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 = mc2. 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.