Антиматерия. Позитроны. Миры из антивещества
Добавлено: 21 ноя 2023, 05:55
В современной фантастике использование антивещества описывается как естественный и привычный процесс: с его помощью звездолёты бороздят Галактику, а безумные злодеи взрывают планеты. Но откуда взялась столь необычная идея материи со знаком «минус»? И почему при всей её популярности и множестве экспериментальных подтверждений мы до сих пор не нашли способа использовать антивещество как оружие или двигатель?
Отрицательная материя
Во второй половине XIX века учёные пытались создать обобщающую теорию строения материи. В ходу тогда была концепция эфира, утверждавшая, что существуют мельчайшие частицы, которые наполняют всё сущее и передают наблюдаемые взаимодействия, в том числе и гравитацию.
Чтобы объяснить, как из эфирных частиц формируется материя, английский математик Карл Пирсон в книге «Грамматика науки» (The Grammar of Science, 1892) выдвинул гипотезу, что эфир — продукт более высокого, четвёртого измерения, а в нашем трёхмерном пространстве он проявляется как сочетание «эфирных струй». Пирсон не смог ответить, откуда и куда текут «струи», но предположил, что направление им задаёт взаимодействие материи нашего трёхмерного мира и «отрицательной» материи, скрытой в четвёртом измерении.
В 1898 году, вскоре после открытия электрона, идею «отрицательной» материи попытался развить английский физик Артур Шустер. Он был сторонником идеи глобальной симметрии, на основе которой и строил свои рассуждения. Как известно, электрон — это отрицательно заряженная субатомная частица, и физик предположил, что должен существовать и его «симметричный» аналог с положительным зарядом, называемый антиатомом.
Из идеи Артура Шустера следовала гипотеза о существовании «антиатомов» и «антивещества». В двух письмах в журнал Nature физик изложил гипотезу, а также высказал мысль, что из антивещества могут состоять некоторые космические объекты. Кроме того, он описал «аннигиляцию» (выделение энергии с полным уничтожением её источника), которая неизбежно произойдёт при контакте антивещества с веществом.
Письма в научный журнал не были полноценной теорией — скорее результатом случайного озарения. Коллеги восприняли их скептически, однако вскоре стало ясно, что идея Шустера не так уж далека от реальности.
В начале XX века физика зашла в тупик. Теория эфира, призванная описать мир, не подтверждалась экспериментами. На помощь пришла появившаяся в 1920-х квантовая механика. Параллельно сформировалась специальная теория относительности (релятивистская механика), которая описывает эффекты, проявляющиеся при очень больших скоростях. В какой-то момент учёные решили «скрестить» два предельных случая: большие скорости (релятивистская механика) и субатомные расстояния (квантовая механика). Довольно быстро вывели уравнение, связывающее две новые механики. Вот только решения этого уравнения приводили к парадоксам, в том числе к описанию частиц с отрицательными энергиями. Как такое возможно? Ответить на вопрос взялся английский физик Поль Дирак.
Море Дирака
Работы Поля Дирака вполне сопоставимы по значению с теорией Эйнштейна, но англичанин менее известен, чем прославленный коллега, поскольку отличался большой скромностью, а его замечательные открытия трудны для понимания. А ведь именно Дирак предложил изящный математический аппарат, позволяющий описывать процессы, происходящие на субатомном уровне. Благодаря своим формулам он сумел объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма и описать так называемое «квантовое поле», то есть выразить через формулы всю совокупность состояний микрочастиц.
В 1927 году Дирак взялся применить специальную теорию относительности к субатомному миру. В результате он создал релятивистскую теорию электрона, которая через пять лет принесла ему Нобелевскую премию по физике. Однако открытие Дирака поставило перед учёными очередной трудный вопрос. Его формулы согласуются друг с другом, только если предположить, что во Вселенной ровно столько же антивещества, сколько и вещества. Но этого не наблюдается — иначе мы видели бы непрерывные аннигиляционные процессы, сопровождаемые мощным выделением энергии.
Чтобы объяснить парадокс, учёный придумал гипотетическую модель вакуума, позднее получившую название «море Дирака». Согласно этой модели, всё пространство заполнено «ненаблюдаемыми» электронами. При приложении внешней энергии электрон переходит с «ненаблюдаемого» уровня на «наблюдаемый». На его месте образуется «дырка», имеющая массу электрона, но противоположный заряд, — то есть рождается антиэлектрон. При аннигиляции (то есть при столкновении электрона и антиэлектрона) электрон снова заполняет «дырку» и становится «ненаблюдаемым», возвращая реальности то количество энергии, которое приобрёл ранее, когда переходил в «наблюдаемое» состояние.
Поскольку к моменту, когда Дирак сформулировал свою концепцию, физики знали о существовании всего трёх субатомных частиц — фотона (квант света), электрона (квант отрицательного заряда) и протона (квант положительного заряда), он предположил, что «дыркой» является протон. Коллеги встретили новую идею Дирака с большим скепсисом: протон в 2000 раз тяжелее электрона, и было неясно, из-за чего образуется подобная разница в массе.
Если Дирак прав, то получалось, что атом водорода состоит из электрона и «дырки». Поскольку электрон стремится занять состояние с меньшей энергией, то он неизбежно должен «упасть» на протон и аннигилировать, превратившись в гамма-кванты (фотоны высоких энергий). Молодой американский физик Роберт Оппенгеймер, будущий «отец» первой ядерной бомбы, посчитал, что в таком случае время жизни атома водорода составит 10^−10 секунды.
Посыпались насмешки. Например, швейцарец Вольфганг Паули заявил, что любую физическую теорию нужно применять прежде всего к её автору, — следовательно, Дирак должен давно исчезнуть во вспышке света. Даже великий Нильс Бор пошутил, заявив, что знает, как поймать слона: надо разместить на тропе, по которой слоны ходят на водопой, плакат с изложением концепции Дирака; слон прочтёт, задумается, и в этот момент его можно брать голыми руками.
Поль Дирак и сам понял, что протон не годится на роль «дырки», поэтому выдвинул новую гипотезу в сентябре 1931 года: «Дырка должна быть новым типом частицы, неизвестной ещё в экспериментальной физике. У неё должна быть та же масса, что и у электрона, а заряд — противоположный заряду электрона. Мы можем получить такие частицы экспериментально в высоком вакууме, где они будут вполне стабильны и доступны для изучения. Столкновение двух жёстких гамма-лучей должно привести к одновременному рождению электрона и антиэлектрона… протоны же должны иметь свои собственные состояния с отрицательной энергией».
Частица, описанная Дираком и получившая название «позитрон», была выявлена незадолго до появления гипотезы о её существовании. В 1929 году советский физик Дмитрий Скобельцын, изучая космические лучи, обнаружил частицы, которые по всем параметрам соответствовали электронам, но имели противоположный (положительный) заряд. К сожалению, Скобельцын не был знаком с теорией Дирака, поэтому не нашёл этому объяснений.
Осмысленный результат был получен, когда поисками позитронов занялся американский физик Карл Андерсон. В августе 1932 года он зарегистрировал их, исследуя космическое излучение. Теоретические выкладки Дирака и Шустера были подтверждены экспериментально.
Началась «охота» на позитроны. Ещё через два года знаменитые французские экспериментаторы-ядерщики Ирен и Фредерико Жолио-Кюри зафиксировали позитроны, рождающиеся в результате радиоактивного распада изотопов различных веществ. Тогда появилась альтернативная таблица химических элементов, составленная инженером Чарльзом Джанетом: она учитывала открытия в области квантовой механики и могла быть использована для описания антивеществ.
Однако позитрон — это всего лишь субатомная частица; антиатом должен состоять ещё из антинейтрона и антипротона. Зарегистрировать их оказалось гораздо сложнее. Антипротон был получен только в 1955 году на специальном ускорителе «Беватрон» в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли; там же через год удалось по косвенным признакам определить наличие антинейтрона. В 1965 году в Европейском центре ядерных исследований были синтезированы ядра дейтерия (стабильного изотопа водорода), сложенные из антипротона и антинейтрона.
Бездна энергии
Складывалось впечатление, что антивещество — это нечто распространённое и доступное, ведь позитроны, как выяснилось, испускает даже человеческое тело (точнее, изотоп калий-40, который в нём содержится). И тут природа подбросила сюрприз.
Первооткрыватели антипротона и антинейтрона получили Нобелевскую премию, и о них активно писала пресса. Казалось, что ещё немного — и будет освоен источник неиссякаемой энергии за счёт аннигиляции. Например, подсчитано, что при взаимодействии 1 кг вещества с 1 кг антивещества выделится энергия, соответствующая взрыву 43 мегатонн тротила. Это сопоставимо с энерговыделением термоядерной «Царь-бомбы», которая весила 26,5 т. Поэтому футурологи конца 1950-х годов ожидали, что аннигиляция будет повсеместно использоваться на электростанциях или даже на звездолётах.
Идею фотонного двигателя выдвинул австрийский учёный Эйген Зенгер. Он вошёл в историю как конструктор межконтинентального бомбардировщика «Серебряная птица» (Silbervogel), который он проектировал во время войны для авиации Третьего рейха. В 1956 году Зенгер опубликовал солидную монографию «К механике фотонных ракет» (Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe). Она почти сразу была переведена на русский язык и стала одним из источников вдохновения для Аркадия и Бориса Стругацких, которые в то время активно работали над своим первым романом «Страна багровых туч» (1959).
Идея Зенгера была проста: при контакте вещества и антивещества образуются фотоны высоких энергий; если их направить на поверхность с высокими отражающими свойствами (идеальное зеркало), то возникнет реактивный импульс, причём можно достичь скоростей, близких к световой. Растущая известность братьев Стругацких и многочисленные статьи, в которых популяризировалась идея фотонных ракет, сделали её актуальной на два десятилетия — по крайней мере, в советской литературе (кстати, на фотонной тяге летает и «Непобедимый» из одноимённого романа Станислава Лема).
Однако позднее выяснилось, что при аннигиляции получаются не чистые гамма-кванты, а довольно пёстрая смесь субатомных частиц, из-за чего две трети энергии невозможно использовать в двигателе. Серьёзные трудности вызывает и создание «идеального зеркала». Но самым сложным оказалось получить антивещество. Поиски, предпринятые астрономами, и исследования Солнечной системы с помощью межпланетных аппаратов показали, что в обозримом космосе нет гипотетических «неземельных» объектов Рожанского. Хуже того, никак не удаётся синтезировать достаточное количество антивещества, ведь добывать его можно только в огромных ускорителях частиц — «беватронах» и «тэватронах», а хранить придётся в сильном электромагнитном поле, поскольку, как мы помним, любое соприкосновение с веществом приводит к аннигиляции.
К настоящему моменту физики сумели синтезировать антиводород и антигелий; о более тяжёлых химических элементах даже речи не идёт. Причём количество искусственного антивещества ничтожно (отдельные атомы и ядра), а удержать его в магнитной «ловушке» удаётся всего несколько секунд. По оценке экспертов NASA, стоимость одного грамма антиводорода составит 62,5 триллиона долларов! То есть о каком-то промышленном использовании аннигиляции говорить не приходится.
Все эти проблемы заставили учёных задуматься о том, что принцип глобальной симметрии по каким-то причинам нарушен. То есть вполне вероятно, что в момент рождения Вселенной возникли примерно равные количества вещества и антивещества, но потом, после аннигиляции, осталось только «обычное» вещество, из которого и сложился весь известный нам мир.
Антиматерия. Миры из антивещества.
Гипотезу требовалось проверить, что и было сделано. Восемь лет продолжался эксперимент DZero на «Тэватроне» Национальной лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс). Исследователи из международной группы наблюдали сто триллионов столкновений протонов с антипротонами и обнаружили, что образующихся при аннигиляции мюонов на 1% больше, чем антимюонов.
Получается, что непосредственный опыт выявил фундаментальную асимметрию при рождении новых частиц: вещества всегда возникает больше, чем антивещества. Объяснения этому странному явлению нет. И до тех пор, пока оно не будет получено, мы не узнаем, куда исчезли антимиры, существующие сейчас лишь в нашем воображении.
Отрицательная материя
Во второй половине XIX века учёные пытались создать обобщающую теорию строения материи. В ходу тогда была концепция эфира, утверждавшая, что существуют мельчайшие частицы, которые наполняют всё сущее и передают наблюдаемые взаимодействия, в том числе и гравитацию.
Чтобы объяснить, как из эфирных частиц формируется материя, английский математик Карл Пирсон в книге «Грамматика науки» (The Grammar of Science, 1892) выдвинул гипотезу, что эфир — продукт более высокого, четвёртого измерения, а в нашем трёхмерном пространстве он проявляется как сочетание «эфирных струй». Пирсон не смог ответить, откуда и куда текут «струи», но предположил, что направление им задаёт взаимодействие материи нашего трёхмерного мира и «отрицательной» материи, скрытой в четвёртом измерении.
В 1898 году, вскоре после открытия электрона, идею «отрицательной» материи попытался развить английский физик Артур Шустер. Он был сторонником идеи глобальной симметрии, на основе которой и строил свои рассуждения. Как известно, электрон — это отрицательно заряженная субатомная частица, и физик предположил, что должен существовать и его «симметричный» аналог с положительным зарядом, называемый антиатомом.
Из идеи Артура Шустера следовала гипотеза о существовании «антиатомов» и «антивещества». В двух письмах в журнал Nature физик изложил гипотезу, а также высказал мысль, что из антивещества могут состоять некоторые космические объекты. Кроме того, он описал «аннигиляцию» (выделение энергии с полным уничтожением её источника), которая неизбежно произойдёт при контакте антивещества с веществом.
Письма в научный журнал не были полноценной теорией — скорее результатом случайного озарения. Коллеги восприняли их скептически, однако вскоре стало ясно, что идея Шустера не так уж далека от реальности.
В начале XX века физика зашла в тупик. Теория эфира, призванная описать мир, не подтверждалась экспериментами. На помощь пришла появившаяся в 1920-х квантовая механика. Параллельно сформировалась специальная теория относительности (релятивистская механика), которая описывает эффекты, проявляющиеся при очень больших скоростях. В какой-то момент учёные решили «скрестить» два предельных случая: большие скорости (релятивистская механика) и субатомные расстояния (квантовая механика). Довольно быстро вывели уравнение, связывающее две новые механики. Вот только решения этого уравнения приводили к парадоксам, в том числе к описанию частиц с отрицательными энергиями. Как такое возможно? Ответить на вопрос взялся английский физик Поль Дирак.
Море Дирака
Работы Поля Дирака вполне сопоставимы по значению с теорией Эйнштейна, но англичанин менее известен, чем прославленный коллега, поскольку отличался большой скромностью, а его замечательные открытия трудны для понимания. А ведь именно Дирак предложил изящный математический аппарат, позволяющий описывать процессы, происходящие на субатомном уровне. Благодаря своим формулам он сумел объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма и описать так называемое «квантовое поле», то есть выразить через формулы всю совокупность состояний микрочастиц.
В 1927 году Дирак взялся применить специальную теорию относительности к субатомному миру. В результате он создал релятивистскую теорию электрона, которая через пять лет принесла ему Нобелевскую премию по физике. Однако открытие Дирака поставило перед учёными очередной трудный вопрос. Его формулы согласуются друг с другом, только если предположить, что во Вселенной ровно столько же антивещества, сколько и вещества. Но этого не наблюдается — иначе мы видели бы непрерывные аннигиляционные процессы, сопровождаемые мощным выделением энергии.
Чтобы объяснить парадокс, учёный придумал гипотетическую модель вакуума, позднее получившую название «море Дирака». Согласно этой модели, всё пространство заполнено «ненаблюдаемыми» электронами. При приложении внешней энергии электрон переходит с «ненаблюдаемого» уровня на «наблюдаемый». На его месте образуется «дырка», имеющая массу электрона, но противоположный заряд, — то есть рождается антиэлектрон. При аннигиляции (то есть при столкновении электрона и антиэлектрона) электрон снова заполняет «дырку» и становится «ненаблюдаемым», возвращая реальности то количество энергии, которое приобрёл ранее, когда переходил в «наблюдаемое» состояние.
Поскольку к моменту, когда Дирак сформулировал свою концепцию, физики знали о существовании всего трёх субатомных частиц — фотона (квант света), электрона (квант отрицательного заряда) и протона (квант положительного заряда), он предположил, что «дыркой» является протон. Коллеги встретили новую идею Дирака с большим скепсисом: протон в 2000 раз тяжелее электрона, и было неясно, из-за чего образуется подобная разница в массе.
Если Дирак прав, то получалось, что атом водорода состоит из электрона и «дырки». Поскольку электрон стремится занять состояние с меньшей энергией, то он неизбежно должен «упасть» на протон и аннигилировать, превратившись в гамма-кванты (фотоны высоких энергий). Молодой американский физик Роберт Оппенгеймер, будущий «отец» первой ядерной бомбы, посчитал, что в таком случае время жизни атома водорода составит 10^−10 секунды.
Посыпались насмешки. Например, швейцарец Вольфганг Паули заявил, что любую физическую теорию нужно применять прежде всего к её автору, — следовательно, Дирак должен давно исчезнуть во вспышке света. Даже великий Нильс Бор пошутил, заявив, что знает, как поймать слона: надо разместить на тропе, по которой слоны ходят на водопой, плакат с изложением концепции Дирака; слон прочтёт, задумается, и в этот момент его можно брать голыми руками.
Поль Дирак и сам понял, что протон не годится на роль «дырки», поэтому выдвинул новую гипотезу в сентябре 1931 года: «Дырка должна быть новым типом частицы, неизвестной ещё в экспериментальной физике. У неё должна быть та же масса, что и у электрона, а заряд — противоположный заряду электрона. Мы можем получить такие частицы экспериментально в высоком вакууме, где они будут вполне стабильны и доступны для изучения. Столкновение двух жёстких гамма-лучей должно привести к одновременному рождению электрона и антиэлектрона… протоны же должны иметь свои собственные состояния с отрицательной энергией».
Частица, описанная Дираком и получившая название «позитрон», была выявлена незадолго до появления гипотезы о её существовании. В 1929 году советский физик Дмитрий Скобельцын, изучая космические лучи, обнаружил частицы, которые по всем параметрам соответствовали электронам, но имели противоположный (положительный) заряд. К сожалению, Скобельцын не был знаком с теорией Дирака, поэтому не нашёл этому объяснений.
Осмысленный результат был получен, когда поисками позитронов занялся американский физик Карл Андерсон. В августе 1932 года он зарегистрировал их, исследуя космическое излучение. Теоретические выкладки Дирака и Шустера были подтверждены экспериментально.
Началась «охота» на позитроны. Ещё через два года знаменитые французские экспериментаторы-ядерщики Ирен и Фредерико Жолио-Кюри зафиксировали позитроны, рождающиеся в результате радиоактивного распада изотопов различных веществ. Тогда появилась альтернативная таблица химических элементов, составленная инженером Чарльзом Джанетом: она учитывала открытия в области квантовой механики и могла быть использована для описания антивеществ.
Однако позитрон — это всего лишь субатомная частица; антиатом должен состоять ещё из антинейтрона и антипротона. Зарегистрировать их оказалось гораздо сложнее. Антипротон был получен только в 1955 году на специальном ускорителе «Беватрон» в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли; там же через год удалось по косвенным признакам определить наличие антинейтрона. В 1965 году в Европейском центре ядерных исследований были синтезированы ядра дейтерия (стабильного изотопа водорода), сложенные из антипротона и антинейтрона.
Бездна энергии
Складывалось впечатление, что антивещество — это нечто распространённое и доступное, ведь позитроны, как выяснилось, испускает даже человеческое тело (точнее, изотоп калий-40, который в нём содержится). И тут природа подбросила сюрприз.
Первооткрыватели антипротона и антинейтрона получили Нобелевскую премию, и о них активно писала пресса. Казалось, что ещё немного — и будет освоен источник неиссякаемой энергии за счёт аннигиляции. Например, подсчитано, что при взаимодействии 1 кг вещества с 1 кг антивещества выделится энергия, соответствующая взрыву 43 мегатонн тротила. Это сопоставимо с энерговыделением термоядерной «Царь-бомбы», которая весила 26,5 т. Поэтому футурологи конца 1950-х годов ожидали, что аннигиляция будет повсеместно использоваться на электростанциях или даже на звездолётах.
Идею фотонного двигателя выдвинул австрийский учёный Эйген Зенгер. Он вошёл в историю как конструктор межконтинентального бомбардировщика «Серебряная птица» (Silbervogel), который он проектировал во время войны для авиации Третьего рейха. В 1956 году Зенгер опубликовал солидную монографию «К механике фотонных ракет» (Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe). Она почти сразу была переведена на русский язык и стала одним из источников вдохновения для Аркадия и Бориса Стругацких, которые в то время активно работали над своим первым романом «Страна багровых туч» (1959).
Идея Зенгера была проста: при контакте вещества и антивещества образуются фотоны высоких энергий; если их направить на поверхность с высокими отражающими свойствами (идеальное зеркало), то возникнет реактивный импульс, причём можно достичь скоростей, близких к световой. Растущая известность братьев Стругацких и многочисленные статьи, в которых популяризировалась идея фотонных ракет, сделали её актуальной на два десятилетия — по крайней мере, в советской литературе (кстати, на фотонной тяге летает и «Непобедимый» из одноимённого романа Станислава Лема).
Однако позднее выяснилось, что при аннигиляции получаются не чистые гамма-кванты, а довольно пёстрая смесь субатомных частиц, из-за чего две трети энергии невозможно использовать в двигателе. Серьёзные трудности вызывает и создание «идеального зеркала». Но самым сложным оказалось получить антивещество. Поиски, предпринятые астрономами, и исследования Солнечной системы с помощью межпланетных аппаратов показали, что в обозримом космосе нет гипотетических «неземельных» объектов Рожанского. Хуже того, никак не удаётся синтезировать достаточное количество антивещества, ведь добывать его можно только в огромных ускорителях частиц — «беватронах» и «тэватронах», а хранить придётся в сильном электромагнитном поле, поскольку, как мы помним, любое соприкосновение с веществом приводит к аннигиляции.
К настоящему моменту физики сумели синтезировать антиводород и антигелий; о более тяжёлых химических элементах даже речи не идёт. Причём количество искусственного антивещества ничтожно (отдельные атомы и ядра), а удержать его в магнитной «ловушке» удаётся всего несколько секунд. По оценке экспертов NASA, стоимость одного грамма антиводорода составит 62,5 триллиона долларов! То есть о каком-то промышленном использовании аннигиляции говорить не приходится.
Все эти проблемы заставили учёных задуматься о том, что принцип глобальной симметрии по каким-то причинам нарушен. То есть вполне вероятно, что в момент рождения Вселенной возникли примерно равные количества вещества и антивещества, но потом, после аннигиляции, осталось только «обычное» вещество, из которого и сложился весь известный нам мир.
Антиматерия. Миры из антивещества.
Гипотезу требовалось проверить, что и было сделано. Восемь лет продолжался эксперимент DZero на «Тэватроне» Национальной лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс). Исследователи из международной группы наблюдали сто триллионов столкновений протонов с антипротонами и обнаружили, что образующихся при аннигиляции мюонов на 1% больше, чем антимюонов.
Получается, что непосредственный опыт выявил фундаментальную асимметрию при рождении новых частиц: вещества всегда возникает больше, чем антивещества. Объяснения этому странному явлению нет. И до тех пор, пока оно не будет получено, мы не узнаем, куда исчезли антимиры, существующие сейчас лишь в нашем воображении.