Неисчерпаемая мощь антивещества и почему мы до сих пор не используем его в своих целях?
В фантастической литературе использование антивещества описывается как нечто естественное и привычное: с его помощью звездолеты бороздят Галактику, а гениальные злодеи взрывают планеты. Но откуда возникла концепция антивещества?
ГИПОТЕЗА ШУСТЕРА
Во второй половине XIX века ученые пытались создать обобщающую теории строения и взаимодействия материи. В ходу была теория эфира, утверждающая существование микроскопических частиц, наполняющих все сущее и передающих, например, гравитацию. Поскольку требовалось объяснить, как из эфирных частиц формируется материя, в 1882 году английский математик Карл Пирсон в книге «Грамматика науки» выдвинул гипотезу о том, что эфир — продукт более высокого, четвертого, измерения, а в нашем трехмерном пространстве он проявляется как сочетание «эфирных струй». Пирсон не смог объяснить, откуда и куда текут «струи», но предположил, что направление им задается взаимодействием материи нашего трехмерного пространства и «отрицательной» материи, скрытой за четвертым измерением.
Несмотря на кажущуюся абсурдность идей Пирсона, кое-что математик сумел интуитивно угадать: например, он считал, что скорость света является предельной для нашей Вселенной, что позже доказал Альберт Эйнштейн. В 1898 году идею «отрицательной» материи развил Артур Шустер в двух причудливых письмах в журнал «Нейчур»: там он ввел новый термин «антивещество» (antimatter), предположил, что из него могут состоять некоторые космические объекты, и описал «аннигиляцию» (выделение энергии с полным уничтожением ее источника), которая неизбежно произойдет при контакте антивещества с веществом. Письма Шустера не были полноценной теорией, поэтому их можно отнести к случайному озарению. Современное представление об антивеществе, которое положило начало поискам его наличия в природе, сформулировал в 1928 году гениальный физик Поль Дирак.
МОРЕ ДИРАКА
Значение работ Поля Дирака вполне сопоставимо со значением теории Эйнштейна, но в отличие от последнего он менее известен. Главным вкладом Дирака в современную физику стала формализация квантовой механики — он предложил изящный математический аппарат, позволяющий описывать процессы, происходящие на субатомном уровне. Благодаря чему 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 решил применить специальную теорию относительности к субатомному миру, скорости в котором сопоставимы со световой. В результате он разработал релятивистскую теорию электрона, которая через пять лет принесла ему Нобелевскую премию по физике. Однако открытие Дирака поставило перед учеными новый трудный вопрос. Его формулы согласовываются друг с другом, только если предположить, что во Вселенной ровно столько же антивещества, сколько и вещества, чего не наблюдается (тогда мы видели бы непрерывные аннигиляционные процессы, сопровождаемые мощным выделением энергии). Чтобы объяснить парадокс, ученый придумал гипотетическую модель вакуума, позднее получившую название «море Дирака». Согласно модели, все пространство заполнено «ненаблюдаемыми» электронами.
При приложении внешней энергии электрон переходит с «ненаблюдаемого» уровня на «наблюдаемый». На его месте образуется «дырка», которая должна выглядеть как частица, имеющая массу электрона, но противоположный заряд, то есть рождается антиэлектрон (или позитрон). При аннигиляции (то есть при столкновении электрона и позитрона) электрон снова заполняет «дырку» и становится «ненаблюдаемым», возвращая реальности то количество энергии, которое приобрел ранее, когда переходил в «наблюдаемое» состояние. Коллеги вскоре сумели сформулировать еще несколько парадоксов, которые не устраняются «морем Дирака», однако в первом приближении модель «работала», поэтому требовалось либо доказать, либо опровергнуть существование антивещества.
БЕСКОНЕЧНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Позитрон, описанный Дираком, был открыт сравнительно быстро. Из модели следовало, что они должны возникать в пару с электроном в потоках высоких энергий. В 1929 году советский физик-экспериментатор Дмитрий Скобельцын, изучая космические лучи, обнаружил частицы, которые во всем соответствовали электронам, но имели противоположный (положительный) заряд. Он не был знаком с новейшими работами Дирака, поэтому озадачился результатом. Ответ был получен, когда целенаправленными поисками позитронов занялся американский физик Карл Андерсон: в 1932 году он зарегистрировал их в качестве продукта вторичного космического излучения, тем самым блестяще подтвердив теоретическое предположение.
Началась «охота» на позитроны: еще через два года знаменитые французские экспериментаторы-ядерщики Ирен и Фредерико Жолио-Кюри получили позитроны, рождающиеся в результате радиоактивного распада изотопов различных веществ. Тогда же достоянием научной общественности стала альтернативная таблица химических элементов, составленная инженером Чарльзом Джанетом: она учитывала новые открытия в области квантовой механики и могла быть использована для описания антивеществ.
Однако позитрон — это всего лишь субатомная частица, антиатом должен состоять еще из антинейтрона и антипротона. Зарегистрировать их оказалось гораздо сложнее. Антипротон был получен только в 1955 году на ускорителе Беватрон в Калифорнийском университете; наличие антинейтрона удалось определить по косвенным признакам там же через год.
Разумеется, первооткрыватели антипротона и антинейтрона получили Нобелевскую премию, и о великолепном достижении активно писала пресса. Казалось, что еще немного и будет освоен источник неиссякаемой энергии за счет аннигиляции. Например, подсчитано, что при взаимодействии 1 кг вещества с 1 кг антивещества выделится энергия, соответствующая взрыву термоядерной «Царь-бомбы», которая весила 26,5 т. Поэтому футурологи конца 1950-х годов ожидали, что аннигиляция будет использована на электростанциях или даже при строительстве «фотонных» звездолетов.
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ АССИМЕТРИЯ
Мечты о доступном антивеществе так и остались мечтами. Проблема в том, что получить его можно только в огромных ускорителях, а хранить в электромагнитном поле, поскольку любое соприкосновение с веществом приводит к аннигиляции. К настоящему моменту удалось синтезировать антиводород и антигелий; о более тяжелых веществах не идет и речи. Причем и количество антивещества ничтожно, и удержать его в магнитной «ловушке» удается всего несколько минут. По оценке экспертов космического агентства НАСА, стоимость одного грамма антиводорода составит… 62,5 триллиона долларов! То есть о каком-то промышленном использовании аннигиляции говорить всерьез невозможно.
Ученые все же не оставляют попыток найти природные источники антивещества. Есть мнение, что сразу после Большого Взрыва условия во Вселенной благоприятствовали симметричному синтезу, поэтому где-то должны быть облака межзвездного газа и целые галактики, состоящие из антивещества. Однако пока нет даже надежной методики, позволяющей отличить космические объекты с антивеществом. Более того, эксперимент DZero, проведенный международной группой в лаборатории Ферми, выявил фундаментальную асимметрию при рождении новых частиц: вещества всегда возникает больше, чем антивещества. Объяснения этому явлению нет. И до тех пор, пока оно не будет получено, нам остается только смириться с тем, что мир антивещества остается иллюзорным.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
