследования или создать более совершенную и продвинутую технологию для обхода этих ограничений. Это закон или природа природы. Антиматерия может стать практическим источником энергии, если мы вначале найдем где-то большие ее количества, аналогичные нефтяным месторождениям на Земле.

Единственным намеком на существование антиматерии где-то во Вселенной является падение «Тунгусского метеорита», о котором мы рассказали в начале книги, – если мы верим в то, что в 1908 году по Земле ударил кусок антиматерии.

Я смотрю на растения, которые растут у меня в саду, но не вижу, как атомы углерода и кислорода вытягиваются из воздуха и превращаются в листья, и я не вижу, как каша, которую я съел за завтраком, превращается в меня, а вы не видите, как ваш завтрак превращается в вас. Молекулы перестраиваются, атомы выполняют свою работу, энергия высвобождается. Еда, которую вы съели несколько часов назад, превращается в вас и в отходы, но также производит энергию для жизни и для поддержания температуры вашего тела. Температура тела – результат химических реакций. Это работает формула Эйнштейна: Е = mc^2. Небольшое количество массы (m) из вашей еды теряется, когда еда трансформируется и превращается в энергию (Е) при скорости превращения, равной возведенной в квадрат скорости света (с^2). Если говорить в процентном соотношении, то разница в весе между едой, добавленной к вам, и тем количеством, которое в дальнейшем выйдет из вас в виде экскрементов и пота, очень мала, это одна миллиардная, или микрограмм. Ее очень сложно измерить. Но преобразование одной миллиардной массы в энергию лежит в основе химии, биологии и жизни. Это также источник мощи пороха и химических взрывчатых веществ. Эти процессы включают электроны в удаленных от ядер частях атомов. Однако гораздо большие количества энергии доступны в атомном ядре. Если брать количество энергии, высвобожденное ядром, то оно получается в десять миллионов раз больше, чем высвобожденное электронами.

Так что, в то время как химические реакции высвобождают одну миллиардную долю энергии, пойманной в ловушку в материи, ядерные реакции высвобождают до одного процента. Если мы сможем преобразовывать бо́льшие количества материи в энергию, то и наши амбиции будут параллельно расти. В принципе мы могли бы высвобождать все латентные mc^2, заключенные в материи, в энергию. Это то обещание, которое дает антиматерия.

Мощь химических веществ появляется потому, что несмотря на очень малое количество энергии, высвобождаемое каждым отдельным атомом, в каждом грамме насчитывается до 10^24 атомов, и каждый из них может внести свой вклад. Ядерные процессы точно так же используют большие количества урановой руды, которую можно извлечь из Земли и подвернуть процессу обработки. Природа заперла энергию в атомах миллиарды лет назад, а теперь мы можем высвободить один процент из триллионов и триллионов атомов. В случае антиматерии такой возможности нет. Насколько нам известно, она вся была уничтожена 14 миллиардов лет назад. Если вы хотите использовать антиматерию, то вначале должны изготовить каждую античастицу, а это очень неэффективный процесс. Это фундаментальное ограничение природы: хотя общая энергия законсервирована в любом процессе производства, количество полезной энергии снижается из-за трения и общих потерь. Следовательно, из-за этих потерь только очень малое количество используемой энергии в конце концов оказывается в частицах антиматерии. В результате получается, что требуется гораздо больше энергии для изготовления, чем может быть получено при последующей аннигиляции.

Предположим, мы хотим получить несколько граммов антиматерии – для межгалактических полетов, для источника энергии, для того, чтобы что-то разбомбить – для любой цели. Тут же встают вопросы – как ее получить, как хранить и из чего она должна состоять? Никаких специальных процессов, как в случае тротила или бензина, не требуется. Энергию высвобождает аннигиляция, так что подойдет любая самая простая антиматерия. Нам придется ее изготавливать по античастице и антиатому за раз. Проблема в том, как лучше всего собрать необходимое количество антиматерии для хранения. Именно на этом этапе реальность и природа начинают разрушать мечту, созданную научной фантастикой. Чтобы изготовить один грамм антипротонов, требуется почти триллион триллионов частиц. Чтобы изготовить один грамм позитронов, требуется еще в две тысячи раз больше. Это огромные количества. Чтобы позволить вам их представить, приведем кое-какие данные.

После открытия антипротона в 1955 году ЦЕРН, использующая Антипротонное кольцо, и «Фермилаб», в которой имеется подобная технология, в целом смогли получить менее одной миллионной грамма. Если бы мы смогли собрать вместе всю полученную на сегодняшний день антиматерию, а затем аннигилировать ее с материей, то нам хватило бы энергии только для того, чтобы зажечь одну электрическую лампочку на несколько минут. В отличие от этой энергии, потраченная на производство антиматерии энергия могла бы осветить площадь Пиккадилли в Лондоне или Таймс-Сквер в Нью-Йорке.

При нынешнем уровне развития науки и техники на изготовление одного грамма уйдет 100 тысяч веков. Оборудование, разработанное для производства пучков античастиц для специальных экспериментов, не предназначено для хранения их больших количеств. Тем не менее даже если мы сможем спроектировать машину специально для создания больших количеств антиматерии, пройдут еще десятки миллионов лет до начала промышленного производства в короткие сроки, измеряемые хотя бы неделями. Но все равно остается вопрос хранения.

Для начала нужен высокий вакуум и контейнер, состоящий из электрических и магнитных полей. Хорошая новость состоит в том, что мы знаем, как хранить античастицы и с успехом уже это проделывали в ловушках Пеннинга, где они хранились по нескольку недель. Однако есть ограничения по хранению в магнитной «бутылке», поскольку возникают проблемы, когда много заряженных частиц собираются в малом объеме. Природный факт, от которого не уйти, состоит в том, что электрически заряженные частицы с одним и тем же знаком заряда отталкиваются друг от друга, так что чем больше их у вас набирается, тем труднее их заталкивать в магнитную «бутылку». Самое большое количество, которое удалось сохранить, – это около миллиона антипротонов. Но не радуйтесь заранее – это в миллиард миллиардов раз меньше, чем нужно для производства одного грамма антиматерии. «Бутылка» с античастицами, которая еще и может потечь, – это не решение проблемы.

Один из способов решения этой проблемы – смесь позитронов и антипротонов, как атомов антиводорода. Электрические заряды положительных позитронов и отрицательных антипротонов отменяют друг друга, так что проблема слишком большого электрического заряда не должна волновать. Мы сами состоим из миллиардов атомов, которые содержат уравновешенные положительные и отрицательные заряды, так что в целом мы не ощущаем никакой электрической активности внутри себя. То же самое может относиться к антиматерии. Но в данном случае магнитные канаты и электрические стены, которые создают тюрьму, могут удерживать внутри только электрически заряженных заключенных. Если эти заключенные разобьются на пары, и их отдельные заряды, соединившись, дадут ноль, таким образом отменив заряд, то сила стен тюрьмы исчезнет как по взмаху волшебной палочки: чтобы что-то удержать в электромагнитной «бутылке», требуются какие-то силы, действующие между «бутылкой» и тем, что там удерживается. Атомы антиводорода нейтральны по отношению к электрическим и магнитным полям, поэтому они легко сбегают, не удерживаемые стенами тюрьмы, встречаются с материей и разрушаются.

Возможно, удастся поймать в ловушку часть атомов антиводорода в магнитных полях, которые быстро меняются, так что различные магнитные моменты позитрона и антипротона будут удерживать атом, но это пока не было достигнуто даже в случае нескольких антиатомов.

Еще одна возможность – это сделать атомы позитрония: позитрон плюс электрон. В последние годы этим направлением заинтересовались американские военные. Проблема здесь не только в том, что этот атом является электрически нейтральным, как антиводород, но также и в том, что его составляющие взаимно уничтожают друг друга. Продолжительность жизни атома позитрония – меньше одной тысячной доли секунды, это слишком мало, чтобы их можно было использовать в качестве энергии даже для путешествия на Марс. Тем не менее американские ВВС считают, что этого достаточно для их целей, и в исследования вкладываются миллионы долларов.

В самом начале книги мы уже говорили об оружии на основе антиматерии, разработкой которого занимаются американские ВВС. Я считаю, что на сегодняшний день нет возможности изготовить бомбы на основе антиматерии по той же самой причине, по которой мы не можем использовать ее как источник энергии, о чем было рассказано выше. Мы не можем собрать достаточное количество антиматерии, мы не можем обеспечить нужную плотность и не знаем, как хранить большие количества антиматерии. Процессы превращения энергии в антиматерию неэффективны. Так что пока, несмотря на все средства, которые военные вливают в свои исследования, нам не стоит волноваться об использовании антиматерии в военных целях.

В качестве примера возьмем один гипотетический грамм антиматерии. Аннигиляция такого количества будет соответствовать взрыву атомной бомбы. С имеющейся на сегодняшний день техникой и технологиями можно производить по одному нанограмму (одной миллиардной доле грамма) антиматерии в год. Уйдут на изготовление этого грамма сотни миллионов долларов. Многовато даже для американских военных.

В дополнение к стоимости и проблемам производства, есть проблема хранения. Как мы уже неоднократно говорили, одинаковые заряды отталкиваются друг от друга. Так что для удержания электрического заряда грамма чистых антипротонов или позитронов потребуется построить такое мощное поле, что если вы каким-то образом его нарушите, то взрыв от разлетающихся в разные стороны заряженных частиц превысит тот, который может получиться при аннигиляции. Если уж так хочется делать бомбы, то, наверное, проще забыть об антиматерии и заняться технологией, которая требуется для ее хранения и сдерживания. Меньше усилий и дешевле. Производить антиматерию просто непрактично.

После упоминавшегося в начале книги выступления Кеннета Эдвардса других заявлений от ВВС США не было. Представители военного ведомства говорили о том, что им запрещено высказываться на эту тему и давать интервью. Скорее всего объяснение заключается не в секретности, а в том, что оружия на основе антиматерии нет, и проект оказался только мечтой, но это не признается официально. Денег-то потрачено очень много!

Однако ВВС США финансировали исследование антипротонов в Пенсильванском университете под руководством Джеральда Смита, который возглавлял кафедру физики в этом университете и входил в комиссию ЦЕРН, оценивающую экспериментальные проекты, связанные с антипротонами. После увольнения из Пенсильванского университета Смит основал компанию Positronics Research LLC в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Как подразумевает название, его интересы перешли с антипротонов на позитроны. Компания занимается вопросами сохранения энергии, ядерной медициной и разработками для ракетных двигателей.

Смит начинал работу над ракетными двигателями еще в Пенсильванском университете в 1990-е годы, тогда упор делался на антипротоны. В планах было производство, улавливание и транспортировка антиматерии для ракетных двигателей. Его команда заявила о работе над ловушкой, которая могла бы удерживать до миллиарда антипротонов на протяжении десяти дней. Они называли ее прототипом ловушки, которая могла бы удерживать 10^14 антипротонов 120 дней. То есть столько времени, сколько требуется для полета на Марс и обратно. Однако десять лет спустя никакого результата предъявлено не было, это даже не оказалось дорогой к какой-то новой технологии. ЦЕРН вообще не занималась ничем подобным. Максимальное количество антипротонов, которое когда-либо удавалось удержать в ловушке, составляет миллион. А исследования в настоящее время сосредоточиваются на хранении малых количеств для производства точных измерений.

Также Джеральд Смит подтвердил в одном интервью, что в 2004 году ВВС США выделили свыше 3 миллионов долларов на исследования, проводившиеся его командой, о чем мы уже рассказывали в главе «Интерес военных к антиматерии». Но не было никаких заявлений, а тем более демонстрации производства или хранения больших количеств антиматерии.

Один из ведущих специалистов по антиматерии в ЦЕРН, Рольф Ландуа, сказал, что ученые считали атомную бомбу реальной возможностью за много лет до того, как она была создана и взорвана. Для простых людей это стало сюрпризом, они были по-настоящему поражены этим достижением. С другой стороны, именно простые люди больше всего говорят и хотят знать о бомбе на основе антиматерии. Тем не менее ученые уже давно знают, что ее практически нереально создать, и причин тут несколько, как мы уже говорили выше.

Однако проблемы производства и хранения антиматерии не останавливают исследования, связанные с использованием ее как топлива в межпланетных и межгалактических космических кораблях. Преимущество по сравнению с использующимся в настоящее время топливом – это вес, причем разница колоссальная. Половину зонда, отправленного на Сатурн, составляло топливо, а пусковая установка весила в 180 раз больше самого зонда. Если же запускать пилотируемый корабль на Марс, то 3 тонны химического топлива можно заменить одной сотой грамма антиматерии. Это вес одного рисового зернышка.

Однако те, кто говорит об этом и зарождает надежды в умах людей, умалчивают о технике и технологиях, которые потребуются для сдерживания и хранения антиматерии. Большие количества антипротонов или позитронов подразумевают большую концентрацию электрических зарядов, которые нужно как-то удерживать. Для хранения даже одной миллионной того количества, которое требуется для полета на Марс, потребуется огромная электрическая сила для давления на стенки топливного бака. Но, несмотря на эти проблемы, НАСА продолжает исследовать вопрос дальних космических полетов, а ВВС США – возможность строительства хотя бы непилотируемых микросамолетов-истребителей.

В 1950-е годы немецкий инженер Юджин Сангер предложил проект фотонной ракеты, которую будут приводить в движение гамма-лучи, полученные в результате электрон-позитронной аннигиляции. За эту идею ухватились писатели-фантасты, но в реальности она никогда не разрабатывалась, частично из-за проблем с производством и хранением достаточного количества позитронов. Однако упоминавшийся выше Джеральд Смит в настоящее время рассматривает возможность производства источников энергии из позитронов. Позитроны легче, чем антипротоны, но их проще получать. Но приходить в возбуждение еще рано.

Однако теория ясна: автор считает, что электрические и магнитные поля могут растянуть жизнь атома позитрония при их особой комбинации и по крайней мере сильно увеличить его шанс на выживание. Смит говорит даже о «практически бесконечной» жизни позитрония. Электрическое поле склонно тянуть электрон и позитрон друг от друга, а магнитное поле помогает удерживать их на месте. При таком положении вещей их можно отделить друг от друга на расстояния в тысячу раз превышающие обычное расстояние в атоме, и таким образом существенно снижается вероятность столкновения и аннигиляции.

Все это хорошо, но мне кажется, что даже если это получится в случае нескольких атомов позитрония, для источника энергии требуются триллионы электронов и позитронов. Для удерживания их на расстоянии потребуются мощнейшие электрические и магнитные поля, которые смогли бы удерживать отдельные облака положительных и отрицательных зарядов. И здесь возникает та же проблема, что и в предыдущих попытках: как удерживать большие количества заряженных частиц, которые требуются для источника энергии? Пока она не решена, растяжение жизни позитрония не дает ничего.

То есть мы можем сказать, что люди получают античастицы уже 80 лет, в последнее десятилетие в ЦЕРН получили несколько атомов антиводорода. Но антиматерия (в смысле антиатомы, организованные в достаточно большие количества, чтобы эти количества можно было увидеть, не то что хранить) все еще остается фантастикой. Возможно, так будет всегда. Интерес к антиводороду проснулся после появления Антипротонного Деселератора (замедлителя) в ЦЕРН. Утверждалось, что это усовершенствованный аппарат для производства антиматерии, который обещает производить антиматерию в больших количествах. Но оказалось, что Антипротонный деселератор дает меньше антипротонов, чем Антипротонное кольцо. Хотя это великолепный аппарат и важная веха в науке об антиматерии, настоящее произведение искусства для производства антиводорода. Но этот аппарат не может производить антиматерию в тех количествах, которые нужны для промышленности, как и любой другой из ныне существующих.

Разговоры о том, что если бы такой аппарат появился, то «антиматериальная технология» спасла бы нашу планету, тоже вводят в заблуждение. Во-первых, для производства антиматерии нам нужно использовать энергию, но как мы говорили выше, много энергии при этом теряется. Античастицы создаются почти на скорости света и их нужно укротить. И для этого тоже требуется энергия. Многие античастицы теряются, а вся энергия, которая использовалась для их производства, уходит навсегда.

Если бы нам удалось найти большие количества антиматерии в природе – там, где природа уже потратила энергию на производство антиматерии, чтобы мы теперь могли только ею воспользоваться, наши топливные проблемы могли бы быть решены. Но пока нам самим приходится изготавливать антиматерию, это в первую очередь нерентабельно, так как производимой энергии оказывается меньше, чем уходит на ее производство. Так что антиматерия – это не панацея для спасения планеты и одновременно не самое страшное оружие, потому что в обозримом и, скорее всего, даже очень далеком будущем, произвести его не удастся.

Маловероятно, что антиматерия когда-либо даст большие количества энергии, которые могли бы заинтересовать энергетические компании, но на уровнях меньше атомного аннигиляция антиматерии оказалась бесценной в медицине, технологиях и фундаментальной науке. Когда пучки, летящие на скорости, близкой к скорости света, врезаются друг в друга и происходит аннигиляция, общая энергия мала, но ее концентрация в точке, меньшей, чем атомное ядро, очень велика.

Люди всех национальностей, из всех стран когда-то задумываются о своем происхождении и о том, как появилось все на Земле и за ее пределами. Никто не знает, почему произошел Большой взрыв, но из его энергии родилось все, что мы знаем. Пучки антиматерии, вначале антипротоны, а потом позитроны позволили нам смоделировать раннюю Вселенную в экспериментах и начать понимать, что происходило, когда возраст Вселенной составлял всего одну миллиардную долю секунды. Это поразительное достижение человеческого интеллекта – группы атомов, собранных вместе и способных думать, с удивлением смотреть на Вселенную, которая создала нас, строить машины, способные вернуть нас ко времени нашего появления, появления всего в результате Большого взрыва. А инструментом, который сделал это возможным для нас, является антиматерия.

Content

Виктор де Касто
PRO Антиматерию

Введение

Вещество, которое есть и которого нет

Что такое антиматерия?

Тунгусский метеорит

Высвобождение энергии

Интерес военных к антиматерии

Природная антиматерия

Материальный мир

Электрон

Поль Дирак и море Дирака

Космическое открытие

Патрик Блэкетт и Джузеппе Оккиалини

Позитроны на Земле

Аннигиляция

Другие античастицы

Кварки и антикварки

Хранение антиматерии

Большой электрон-позитронный коллайдер

Будкер, Руббиа и Ван дер Меер

Ловушка Пеннинга

Фабрики антиматерии

Странное поведение странных частиц

Тайна отсутствующей антиматерии

Нейтрино

Заключение