Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим?

Электрон и позитрон – первая пара “частица-античастица”, открытая учеными Вселенная полна удивительных тайн. Пугающие черные дыры, парадокс «темной материи», непредсказуемые двойные звезды. Одной из самых известных и интригующих загадок, несомненно, является антивещество, состоящее из «вывернутой наизнанку» материи. Открытие данного феномена – одно из наиболее важных достижений физики в прошлом столетии.

До этого момента ученые были уверены, что элементарные частицы – фундаментальные и неизменные кирпичики мироздания, которые не рождаются заново и никогда не исчезают. Эта скучная и незамысловатая картина ушла в прошлое, когда выяснилось, что заряженный отрицательно электрон и его двойник из антимира позитрон при встрече взаимно уничтожаются, порождая кванты энергии. А позже стало очевидным, что элементарные частицы вообще любят превращаться друг в друга, причем самыми причудливыми способами. Открытие антивещества стало началом коренной трансформации представлений о свойствах мироздания.

Антиматерия уже давно стала излюбленной темой научной фантастики. Корабль «Энтерпрайз» из культового «Звездного пути» использует для покорения галактики двигатель на антивеществе. В книге Дэна Брауна «Ангелы и демоны» главный герой спасает Рим от бомбы, созданной на основе этой субстанции. Подчинив неисчерпаемые объемы энергии, которая получается при взаимодействии вещества с антивеществом, человечество обретёт могущество, превосходящее предсказания самых смелых фантастов. Нескольких килограммов антиматерии вполне достаточно для пересечения Галактики.

Но до создания оружия и космических аппаратов еще очень далеко. В настоящее время наука занята теоретическим обоснованием существования антиматерии и исследованием ее свойств, причем ученые используют в своих опытах десятки, в крайнем случае, сотни атомов. Время их жизни исчисляется долями секунд, а стоимость экспериментов – десятками миллионов долларов. Физики уверены, что знания об антивеществе помогут нам лучше понять эволюцию Вселенной и события, происходившие в ней сразу после Большого взрыва.

Что такое антивещество и каковы его свойства?

Антивещество – это особый вид материи, состоящей из античастиц. Они обладают тем же спином и массой, что и обычные протоны и электроны, но отличаются от них знаком электрического и цветового заряда, барионным и лептонным квантовым числом. Говоря простыми словами, если атомы обычного вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательного электронов, то у антивещества все обстоит наоборот.

При взаимодействии материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов или других частиц. Энергия, получаемая при этом, огромна: одного грамма антивещества достаточно для взрыва мощностью в несколько килотонн.

Согласно современным представлениям, вещество и антивещество имеют одинаковую структуру, потому что силовое и электромагнитное взаимодействия, определяющие ее, действуют абсолютно идентично как на частицы, так и на их «двойников».

Считается, что антиматерия также может создавать гравитационную силу, но окончательно данный факт еще не доказан. Теоретически гравитация должна действовать на вещество и антивещество одинаково, но это еще предстоит выяснить экспериментальным путем. Сейчас над данным вопросом работают в проектах ALPHA, AEGIS и GBAR.

В конце 2015 года с помощью коллайдера RHIC ученым удалось измерить силу взаимодействия между антипротонами. Оказалось, что она равна аналогичной характеристике протонов.

В настоящее время известны «двойники» практически всех существующих элементарных частиц, кроме так называемых «истинно нейтральных», которые при зарядовом сопряжении переходят в самих себя. К этим частицам относятся:

• фотон;
• бозон Хиггса;
• нейтральный пи-мезон;
• эта-мезон;
• гравитрон (пока не обнаруженный).

Антиматерия находится гораздо ближе, чем вы думаете. Источником антивещества, правда, не слишком мощным, являются обычные бананы. Они содержат изотоп калий-40, который распадается с образованием позитрона. Это происходит примерно один раз в 75 минут. Данный элемент также входит в состав человеческого тела, так что каждого из нас можно назвать генератором античастиц.

История открытия античастицы

Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.

В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.

Молодой британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) бросился решать эту проблему и сумел вывести уравнение, которое позволяет комбинировать квантовую механику со специальной теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.

Стоило Томпсону открыть электрон, как в журнале «Nature» в 1898 году появилась статья английского физика Артура Шустера, который предположил, что существует частица тождественная электрону, но с положительным зарядом. Аргументация была очень простая — в природе положительные и отрицательные электрические заряды имеются в одинаковом количестве.

В 1925 году тоже британец Пол Дирак проанализировал свои уравнения, в которых пытался совместить теорию относительности с квантовой теорией. Анализ полученного им уравнения показал, что оно справедливо не только для ставшего привычным электрона, но и для частицы такой же массы с положительным зарядом. Поначалу Пол Дирак не решался сообщить о своих теоретических выводах, но потом все же заявил Граду и Миру, что у каждой частицы во Вселенной имеется зеркальная античастица. Наградой за открытие стала Нобелевская премия 1933 года.

След позитрона в камере Вильсона, зафиксированный во время в эксперимента, проводимого Карлом Андерсоном в 1932 году. Направление движения частицы снизу вверх, направление поворота следа свидетельствует о том, что её заряд положителен:

В 1932 году ученик Милликена Карл Андерсон из США решил попробовать поймать след положительного электрона с помощью пузырьковой камеры Вильсона при изучении космических лучей.

Следов электронов имелось много, причем они имели обычные данные. Но несколько следов, не отличаясь по другим характеристикам, отклонялись в магнитном поле в сторону противоположную электронам. Это и были характеристические отпечатки положительных электронов, или, как их стали называть, позитронов.

Поначалу считалось, что электроны и позитроны совпадают во всем, кроме электрического заряда. Однако дальнейшее изучение элементарных частиц показало, что они обладают такой интересной характеристикой как спин. Эта характеристика касается магнитных свойств частицы.

Когда начали открываться все новые и новые частицы, ученые довольно быстро обнаруживали соответствующие им античастицы. С заряженными частицами все просто — их античастицы имеют такую же массу, но противоположный электрический заряд.

Сложности возникли с частицами не имеющими электрического заряда. Для примера возьмем нейтрон — он электрически нейтрален, но имеет соответствующий антинейтрон, который также электрически нейтрален, но обладает противоположным спином. И все же есть частицы для которых античастицами являются они сами — это фотон (квант света) и бозон Хиггса.

Хотя атомов составленных из античастиц в свободном состоянии на Земле и не наблюдается, материалов, их излучающих довольно много. Так обычный банан содержит изотоп калия с атомной массой 40. Этот изотоп радиоактивен и подвержен бета-распаду, при котором выделяются позитроны.

Так что один банан излучает позитрон в среднем каждые 75 минут, ну и человек, съев банан, также начинает насыщать окружающее пространство положительными электронами.

Итак, даже банан может испускать античастицы, а вот существует ли настоящее антивещество? Стоит вспомнить, что простейшая единица вещества – атом, состоит из ядра (протоны и нейтроны) и движущихся по орбитам электронов. Следовательно, антивещество должно иметь ядро из антипротонов и антинейтронов, а по орбитам обязаны вращаться позитроны.

В свободном состоянии подобное антивещество пока не обнаружено, а вот искусственно его создать удалось. В 1965 году был создан антидейтерий, в 1970 антитритий. В 1974 году. На ускорителе города Серпухов создали искусственный антигелий.

Поскольку, при взаимодействии пары частица-античастица вся их масса превращается в энергию, то именно антивещество представляется самым удобным топливом для ракетных двигателей. Большой массы антивещества для полетов по Солнечной системе не требуется, а время полета сокращается очень сильно.

Из истории вопроса

Впервые допустил мысль о существовании материи «с другим знаком» британский ученый Артур Шустер еще в конце XIX века. Его публикация на эту тему была довольно туманной и не содержала никакой доказательной базы, скорее всего, на гипотезу ученого натолкнуло недавнее открытие электрона. Он же первым ввел в научный обиход термины «антивещество» и «антиатом».

Экспериментально антиэлектрон был получен еще до своего официального открытия. Это удалось сделать советскому физику Дмитрию Скобельцину в 20-е годы прошлого столетия. Он получил странный эффект при исследовании гамма-лучей в камере Вильсона, но объяснить его так и не смог. Теперь мы знаем, что феномен был вызван появлением частицы и античастицы – электрона и позитрона.

В 1930 году известный британский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения для электрона, предсказал существование новой частицы с той же массой, но противоположным зарядом. В то время ученые знали только одну положительную частицу – протон, однако она была в тысячи раз тяжелее электрона, поэтому интерпретировать данные, полученные Дираком, так и не смогли. Двумя годами позже американец Андерсон обнаружил «двойника» электрона при исследовании излучения из космоса. Он получил название позитрон.

К середине прошлого столетия физики успели неплохо изучить эту античастицу, было разработано несколько способов ее получения. В 50-е годы ученые открыли антипротон и антинейтрон, в 1965 году был получен антидейтрон, а в 1974 году советским исследователям удалось синтезировать антиядра гелия и трития.

В 60-е и 70-е годы античастицы в верхних слоях атмосферы искали с помощью воздушных шаров с научной аппаратурой. Этой группой руководил нобелевский лауреат Луис Альварец. Всего было «поймано» около 40 тыс. частиц, но ни одна из них к антиматерии не имела никакого отношения. В 2002 году аналогичными изысканиями занялись американские и японские физики. Они запустили огромный воздушный шар BESS (объем 1,1 млн м3) на высоту в 23 километра. Но и им за 22 часа эксперимента не удалось обнаружить даже простейших античастиц. Позже аналогичные опыты были проведены в Антарктиде.

В середине 90-х европейским ученым удалось получить атом антиводорода, состоящий из двух частиц: позитрона и антипротона. В последние годы удалось синтезировать значительно большее количество этого элемента, что позволило продвинуться в изучении его свойств.

В 2005 году чувствительный детектор антивещества был установлен на Международной космической станции (МКС).

Материалы по теме

Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции – их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.

Антиматерия в условиях космоса

Первооткрыватель позитрона Поль Дирак считал, что во Вселенной существуют целые области, полностью состоящие из антивещества. Об этом он говорил в своей нобелевской лекции. Но пока ученым не удалось обнаружить ничего подобного.

Конечно, в космосе присутствуют античастицы. Они появляются на свет благодаря многим высокоэнергетическим процессам: взрывам сверхновых звезд или горению термоядерного топлива, возникают в облаках плазмы вокруг черных дыр или нейтронных звезд, рождаются при столкновениях высокоэнергетических частиц в межзвездном пространстве. Более того, небольшое количество античастиц постоянно «проливается» дождем на нашу планету. Распад некоторых радионуклидов также сопровождается образованием позитронов. Но все вышеперечисленное – это только античастицы, но не антивещество. До сих пор исследователям не удалось отыскать в космосе даже антигелий, что уж говорить о более тяжелых элементах. Провалом завершились и поиски специфического гамма-излучения, которое сопровождает процесс аннигиляции при столкновении вещества и антивещества.

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Существует гипотеза, что на ранних этапах жизни нашей Вселенной количество вещества и антивещества почти совпадало: на каждые миллиард антипротонов и позитронов приходилось ровно столько же их «визави», плюс один «лишний» протон и электрон. Со временем основная часть материи и антиматерии исчезла в процессе аннигиляции, а из избытка возникло все, что нас сегодня окружает. Правда, не совсем понятно, откуда и почему появились «лишние» частицы.

Получение антивещества и трудности этого процесса

В 1995 году ученым удалось создать всего лишь девять атомов антиводорода. Они просуществовали несколько десятков наносекунд, а затем аннигилировали. В 2002 году число частиц исчислялось уже сотнями, а срок их жизни увеличился в несколько раз.

Античастица, как правило, рождается вместе со своим обычным «двойником». Например, для получения позитрон-электронной пары необходимо взаимодействие гамма-кванта с электрическим полем атомного ядра.

Получение антиматерии – весьма хлопотное занятие. Этот процесс происходит в ускорителях, а хранятся античастицы в специальных накопительных кольцах в условиях высокого вакуума. В 2010 году физикам впервые удалось поймать в специальную ловушку «целых» 38 атомов антиводорода и удержать их на протяжении 172 миллисекунд. Для этого ученым пришлось охлаждать 30 тыс. антипротонов до температуры ниже -70 °C и два миллиона позитронов до -230 °C.

На следующий год исследователям удалось значительно улучшить результаты: увеличить срок жизни античастиц до целой тысячи секунд. В дальнейшем планируется выяснить отсутствие или наличие эффекта антигравитации для антиматерии.

Вопрос хранения антиматерии – настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами, вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

Этюд об античастицах

Алексей Левин «Популярная механика» №1, 2010

«Антиматерия физически и химически ничем не отличается от материи. Собственно, это та же материя, только вывернутая наизнанку. Для проционидов наши физические и химические справочники пригодны так же, как и для нас. Они описывают те же самые закономерности, те же самые реакции с теми же самыми элементами. Только для них наша материя является антиматерией. Вопрос, с какой стороны смотреть».

(Кшиштоф Борунь, «Антимир», 1963)

Мысль о возможности существования антивещества была высказана еще в эпоху классической физики, в конце XIX века. Изображение: «Популярная механика»

Открытие античастиц по праву считается крупнейшим достижением физики ХХ столетия. Оно впервые доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого все были уверены, что вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново. Эта простая картина ушла в прошлое, когда без малого 80 лет назад было доказано, что электрон и его положительно заряженный двойник при встрече исчезают, рождая кванты электромагнитного излучения. Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи.

Мысль о возможности существования антивещества впервые была высказана в 1898 году — англичанин Артур Шустер опубликовал в журнале Nature

весьма туманную заметку, вероятно, вдохновленную недавним открытием электрона. «Если существует отрицательное электричество,– вопрошал Шустер, — то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?» А дальше у него — впервые в мировой научной литературе — появляются и слова «антиатом» и «антивещество». Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от обычной материи.

Антиэлектроны впервые были замечены в эксперименте опять-таки до момента своего официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, который в 1920-х годах исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцин этого, естественно, не знал и объяснить странный эффект не смог, но в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Иоанна избрали молодого физика-теоретика Поля Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии.

Уравнение Дирака

В 1926 году австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, – дифференциальное уравнение, решения которого определяют состояния частицы. Уравнение Шредингера описывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса — спина (иначе говоря, не ведет себя как волчок). Однако в 1926 году уже было известно, что электроны обладают спином, который может иметь два различных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве лишь в двух противоположных направлениях (спустя год аналогичное доказательство было получено и для протонов). Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так чтобы оно позволяло учитывать спин. Таким образом, спин сперва открыли экспериментально, а потом искусственно навязали шредингеровскому уравнению.

В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Но решения такого уравнения показывают, что вероятность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла. Возникают и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его называют уравнением Клейна–Гордона) расходится с теорией относительности (на формальном языке, оно не является релятивистски инвариантным).

Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4 × 4. У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух — отрицательна.

Тут-то и возникла загвоздка. Первая пара решений интерпретировалась просто — это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом. Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.

Поиски смысла

Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе не наблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию можно создать, если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире? Сначала Дирак отождествлял их с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature

. Это было как минимум странно — протон в 2 000 раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать их антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.

Открытие антиэлектрона

Как уже было сказано, позитроны фактически наблюдал еще Дмитрий Скобельцин. В 1930 году с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао, исследовавший прохождение гамма-квантов сквозь свинцовую фольгу. В этом эксперименте возникали электронно-позитронные пары, после чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами атомных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао. Однако многие физики усомнились в результатах, и эта работа признания не получила.

Аннигиляция электрона и позитрона в случае низких энергий порождает как минимум два (это обусловлено сохранением импульса) фотона. Этот процесс схематически можно изобразить с помощью, так называемой диаграммы Фейнмана. При превышении определенного энергетического порога аннигиляция может происходить с рождением «виртуальных» фотонов, которые вновь быстро распадаются на пары электронов и позитронов. Изображение: «Популярная механика»

Руководителем Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, который в те времена занимался космическими лучами (он и предложил этот термин). Милликен считал их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на электроны и протоны (нейтрон открыли позже, в 1932 году). Милликен предложил проверить эту гипотезу Карлу Андерсону, другому своему аспиранту и к тому же приятелю Чао. Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с очень мощным электромагнитом. Андерсон тоже получил треки заряженных частиц, которые внешне не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении. Сначала он приписал их электронам, которые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм. Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры — отсюда следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Этот же прием доказал, что частицы с аномальной закруткой не могут быть протонами — те бы застряли в свинцовом экране.

В конце концов Андерсон пришел к выводу, что почти все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с положительным зарядом. Однако Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не хотел публиковаться в научной печати. Поэтому он ограничился коротким письмом в популярный журнал Science News Letter

и приложил к нему фотографию аномального трека. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор предложил назвать новую частицу позитроном. Этот снимок был опубликован в декабре 1931 года.

Компьютерная модель аннигиляции вещества и антивещества. Красные линии

— фотоны, разлетающиеся в противоположных направлениях при аннигиляции позитронов, а
желтые
— частицы, образующиеся при аннигиляции антипротонов. Треки исходят из одной точки — это свидетельство того, что антипротоны и позитроны образуют атомы антиводорода (эксперимент ATHENA в ЦЕРН). Изображение: «Популярная механика»

Теперь вспомним, что Дирак обнародовал гипотезу о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Однако и Андерсон, и Милликен почти ничего не знали о его теории и вряд ли понимали ее суть. Поэтому Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пытался убедить Милликена в собственной правоте, но, так и не достигнув успеха, в сентябре 1932 года опубликовал в журнале Science

заметку о своих наблюдениях. Однако в этой работе речь идет все-таки не о двойнике электрона, а лишь о положительно заряженной частице неизвестного вида, масса которой много меньше массы протона.

Следующий шаг к идентификации антиэлектрона сделали в месте его предсказания — в Кембридже. Английский физик Патрик Блэкетт и его итальянский коллега Джузеппе Оккиалини занимались исследованием космических лучей в знаменитой Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом. Оккиалини предложил оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру в случае одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а другой – под ней. К осени 1932 года партнеры получили около 700 фотографий треков, которые можно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле электронами и позитронами.

Блэкетт знал о предсказанном Дираком антиэлектроне, но не принимал его теорию всерьез. Сам Дирак тоже не разглядел своей гипотетической частицы на снимках Блэкетта. В итоге Блэкетт и Оккиалини правильно интерпретировали свои фотоснимки лишь позднее, когда ознакомились с сентябрьской публикацией Андерсона. Свои выводы они представили в статье со скромным заголовком «Фотографии треков проникающей радиации», добравшейся до редакции журнала Proceedings of the Royal Society

7 февраля 1933 года. К этому времени Андерсон узнал о конкурентах из Кавендиша и вполне адекватно изложил свои результаты в четырехстраничной статье «Положительный электрон», которая поступила в журнал
Physical Review
28 февраля. Поскольку приоритет Андерсона был установлен предыдущими публикациями, он один и получил за открытие позитрона Нобелевскую премию (в 1936 году, совместно с первооткрывателем космических лучей Виктором Гессом). Блэкетт был удостоен этой награды 12 годами позже (с формулировкой «За усовершенствование методов наблюдений на камере Вильсона и за открытия в области ядерной физики и космической радиации»), а вот Оккиалини премией обошли — считается, что по политическим соображениям.

Вскоре исследования позитрона двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо наблюдал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по абсолютной величине совпадает с очень высокой точностью. В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри обнаружили, что позитроны возникают и при радиоактивном распаде. Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.

Антинуклоны

Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен давно. В основном первичное космическое излучение состоит из протонов с энергией более 1 ГэВ, которые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы порождают пионы и прочие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, в ходе которых появляются гамма-кванты, которые при торможении в веществе производят электронно-позитронные пары.

Достаточно быстрые протоны при столкновении с атомными ядрами способны непосредственно порождать антипротоны и антинейтроны. В середине ХХ века физики уже не сомневались в возможности подобных превращений и искали их следы во вторичных космических лучах. Результаты некоторых наблюдений вроде бы можно было интерпретировать как аннигиляцию антипротонов, но без полной уверенности. Поэтому американские физики предложили проект сооружения протонного ускорителя на 6 ГэВ, на котором, согласно теории, было возможно получить оба типа антинуклонов. Эта машина, названная беватроном, была запущена в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли в 1954 году. Спустя год Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре и их коллеги получили антипротоны, обстреливая протонами медную мишень. Еще через год другая группа физиков на той же установке зарегистрировала антинейтроны. В 1965 году в ЦЕРНе и в Брукхейвенской национальной лаборатории были синтезированы ядра антидейтерия, сложенные из антипротона и антинейтрона. А в начале 1970-х из СССР пришло сообщение, что на 70-ГэВ протонном ускорителе Института физики высоких энергий синтезированы ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон) и антитрития (антипротон и два антинейтрона); в 2002 году несколько ядер легкого антигелия были получены и в ЦЕРНе. Дальше дело пока не двинулось, так что синтез хотя бы одного ядра антизолота — дело неблизкого будущего.

Рукотворное антивещество

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРНе в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций всё еще под вопросом.

Водород и антиводород по своему строению совершенно идентичны — они состоят из адрона и лептона. В первом случае положительно заряженный протон, состоящий из трех кварков (двух верхних и одного нижнего), и отрицательно заряженный электрон образуют атом хорошо знакомого нам водорода. Антиводород состоит из отрицательно заряженного антипротона, который, в свою очередь, построен из трех соответствующих антикварков и положительно заряженного позитрона (античастицы электрона). Изображение: «Популярная механика»

Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРНе тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10–17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРНе действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator

). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.

Проекционная камера эксперимента PANDA международного центра FAIR в Дармштадте. Изображение: «Популярная механика»

В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать. Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

Наука невозможного

Активное использование антиматерии началось еще в середине XX века. Правда, только в фантастике.
Писатели-фантасты давным-давно предсказали космические корабли на антиматерии. Из серьезных специалистов первым этой темы коснулся крупный немецкий инженер-ракетчик Ойген Сангер, один из изобретателей прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В 1953 году он опубликовал проект фотонной ракеты, получающей энергию от аннигиляции электронов и позитронов. Позднее было предложено использовать в качестве топлива более массивные и, соответственно, более энергоемкие протоны и антипротоны.

Идея использования антивещества в качестве топлива для космических кораблей часто встречается у фантастов. В легендарном космическом крейсере из сериала Star Trek

(«Звездный путь») энергия, высвобождающаяся при аннигиляции вещества и антивещества, питает двигатель искривления пространства (
Warp Drive
), который позволяет крейсеру двигаться быстрее скорости света. Изображение «Популярная механика»

На первый взгляд эта идея кажется весьма привлекательной. Аннигиляция протонов и антипротонов должна дать на три порядка больше энергии, нежели ядерное топливо, и на два порядка больше, чем термояд. Около половины этой энергии съедят мгновенно разлетающиеся и посему бесполезные для космонавтики нейтрино. Оставшаяся энергия после серии промежуточных реакций с участием пионов, мюонов, электронов и позитронов выделится в виде жесткого гамма-излучения, которое можно пустить на подогрев рабочего тела реактивного мотора (прямая реактивная лучевая тяга не получится, поскольку гамма-кванты изотропно разлетятся во всех направлениях). Более экзотические проекты предлагают с помощью электромагнитных полей стягивать родившиеся в результате аннигиляции заряженные частицы в направленные струи и отбрасывать их против движения ракеты.

Но теория теорией, а практика практикой. Для полета в пределах Солнечной системы потребуется как минимум несколько граммов антивещества. Сейчас антипротоны изготовляют в Фермилабе и в ЦЕРН, причем не больше одного-двух нанограммов в год. КПД современных технологий производства антипротонов ничтожен — одна стомиллионная доля процента. Так что энергия, которую пришлось бы затратить на синтез необходимой массы антипротонов, примерно на три порядка превышает годовое производство электричества на Земле. К тому же антипротоны (в первозданном виде, в составе антиводорода или в плазменном окружении) нужно где-то хранить, а как это сделать — непонятно. Пока никому не удалось удержать в ловушке больше миллиона антипротонов, а это всего лишь 10-18 г.

Расположенный в кормовой части космического крейсера аннигиляционный реактор дает энергию в виде так называемой электро-плазмы, которая по электромагнитным трубопроводам передается в двигатель искривления пространства (Warp Drive

), а также расходится по всему кораблю для питания других систем. Изображение: «Популярная механика»

Правда, есть другой путь, гораздо более привлекательный. Антипротоны можно использовать в качестве катализатора комплексной ядерной реакции, включающей процессы деления и синтеза. Одна из подобных схем выглядит так. Капсулу из урана-238 со смесью дейтерия и трития сильно сжимают (например, лазерными импульсами), а потом облучают пучком антипротонов. Антипротоны заставят уран делиться с образованием большого количества нейтронов, которые разогреют начинку капсулы до миллионов градусов и запустят термоядерный синтез гелия. Вычисления показывают, что для полета к границам Солнечной системы хватит нескольких микрограммов (максимум десятков микрограммов) антипротонов. Если создать новые технологии получения этих античастиц, повысив сегодняшний КПД в тысячу раз, а заодно решить проблему их длительного хранения, то для одного полета хватит часовой, а то и минутной работы всех электростанций планеты. Не исключено, что когда-нибудь человечество пойдет на такие затраты.

Популярный сериал Star Trek

(«Звездный путь») вызвал появление множества книг, посвященных конструкции кораблей USS Enterprise. На этой диаграмме из книги
Star Trek: The Next Generation Technical Manual
показана конструкция реактора крейсера NCC-1701-D класса «Галактика». Изображение: «Популярная механика»

А как дела насчет взрывчатки? В 2004 году в американскую печать проникли сведения, что командование ВВС изучает возможность создания бомбы на антиматерии. Эта шумиха вскоре заглохла, тем более что Пентагон отказался ее комментировать. Тем не менее совершенно очевидно, что боевая антивзрывчатка, несмотря на всю свою мощь, не имеет смысла. Полная аннигиляция грамма антипротонов (а это огромное количество!) с граммом протонов выдаст на-гора около 43 кт — мощность не особенно большой атомной бомбы. Про сравнительную стоимость того и другого способа можно даже и не говорить. Так что полную возможность самоуничтожения человечество имеет и без всякой антиматерии.

А вот где антиматерия действительно уже служит человечеству — так это в медицине. Античастицы в лице позитронов давно работают в позитронных эмиссионных томографах. Источниками этих частиц служат некоторые короткоживущие изотопы, такие как углерод-11 и кислород-15. В последние годы излучатели позитронов используют и в материаловедении.

Стоимость антивещества и его энергетическая эффективность

Учитывая сложность получения и хранения антиматерии, не удивительно, что цена ее очень высока. Согласно расчетам НАСА, в 2006 году один миллиграмм позитронов стоил примерно 25 млн долларов. По более ранним данным, грамм антиводорода оцениваелся в 62 трлн долларов. Примерно такие же цифры дают и европейские физики из CERN.

Потенциально антиматерия – это идеальное топливо, сверхэффективное и экологически чистое. Проблема в том, что всей антиматерии, созданной до сих пор людьми, едва хватит, чтобы вскипятить хотя бы чашку кофе.

Синтез одного грамма антивещества требует затраты 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, что делает любое практическое применение этой субстанции попросту абсурдным. Возможно, когда-нибудь мы и будем заправлять ею звездолеты, но для этого необходимо придумать более простые и дешевые методы получения и долговременного хранения.

Существующие и перспективные способы применения

В настоящее время антивещество используется в медицине, при проведении позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод позволяет получить изображение внутренних органов человека в высоком разрешении. Радиоактивные изотопы наподобие калия-40 соединяют с органическими веществами типа глюкозы и вводят в кровеносную систему пациента. Там они испускают позитроны, которые аннигилируются при встрече с электронами нашего тела. Гамма-излучение, полученное в ходе этого процесса, формирует изображение исследуемого органа или ткани.

Антивещество также изучается в качестве возможного средства против онкологических заболеваний.

Применение антиматерии, несомненно, имеет огромные перспективы. Она сможет привести к настоящему перевороту в энергетике и позволит людям достичь звезд. Любимым коньком авторов фантастических романов являются звездолеты с так называемыми варп-двигателями, позволяющими перемещаться со сверхсветовой скоростью. Сегодня существует несколько математических моделей подобных установок, и большинство из них используют в работе антивещество.

Есть и более реалистичные предложения без сверхсветовых полетов и гиперпространства. Например, предлагается вбрасывать в облако антипротонов капсулу из урана-238 с находящимся внутри дейтерием и гелием-3. Разработчики проекта считают, что взаимодействие данных составляющих приведет к началу термоядерной реакции, продукты которой, будучи направленными магнитным полем в сопло двигателя, обеспечат кораблю значительную тягу.

Для полетов на Марс за один месяц американские инженеры предлагают использовать ядерное деление, инициируемое антипротонами. По их подсчетам, для подобного путешествия необходимо всего лишь 140 нанограммов этих частиц.

Учитывая значительное количество энергии, выделяемой при аннигиляции антивещества, эта субстанция – прекрасный кандидат для начинки бомб и других взрывоопасных предметов. Даже небольшого количества антивещества достаточно для создания боеприпаса, сопоставимого по мощности с ядерной бомбой. Но пока об этом преждевременно беспокоиться, ибо данная технология находится на самом раннем этапе своего развития. Вряд ли подобные проекты смогут осуществиться в ближайшие десятилетия.

Пока же антивещество – в первую очередь, предмет изучения теоретической науки, который очень много может рассказать об устройстве нашего мира. Подобное положение вещей вряд ли изменится пока мы не научимся получать его в промышленных масштабах и надежно сберегать. Только тогда можно будет говорить о практическом использовании этой субстанции.