Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон

Представьте себе такой вариант освоения пространства в будущем: мы расставим во всех точках Лагранжа в Солнечной системе заправочные станции, где путешественники будут пополнять свои запасы топлива по дороге в гости к друзьям и родным на других планетах. Такая модель при всей своей кажущейся утопичности не такая уж и надуманная. Обратите внимание, что если бы по всей стране не были обильно разбросаны автозаправочные станции, то, чтобы пересечь ее от побережья до побережья, вам понадобился бы автомобиль размером с ракету «Сатурн-V»: основной объем и массу вашего транспортного средства составляло бы именно топливо, которое использовалось бы в основном для транспортировки топлива, запасенного на будущее. По Земле мы так не ездим. Возможно, настало время отказаться от такого способа перемещения и в космосе.

Глава десятая

И антивещество на что-нибудь сгодится

По-моему, физика элементарных частиц занимает среди прочих естественных наук первое место по количеству смешных терминов. Где еще отрицательный мюон и мюонное нейтрино обмениваются векторным бозоном? Или странный кварк и очарованный кварк обмениваются глюоном?

Параллельно с бесчисленным на первый взгляд множеством частиц с диковинными названиями существует Вселенная античастиц, которые в совокупности называются антивеществом. Несмотря на популярность в научно-фантастической литературе, антивещество совершенно точно не фантастика, а самая настоящая реальность. Правда, оно действительно аннигилирует при контакте с обычным веществом.

Устройство Вселенной говорит об особых романтических отношениях частиц с античастицами. Они рождаются вместе из чистой энергии – и иногда и умирают (аннигилируют) тоже вместе, и их совокупная масса превращается обратно в энергию. В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон открыл антиэлектрон (обычно называемый позитроном), положительно заряженную частицу антивещества, соответствующую отрицательно заряженному электрону. С тех пор в ускорителях по всему миру то и дело создавались всевозможные античастицы, однако в целые атомы они начали складываться лишь недавно. Международная исследовательская группа, которой руководит Вальтер Элерт из Юлихского исследовательского центра в Германии, создала атомы, в которых антиэлектрон прекрасно связывается с антипротоном. Знакомьтесь – антиводород! Первые антиатомы были созданы в Женеве, в ускорителе Европейской организации по ядерным исследованиям, известной под сокращенным французским названием ЦЕРН, благодаря которой было сделано много открытий в области физики элементарных частиц.

Суть метода очень проста: надо создать пучок антиэлектронов и пучок антипротонов, столкнуть их при подходящей температуре и плотности и уповать на то, что они соединятся в атомы. В ходе первого раунда экспериментов группа Элерта получила девять атомов антиводорода. Однако в мире, где преобладает обычное вещество, жизнь атома антивещества трудна и полна опасностей. Антиводород прожил менее 40 наносекунд (40 миллиардных секунды), после чего аннигилировал с обычными атомами.

Открытие антиэлектрона стало одним из величайших триумфов теоретической физики, поскольку его существование предсказал всего за несколько лет до этого английский физик Поль А. М. Дирак. Дирак обнаружил два набора решений уравнения для энергии электрона – одно положительное и одно отрицательное. Положительное решение соответствовало качествам обычного электрона, а вот отрицательнее поначалу было необъяснимо, у него словно бы не было никаких соответствий в реальном мире.

Уравнения с двумя решениями встречаются сплошь и рядом. Простейший пример: «Какое число при умножении само на себя даст 9?» Три или минус три? Разумеется, оба ответа верные, поскольку 3 × 3 = 9 и (−3) × (−3) = 9. Уравнения никогда не гарантируют, что их решения имеют отношение к событиям и явлениям реального мира, но если математическая модель физического явления верна, то манипулировать с ее уравнениями так же полезно, как и манипулировать со всей Вселенной, и при этом куда как проще. Как и в случае с Дираком и антивеществом, подобные опыты часто приводят к гипотезам, которые можно проверить, а если нельзя, значит, от теории придется отказаться. При любом физическом результате математическая модель обеспечивает логичность и внутреннюю непротиворечивость выводов.

Квантовая теория, она же квантовая физика, возникла в 1920-е годы и представляет собой область физики, которая описывает вещество в масштабе атомных и субатомных частиц. Дирак на основании только что установленных законов квантовой физики постулировал, что иногда фантомный электрон «с другой стороны» появляется в нашем мире под видом обычного электрона, и тогда в «море» отрицательных энергий от него остается дырка. Дирак предположил, что эта дырка экспериментально проявится как положительно заряженный антиэлектрон, впоследствии получивший название «позитрон».

У субатомных частиц много измеряемых качеств. Если у какого-то качества может быть противоположное значение, значит, у античастицы это значение будет противоположным, а все остальные – идентичны «оригиналу». Самый очевидный пример – электрический заряд: позитрон во всем похож на электрон, только у позитрона заряд положительный, а у электрона отрицательный. Подобным же образом антипротон – античастица протона, несущая противоположный заряд.

Хотите верьте, хотите нет, а античастица есть даже у нейтрона, у которого нет электрического заряда. Называется она – вы угадали – антинейтрон. И он наделен нулевым зарядом, противоположным нулевому заряду обычного нейтрона.

Это арифметическое чудо объясняется тем, из какого набора дробно заряженных частиц (кварков) состоит нейтрон. Кварки, составляющие нейтрон, обладают такими зарядами: −⅓, −⅓, +⅔, а кварки, составляющие антинейтрон, такими: +⅓, +⅓, −⅔. Каждый набор в сумме дает нулевой заряд, однако, как видите, соответствующие компоненты обладают противоположными зарядами.

Может показаться, будто антивещество берется из ничего. Если у пары гамма-лучей достаточно высокая энергия, они способны взаимодействовать и спонтанно превращаться в пару электрон-позитрон, таким образом превращая очень много энергии в самую чуточку вещества, что и описано прославленной формулой Эйнштейна, выведенной в 1905 году:

Что в переводе на простой человеческий язык выглядит как

а в переводе на совсем простой человеческий язык

На языке первоначальной интерпретации Дирака гамма-лучи вышибают электрон из царства отрицательных энергий, и создается обычный электрон и электронная дырка. Возможно и обратное. Если частица сталкивается с античастицей, они аннигилируют, закрывая дырку и испуская гамма-лучи. Гамма-лучи – это излучение, с которым лучше не связываться. Хотите, докажу? Вспомните Халка, персонажа комиксов, и то, как он стал большим, зеленым и страшным.

Если вам как-то удалось получить немножко античастиц в домашних условиях, у вас возникнут большие сложности с их хранением, поскольку если вы решите положить античастицы в обычный пакетик, бумажный или полиэтиленовый, или в сумку, они сразу аннигилируют. Лучше поступить вот как: заключить заряженные античастицы в сильное магнитное поле, где они будут отталкиваться от магнитных стенок. Если это магнитное поле в вакууме, то аннигиляция с обычным веществом античастицам не грозит.

Подобный магнитный эквивалент бутылки – самое подходящее вместилище и для других веществ, склонных разрушать емкости, куда их помещают, например, для светящегося газа с температурой 100 миллионов градусов, который участвует в экспериментах по термоядерному синтезу (контролируемых). Настоящие трудности с хранением возникают, если создаешь целые (а следовательно, электрически нейтральные) антиатомы, поскольку они при нормальных условиях не отталкиваются от магнитных стенок. Так что лучше всего не смешивать позитроны и антипротоны без крайней необходимости.

Чтобы создать антивещество, нужно по меньшей мере столько же энергии, сколько получишь, когда оно аннигилирует и снова превратится в энергию. Если не запастись заранее полным баком топлива, двигатели на самогенерирующемся антивеществе мало-помалу съедят всю энергию у вашего звездолета. Мне неизвестно, знали ли об этом создатели оригинальной теле– и киноверсий «Звездного пути», но, помнится, капитан Кирк все время требовал «повысить мощность» генераторов вещества-антивещества, а Скотти постоянно отвечал, что двигатели «не сдюжат».