Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
10. АНТИВЕЩЕСТВО
И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — фраза, возвещающая о
новых открытиях, — вовсе не «Эврика!», а «Вот забавно…».
Айзек Азимов
Если человек верит не так, как мы, мы называем его чудаком, и на этом дело конча-
ется. Я имею в виду, кончается в наши дни, потому что мы не можем сжечь его.
Марк Твен
Первопроходца всегда можно узнать по стрелам в спине.
Беверли Рубик
В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны», который предшествовал его же «Коду да Винчи », действие сосредоточено вокруг заговора небольшой группы экстремистов-«иллюминатов»;
заговорщики хотели взорвать Ватикан бомбой из антивещества ,
выкраденного из ядерной лаборатории CERN недалеко от Женевы. Заговорщики знают, что результатом соприкосновения
вещества и антивещества должен стать грандиозный взрыв, во
много раз более мощный, чем взрыв водородной бомбы . И хотя
бомба из антивещества — плод фантазии автора, само по себе
антивещество вполне реально.
Эффективность атомной бомбы , несмотря на всю ее жуткую мощь, составляет всего около 1%. В энергию переходит
лишь крохотная часть массы урана. А вот бомба из антимате-
251
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
рии, если бы такую удалось создать, превращала бы в энергию
100% своей массы, и потому была бы гораздо более эффективной, чем атомная бомба . (Точнее, в «полезную» взрывную
энергию в такой бомбе превратилось бы около 50% вещества;
оставшаяся часть массы была бы унесена в пространство почти
необнаружимыми частицами — нейтрино .)
Долгое время антивещество находилось в фокусе общественного и научного интереса. Хотя бомбы из антивещества
по-прежнему не существует, физики научились создавать небольшие порции антивещества для изучения при помощи мощных ускорителей.
Получение антиатома и антихимия
В начале XX в. физики поняли, что атом состоит из заряженных
элементарных частиц, и электроны (отрицательно заряженные
частицы) обращаются вокруг крохотного ядра (имеющего положительный заряд). Ядро, в свою очередь, состоит из протонов (носителей положительного заряда) и нейтронов (которые
электрически нейтральны).
В начале 1950-х гг. физика пережила настоящий шок. Связано это было с пониманием того, что для каждой частицы существует парная к ней античастица — точно такая же частица,
но с противоположным зарядом. Первым был открыт положительно заряженный антиэлектрон (получивший название позитрон). Позитрон во всем идентичен электрону, но заряд при
этом имеет положительный. (Трек, или след, позитрона очень
легко увидеть в камере Вильсона . В мощном магнитном поле
пролетающие позитроны отклоняются в противоположном направлении по отношению к обычным электронам. Еще в школе
я фотографировал подобные треки антивещества .)
В 1955 г. на ускорителе частиц Университета Калифорнии
в Беркли — «Беватроне» — был получен первый антипротон.
Как и ожидалось, он оказался полностью идентичен протону,
252
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
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
253
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
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.
Реактивный двигатель на антивеществе
Физик Джеральд Смит из Университета штата Пенсильвания —
один из самых ярых сторонников кораблей на антивеществе .
254
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
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 (б льшую 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
255
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
из компании Synergistic Technologies в Лос-Аламосе, штат НьюМексико, 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.
Естественное антивещество
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 предположить, 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
256
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
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 (CP-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 .
В самом деле, доктор Уильям Пёрселл из Северо-Запад ного
университета обнаружил «фонтаны» антивещества в галактике Млечный Путь, недалеко от ее центра. По всей видимости,
там имеется поток антивещества, который при столкновении с
обычным водородом порождает характерное гамма-излучение
с энергией 1,02 МэВ. Если этот поток имеет естественное происхождение, то, возможно, во Вселенной существуют и другие
«карманы» антивещества, которое не было уничтожено во время Большого взрыва .
Для более систематических поисков антивещества естественного происхождения в 2006 г. на орбиту был выведен
257
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
спутник PAMELA, разработанный совместными усилиями России, Италии, Германии и Швеции и предназначенный для поисков сохранившихся участков антивещества. Предыдущие попытки такого рода ограничивались использованием высотных
аэростатов и шаттлов, т. е. сбор данных продолжался не более
недели. PAMELA же будет работать на орбите по крайней мере
три года. «Это лучший детектор из всех, что были до сих пор, и
мы будем пользоваться им долгое время », — говорит участник
проекта Пьерджорджо Пикоцца из Римского университета.
Прибор разработан для регистрации космических лучей
как от обычных источников, таких как сверхновые, так и от
неожиданных и необычных, таких как звезды, состоящие целиком из антивещества . Говоря более конкретно, PAMELA будет
искать след антигелия, который может возникать в недрах антизвезд. Сегодня большинство физиков уверены, что в результате
Большого взрыва вещество и антивещество во Вселенной аннигилировали почти полностью, как и предположил в свое время
Сахаров , но прибор PAMELA будет работать, исходя из другого
предположения — что в этой аннигиляции не участвовали целые области Вселенной с преобладанием антивещества, где оно
и сегодня существует в виде антизвезд.
Если антивещество в небольших количествах существует в
открытом космосе, то не исключено, что можно будет «собирать»
его и использовать в качестве топлива для звездолетов . Институт
перспективных концепций NASA достаточно серьезно воспринимает идею сбора антивещества в космосе, о чем свидетельствует недавно выданный грант на пилотный проект по изучению
этой идеи. «Упрощенно говоря, вам нужно создать сеть вроде
рыболовной», — говорит Джеральд Джексон из компании Hbar
Technologies, принимающей в этом проекте активное участие.
Основой предполагаемого устройства для сбора антивещества служат три концентрические сферы, изготовленные
из проволочной сетки. Внешняя сфера диаметром 16 км должна быть положительно заряжена; она будет отталкивать поло-
258
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
жительно заряженные протоны, но притягивать отрицательно
заряженные антипротоны. Антипротоны, прошедшие через
первую сферу, будут замедляться, проходя через вторую, и останавливаться на подходе к внутренней сфере диаметром 100 м.
Там антипротоны будут захватываться магнитным полем и
смешиваться с позитронами для получения антиводорода.
Согласно оценке Джексона , управляемая аннигиляция
вещества и антивещества внутри космического корабля могла бы довести его под солнечным парусом до Плутона при
расходе всего лишь в 30 мг антивещества. Чтобы долететь до
Альфы Центавра, звездолету, по этим же расчетам, потребуется 17 г антивещества. В то же время Джексон утверждает, что
между орбитами Венеры и Марса может присутствовать до
80 г антивещества, которое теоретически можно собрать при
помощи такого космического зонда. Однако, принимая во внимание технические проблемы и стоимость запуска гигантского
сборщика антивещества, можно предположить, что этот проект будет реализован не раньше конца XXI в., а то и позже.
Некоторые ученые мечтают получить антивещество из
астероида, свободно дрейфующего в открытом космосе. (В серии комиксов «Флэш Гордон » когда-то фигурировал летящий
по космосу зловещий астероид из антивещества, способный
при встрече с любой планетой вызвать ужасающий взрыв.)
Если антивещества естественного происхождения в космосе не отыщется, нам придется ждать несколько десятилетий,
а то и столетий, прежде чем мы на Земле сможем наладить производство существенных его количеств. Но если предположить,
что технические проблемы производства антивещества решаемы, вероятность того, что когда-нибудь корабли с двигателями
на антивеществе помчат нас к звездам, остается значительной.
Учитывая все, что нам на сегодняшний день известно об
антивеществе , и предполагая дальнейшее развитие связанной
с ним технологии, я бы определил ракетные корабли на антивеществе как невозможность I класса.
259
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Первооткрыватель антивещества
Что такое антивещество ? Представляется странным, что природа без всяких видимых причин удвоила число элементарных
частиц во вселенной. Как правило, природа очень экономна —
но в отношении пары вещество-антивещество она, похоже, повела себя в высшей степени расточительно. Кроме того, возникает еще один вопрос: если существует антивещество, может
быть, существуют и антивселенные?
Чтобы поискать ответы на эти вопросы, нам придется разобраться в истории самого антивещества . Открытие его относится еще к 1928 г., к новаторским работам Поля Дирака , одного из
самых блестящих физиков двадцатого столетия. Он занимал лукасовскую кафедру в Кембриджском университете — ту самую,
которую в свое время занимал Ньютон и которую в настоящее
время занимает Стивен Хокинг . Дирак родился в 1902 г.; он был
молодым человеком, высоким и жилистым, когда в 1925 г. разразилась квантовая революция. В этот момент Дирак изучал
электротехнику, но волна интереса, разбуженного новой теорией, захватила его и навсегда изменила его жизнь.
Квантовая теория базируется на представлении о том, что
частицу вроде электрона можно описать не только как точечный
объект, но и как некую волну, отвечающую знаменитому волновому уравнению Шрёдингера . (Волновая функция представляет
вероятность нахождения частицы в конкретной точке.)
Но Дирак быстро понял, что уравнение Шрёдингера имеет
серьезный недостаток. Оно описывает только медленно движущиеся электроны. На более высоких скоростях уравнение
перестает действовать, так как не подчиняется законам относительности Альберта Эйнштейна — а ведь именно эти законы описывают поведение объектов на высоких, околосветовых
скоростях.
Юному Дираку сразу захотелось так переформулировать
уравнение Шрёдингера , чтобы попытаться включить в него
260
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]