Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
и законы теории относительности . В 1928 г. молодой ученый
предложил свой вариант уравнения Шрёдингера — достаточно
радикальную его модификацию, которая в полной мере соответствовала теории относительности Эйнштейна . Ученый мир
был потрясен. Дирак отыскал свое знаменитое релятивистское
уравнение для электрона путем чисто математических манипуляций с высшими математическими объектами, известными
как спиноры. Внезапно математическая диковинка оказалась
центральной фигурой во всей Вселенной . (До Дирака многие
физики были убеждены, что великие открытия в физике должны стоять на прочной базе экспериментальных данных, но
Дирак выбрал противоположную стратегию. Для него чистая
математика — если, конечно, она была достаточно красива —
служила путеводной звездой на пути к великим открытиям.
Он писал: «Красота уравнений важнее, чем их соответствие
экспериментальным данным… представляется, что если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь здоровой
интуицией, то ты на верном пути».)
Работая над новым уравнением для электрона, Дирак об-
наружил, что прославленное уравнение Эйнштейна , E=mc
2
, не
совсем верно. Это уравнение верно лишь отчасти, несмотря на
то что его можно увидеть повсюду: на рекламах Мэдисон-авеню
и на детских футболках, в мультиках и на костюмах супер героев.
Верное уравнение выглядит так: E = ± mc
2
. (Минус возникает
потому, что в процессе вывода нам приходится брать квадратный корень из определенной величины. А операция взятия квадратного корня всегда привносит в выражение неопределенность в знаке.)
Но физики не выносят отрицательной энергии . В физике
существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому
вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря).
А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной
энергией, то перспектива появления отрицательной энергии
261
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что
все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что
теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак
изобрел концепцию «моря Дирака» . Он предположил, что все
состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому
электрон никак не может туда провалиться. Следовательно,
Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с
отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гаммаквант превращается в электрон, а в море Дирака возникает
дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести
себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.
Всего через несколько лет после этого поразительного
предсказания Карл Андерсон действительно обнаружил антиэлектрон, и в 1933 г. Дирак получил за свое предсказание Нобелевскую премию.
Другими словами, антивещество существует потому, что
уравнение Дирака имеет два варианта решений — одно для вещества, другое для антивещества. (А это, в свою очередь, есть
следствие специальной теории относительности .)
Уравнение Дирака предсказывает не только существование
антивещества ; оно предсказывает также существование у электрона «спина». Элементарные частицы могут вращаться подобно
волчку. Спин электрона, к примеру, очень важен для понимания
поведения электронов в транзисторах и полупроводниках , которые составляют основу современной электроники.
Стивен Хокинг сожалеет, что Дирак не запатентовал свое
уравнение. Он пишет: «Дирак сделал бы состояние, если бы
262
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
запатентовал уравнение Дирака. Он получал бы авторский
процент с каждого телевизора, плеера, видеоигры или компьютера ».
Сегодня знаменитое уравнение Дирака выбито на камне
Вестминстерского аббатства, недалеко от могилы Исаака Ньютона . Это, пожалуй, единственное уравнение в мире, удостоенное такой исключительной чести.
Дирак и Ньютон
Пытаясь понять, как именно Дирак пришел к своему революционному уравнению и концепции антивещества , историки науки часто сравнивают его с Ньютоном . Интересно, что у Ньютона и Дирака действительно имеется немало сходных черт.
Оба они работали в Кембриджском университете и свое главное открытие совершили в 20 лет с небольшим; оба прекрасно
владели математикой. Кроме того, у них была еще одна общая
черта: полное, доходящее до патологии, отсутствие социальных
навыков. Оба славились своей неспособностью поддерживать
светскую беседу и вообще вести себя в обществе. Дирак был
болезненно застенчив; он никогда ничего не говорил, пока его
прямо не спрашивали, да и на вопросы отвечал только «да»,
«нет» или «не знаю».
Мало того, Дирак был чрезвычайно скромен и ненавидел
всяческую публичность. Когда ему дали Нобелевскую премию
по физике , он всерьез думал, не отказаться ли — только из-за
неизбежной известности и связанного с этим беспокойства.
Но, когда ему указали, что отказ от Нобелевской премии принесет ему еще большую известность, он решил принять награду.
Об эксцентричности Ньютона написано немало трудов;
гипотезы выдвигались самые разные: от отравления парами
ртути до душевной болезни. Но недавно кембриджский психолог Саймон Бэрон-Коэн выдвинул новую теорию, которая могла
бы объяснить странности одновременно и Дирака , и Ньютона.
263
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Бэрон-Коэн утверждает, что оба они, вероятно, страдали от
синдрома Аспергера, схожего с аутизмом — этой болезнью
страдал гениальный безумец в фильме «Человек дождя». Люди,
страдающие синдромом Аспергера, чрезвычайно замкнуты, не
умеют держать себя в обществе и иногда обладают выдающимися математическими способностями; в отличие от больных
аутизмом, они все же способны жить и работать среди людей.
Если эта теория верна, то чудесные вычислительные способности Ньютона и Дирака, возможно, дорого им достались, ведь
они прочно отгородили обоих от остального человечества.
Антигравитация и антивселенные
Теория Дирака помогает получить ответы на множество вопросов. Что выступает в роли гравитации в мире антивещества ?
Существуют ли антивселенные ?
Как мы уже обсуждали, античастицы имеют противоположный заряд по отношению к обычным частицам. При этом
можно сказать, что частицы, не обладающие зарядом вовсе
(такие, как фотон , частица света , или гравитон, частица гравитации ), могут служить античастицами самим себе. Следовательно, что гравитация — сама себе антиматерия; другими словами, гравитация и антигравитация — одно и то же. Поэтому
антивещество под действием гравитации будет, как и вещество,
падать вниз, а не вверх. (Здесь все физики едины во мнении, но
в лаборатории этот факт никогда не проверялся.)
Теория Дирака отвечает и на более глубинные вопросы.
Почему природа допускает существование антивещества ? Следует ли из этого существование антивселенных?
В некоторых научно-фантастических произведениях герой
обнаруживает в космосе землеподобную планету . Мало того,
новая планета оказывается во всем подобной Земле, за исключением того, что состоит из антивещества . У каждого из нас на
этой планете есть двойник; антилюди со своими антидетьми
264
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
живут в тамошних антигородах. Поскольку законы антихимии
полностью соответствуют законам химии, не считая противоположности всех зарядов, люди этого мира не в состоянии понять, что состоят из антивещества. (Физики называют такую
вселенную вселенной с обратным зарядом, поскольку все заряды в ней имеют обратный знак, а все остальное точно такое же,
как у нас.)
В других научно-фантастических сюжетах ученые открывают в открытом космосе планету-близнец Земли , только зеркальную; лево и право там полностью поменялись местами.
Сердца у людей расположены справа, а левшей значительно
больше, чем правшей. Тамошние жители проживают свой век,
не подозревая, что живут в зеркально перевернутой вселенной.
(Физики называют такую вселенную зеркальной, или вселенной с обратной четностью.)
Могут ли в действительности существовать зеркальные вселенные или вселенные из антивещества ? Вообще, физики очень
серьезно относятся к вопросу о вселенных-двойниках, ведь уравнения Ньютона и Эйнштейна останутся теми же, если просто поменять знак заряда у всех элементарных частиц или поменять
местами лево и право. Исходя из этого, и зеркальные вселенные,
и вселенные из антивещества в принципе возможны.
Нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал в отношении этих вселенных интересный вопрос. Предположим, когданибудь мы сумеем связаться по радио с обитателями далекой
планеты ; видеть их мы при этом не будем. «Сможем ли мы объяснить им по радио разницу между понятиями “лево” и “право”?» — спрашивал Фейнман. Если законы физики разрешают
существование зеркальной вселенной, то донести до наших
радиособеседников эти концепции окажется невозможно.
Он рассуждал следующим образом. Некоторые вещи объяснить легко — это относится, например, к форме нашего тела,
количеству у нас пальцев, ног и рук. Мы сможем даже объяснить инопланетянам законы химии и биологии. Но стоит нам
265
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
попытаться объяснить им понятия «лево» и «право» (или «по
часовой стрелке» и «против часовой стрелки»), у нас ничего не
получится. Мы никогда не сможем объяснить, что сердце у нас
находится слева, в каком направлении вращается Земля или закручивается спираль молекулы ДНК .
Ученые испытали настоящее потрясение, когда Ч. Янг и
Ц. Ли , работавшие в то время в Колумбийском университете,
доказали, что эта замечательная теорема неверна. Исследовав
природу элементарных частиц, они сумели показать, что зеркальная вселенная существовать не может. Узнав об этом революционном результате, один физик сказал: «Господь, должно
быть, сделал ошибку». За этот результат, потрясший основы
физики и получивший название «несоблюдение четности», Янг
и Ли получили в 1957 г. Нобелевскую премию по физике.
Для Фейнмана этот результат означал, что если наладить
радиосвязь с инопланетянами, то можно договориться о некоем эксперименте, который позволил бы определить друг для
друга разницу между правой и левой вселенными . (К примеру, радиоактивный кобальт-60 излучает электроны с правым и
левым спином не в равных количествах; одно из направлений
вращения является предпочтительным, и четность, таким образом, нарушается.)
Фейнман представил себе, как будет проходить историческая встреча между землянами и представителями иной
цивилизации . Мы попросим инопланетян протянуть при первой встрече правую руку и обменяемся рукопожатиями. Если
чужие действительно протянут нам правую руку, мы поймем,
что сумели объяснить им, что такое «право-лево» и «по часовой
стрелке или против».
Но затем Фейнман задал непростой вопрос. А что, если
чужаки протянут нам левую руку вместо правой? Это будет
означать, что мы совершили роковую ошибку и не смогли понятно объяснить, что такое «лево» и «право». Хуже того, это будет означать, что чужие на самом деле состоят из антивещества ,
266
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
а потому они провели все эксперименты задом наперед и получили «лево» и «право» наоборот. И тогда это будет означать, что
при попытке пожать друг другу руки мы все взорвемся!
Таковы были наши представления до 1960-х гг. Некоторое
время считалось, что невозможно отличить нашу Вселенную
от другой вселенной , которая состояла бы из антивещества с
противоположной четностью. Если поменять одновременно и
четность, и заряд, то получившаяся вселенная будет подчиняться все тем же законам природы, что и наша. Да, четность сама по
себе была опровергнута, но вместе заряд и четность давали вполне симметричную вселенную. Так что вселенная, симметричная
нашей одновременно по заряду и четности (CP-симметричная ),
вроде бы оставалась возможной.
Это означало, что мы, разговаривая с инопланетянами по
телефону, никогда не сумели бы объяснить им разницу между
обычной вселенной и вселенной «перевернутой» относительно
заряда и четности (такой, где лево и право поменялись местами, а все вещество превратилось в антивещество ).
И вот в 1964 г. физики испытали второй шок: CP-симме тричная вселенная (симметричная нашей по заряду и четности)
тоже оказалась невозможной! Исследование свойств элементарных частиц позволит даже в такой вселенной различить право и
лево, направления по часовой стрелке и против. За этот результат
в 1980 г. Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу была присуждена Нобелевская премия.
(Многие физики расстроились, когда выяснилось, что
CP-симмет ричная вселенная противоречит законам физики, но
задним числом можно утверждать, что само по себе это хорошо; мы уже обсуждали это. Если бы CP-перевернутая вселенная
имела право на существование, то в первоначальный Большой
взрыв были бы вовлечены в точности одинаковые количества
вещества и антивещества , которые затем аннигилировали бы на
100%, и никаких атомов не возникло бы вообще! Тот факт, что
мы существуем как остаток от аннигиляции неравных количеств
267
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
вещества и антивещества, сам по себе является доказательством
нарушения CP-симметрии .)
Вообще, могут ли существовать какие-нибудь антивселенные , симметричные нашей по одному или нескольким
параметрам? На этот вопрос следует дать положительный ответ.
Хотя симметричные по четности и по заряду вселенные невозможны, в принципе антивселенные имеют право на существование; правда, это будет очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но
и направление хода времени , то вселенная, которая у нас получится, будет подчиняться всем законам физики . Таким образом
получается, что разрешены CPT-симметричные вселенные .
Обращение времени — весьма причудливый вид симметрии . В T-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается
обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец
поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.
Здравый смысл говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц
утверждают обратное. Законы Ньютона замечательно выполняются — хоть вперед по времени , хоть назад. Представьте
себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение
шаров подчиняется ньютоновым законам движения. Если мы
прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, — но законы Ньютона допускают и такой порядок вещей.
В квантовой теории все сложнее. Обращение времени
само по себе нарушает законы квантовой механики, но полностью CPT-симметричная вселенная (иными словами, такая
вселенная, где одновременно изменены знак заряда, четность
и направление хода времени) ничему не противоречит. Это
означает, что вселенная, где лево и право поменялись местами,
вещество превратилось в антивещество , а время идет задом на-
268
АНТИВЕЩЕСТВО И АНТИВСЕЛЕННЫЕ
перед, с точки зрения законов физики выглядит совершенно
нормально!
(Интересно отметить, что мы никак не можем связаться с
CPT-перевернутым миром. Если время на их планете течет в обратном направлении, все, что мы передадим по радио , станет
частью их будущего , а значит, будет забыто сразу же по получении сигнала. Поэтому, хотя сама по себе CPT-симметричная
вселенная имеет право на существование, связаться с ней по
радио невозможно.)
Подведем итоги. Возможно, в отдаленном будущем двигатель на антивеществе даст нам реальную возможность построить звездолет — конечно, если мы найдем способ изготовить на
Земле или собрать в открытом космосе достаточное количество
антивещества . Нарушение CP-симметрии обусловливает легкий дисбаланс между веществом и антивеществом; возможно,
благодаря этому во Вселенной до сих пор существуют скопления, или «карманы», антивещества, которое когда-нибудь можно будет собирать.
Но поскольку разработка двигателя на антивеществе столкнется с серьезными техническими трудностями, на их преодоление может уйти лет сто или даже больше. Это заставляет отнести
двигатель на антивеществе к I классу невозможности .
Но давайте разберемся теперь с другим вопросом. Будут
ли — хотя бы через несколько тысяч лет — созданы сверхсветовые звездолеты ? Можно ли обойти знаменитую аксиому Эйнштейна , которая гласит, что ничто не может двигаться быстрее
света ? Ответ, как ни странно, должен быть однозначно положительным.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]