Физика невозможного - Мичио Каку

В 1955 г. на ускорителе частиц Университета Калифорнии в Беркли — «Беватроне» — был получен первый антипротон. Как и ожидалось, он оказался полностью идентичен протону, за исключением того, что заряжен отрицательно. Это означает, что в принципе можно создать антиатом (где вокруг антипротонного ядра будут обращаться позитроны). Более того, теоретически возможно существование всех антиэлементов, антихимии, антилюдей, антиземель и даже антивселенных.

К настоящему моменту ученым удалось создать крошечные порции антиводорода на гигантском ускорителе в CERN и в Лаборатории имени Ферми неподалеку от Чикаго. (Для этого пучок высокоэнергетических протонов при помощи мощного ускорителя направляют на мишень, создавая таким образом беспорядочный поток осколков атомов. Мощные магниты выделяют из этого потока антипротоны, которые затем замедляют до очень низких скоростей и затем подвергают действию позитронов, которые естественным образом излучает натрий-22. Если позитрон, он же антиэлектрон, начинает обращаться вокруг антипротона, возникает атом антиводорода — ведь атом водорода состоит из одного протона и одного электрона.) В чистом вакууме такие антиатомы могут существовать вечно. Но стенки сделаны из обычного вещества, да и примесей избежать невозможно, так что рано или поздно антиатомы сталкиваются с обычными атомами и аннигилируют с высвобождением энергии.

В 1995 г. CERN произвел настоящую сенсацию — объявил о создании девяти атомов антиводорода. В принципе ничто — кроме, разумеется, запредельно высокой цены — не мешает нам создавать атомы более тяжелых антиэлементов. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. В настоящее время уровень производства антивещества в мире составляет от одной миллиардной до одной десятимиллиардной грамма в год. К 2020 г. это количество, возможно, утроится. Экономическая сторона производства антивещества выглядит весьма неприглядно. В 2004 г. несколько триллионных грамма антивещества обошлась CERN в 20 млн долл. При таких темпах производство 1 г антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы фабрики! Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.

«Если бы мы могли собрать все произведенное нами антивещество и аннигилировать его с веществом, — говорится в заявлении CERN, — мы получили бы достаточно энергии, чтобы одна электрическая лампочка могла гореть несколько минут».

Обращаться с антивеществом чрезвычайно сложно—ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв. Поместить антивещество в обычный контейнер равносильно самоубийству — как только оно соприкоснется со стенками, произойдет взрыв. Вообще, как можно обращаться с такой чувствительной субстанцией? Единственный способ — предварительно ионизировать антивещество, превратив его в ионный газ, а затем надежно запереть в «магнитную бутылку», где магнитное поле не даст ему соприкоснуться со стенками.

Если мы хотим построить двигатель на антивеществе, нам нужно будет обеспечить постоянную подачу его в рабочую камеру; там антивещество будет аккуратно входить в соприкосновение с веществом, рождая управляемый взрыв — примерно такой же, какой происходит в ракете с химическим двигателем. Ионы, возникшие в процессе взрыва, будут затем выбрасываться через сопло двигателя, придавая ракете поступательное движение. Двигатель на антивеществе весьма эффективно превращает материю в энергию, поэтому теоретически это самый соблазнительный тип двигателя для звездолетов будущего. В сериале «Звездный путь» источником энергии звездолета «Энтерпрайз» является антивещество; в его двигателях постоянно происходит управляемая встреча вещества с антивеществом.

Физик Джеральд Смит из Университета штата Пенсильвания — один из самых ярых сторонников кораблей на антивеществе. Он считает, что, не заглядывая слишком далеко вперед, всего лишь 4 мг позитронов будет достаточно, чтобы доставить корабль с соответствующим двигателем на Марс всего за несколько недель. Смит отмечает, что антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо.

Первым делом при производстве топлива-антивещества должно стать получение в ускорителе частиц потока антипротонов и «складирование» их в ловушке Пеннинга, которую разрабатывает в настоящий момент Смит. Предполагается, что готовая ловушка Пеннинга будет весить 100 кг (большую часть из которых должны составлять жидкие азот и гелий) и сможет вместить около триллиона антипротонов, удерживая их в магнитном поле. (При очень низких температурах длина волны антипротонов в несколько раз больше длины волны атомов, из которых состоит стенка контейнера, поэтому антипротоны в большинстве случаев будут отражаться от стенки без аннигиляции.) Смит утверждает, что антипротоны в ловушке Пеннинга можно будет хранить около пяти суток (до использования, т.е. до смешивания с обычными атомами и аннигиляции). Ожидается, что его ловушка вместит примерно одну миллиардную грамма антипротонов. Цель Смита — создать ловушку Пеннинга, способную удерживать до 1 мкг, т. е. до одной миллионной доли грамма, антипротонов.

Хотя антивещество продолжает оставаться самой дорогостоящей субстанцией на Земле, его цена год от года резко падает (по сегодняшним ценам грамм антивещества стоил бы примерно 62,5 трлн долл.). В Лаборатории имени Ферми под Чикаго строится новый инжектор частиц, который должен увеличить производство антивещества в лаборатории в десять раз, с 1,5 до 15 нг в год, что тоже должно существенно снизить цены. Тем не менее Гарольд Герриш из NASA считает, что с дальнейшим усовершенствованием технологии цена вполне может снизиться до 5000 долл. за микрограмм. Доктор Стивен Хау из компании Synergistic Technologies в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, утверждает: «Наша цель — перевести антивещество из недостижимой сферы научной фантастики в открытую для коммерческого использования сферу транспортных и медицинских приложений».

До сих пор для получения антипротонов используются ускорители, которые разрабатывались в свое время как инструменты для научных исследований, а не как фабрики по производству антивещества; поэтому они, естественно, очень неэффективны. Именно поэтому Смит мечтает о строительстве нового ускорителя частиц, специально разработанного для производства значительного количества антипротонов; появление такой специализированной фабрики сразу снизило бы цену.

Смит мечтает о том, что когда-нибудь, когда дальнейшие технические усовершенствования и массовое производство помогут снизить ее еще сильнее, ракеты на антивеществе станут рабочими лошадками межпланетного, а возможно, и межзвездного сообщения. Пока же их проекты остаются только на бумаге.

Если антивещество так сложно получить в земных условиях, то, может, легче обнаружить его в космосе? К сожалению, поиски антивещества во Вселенной, к большому удивлению физиков, почти не дали результатов. Трудно объяснить, почему наша Вселенная состоит преимущественно из вещества, а не из антивещества. Казалось бы, логично.предшложить, что при рождении Вселенной вещество и антивещество возникли в равных, симметричных количествах. Поэтому так поражает почти полное отсутствие антивещества.

Наиболее вероятный ответ на этот вопрос первым сформулировал Андрей Сахаров, человек, разработавший в 1950-х гг. для Советского Союза водородную бомбу. Сахаров рассуждал так: в начале Вселенной, во время Большого взрыва, возникла легкая асимметрия в количестве вещества и антивещества, причиной которой стало так называемое нарушение зарядовой и четной симметрии (СР-симметрии). В настоящее время это явление — предмет самых интенсивных исследований. В конечном итоге, рассуждал Сахаров, все атомы нашей сегодняшней Вселенной представляют собой остатки почти полной взаимной аннигиляции материи и антиматерии; это взаимное космическое уничтожение последовало за Большим взрывом. Лишь крохотная несимметричная часть вещества образовала остаток, из которого и сформировалась сегодняшняя видимая Вселенная. Все атомы наших тел — остатки титанического столкновения вещества и антивещества.

Эта теория допускает существование небольших количеств антивещества, возникшего естественным образом. Если нам удастся обнаружить его запасы, стоимость производства топлива для двигателей на антивеществе резко упадет. В принципе искать «залежи» естественного антивещества должно быть несложно. Когда электрон встречается с позитроном, оба аннигилируют, излучая при этом гамма-кванты с энергией 1,02 МэВ или выше. Поэтому, просканировав небо в поисках гамма-лучей с такой энергией, можно безошибочно отыскать следы присутствия естественного антивещества.