Антиматерія. Позитрони. Мири з антиречовини

У другій половині ХІХ століття вчені намагалися створити узагальнюючу теорію будови матерії. У ході тоді була концепція ефіру, яка стверджувала, що існують найдрібніші частинки, які наповнюють все існуюче і передають взаємодії, що спостерігаються, у тому числі і гравітацію.

Щоб пояснити, як з ефірних частинок формується матерія, англійський математик Карл Пірсон у книзі «Граматика науки» (The Grammar of Science, 1892) висунув гіпотезу, що ефір — продукт вищого, четвертого виміру, а нашому тривимірному просторі проявляється як поєднання “Ефірних струменів”. Пірсон не зміг відповісти, звідки й куди течуть струмені, але припустив, що напрямок їм задає взаємодію матерії нашого тривимірного світу і негативної матерії, прихованої в четвертому вимірі.

1898 року, невдовзі після відкриття електрона, ідею «негативної» матерії спробував розвинути англійський фізик Артур Шустер. Він був прихильником ідеї глобальної симетрії, на основі якої будував свої міркування. Як відомо, електрон — це негативно заряджена субатомна частка, і фізик припустив, що має існувати і його «симетричний» аналог із позитивним зарядом, який називається антиатомом.

Листи до наукового журналу були повноцінною теорією — швидше результатом випадкового осяяння. Колеги сприйняли їх скептично, проте незабаром стало ясно, що ідея Шустера не така вже далека від реальності.

На початку XX століття фізика зайшла в глухий кут. Теорія ефіру, покликана описати світ, не підтверджувалася експериментами. На допомогу прийшла квантова механіка, що з’явилася в 1920-х. Паралельно сформувалася спеціальна теорія відносності (релятивістська механіка), яка описує ефекти, що виявляються при дуже високих швидкостях. У якийсь момент вчені вирішили «схрестити» два граничні випадки: великі швидкості (релятивістська механіка) та субатомні відстані (квантова механіка). Досить швидко вивели рівняння, яке зв’язує дві нові механіки. Ось тільки рішення цього рівняння призводили до парадоксів, зокрема до опису частинок з негативними енергіями. Як таке можливо? Відповісти на запитання взявся англійський фізик Поль Дірак.

Роботи Поля Дірака цілком зіставні за значенням з теорією Ейнштейна, але англієць менш відомий, ніж уславлений колега, оскільки вирізнявся великою скромністю, яке чудові відкриття важкі розуміння. Адже саме Дірак запропонував витончений математичний апарат, що дозволяє описувати процеси, що відбуваються на субатомному рівні. Завдяки своїм формулам він зумів пояснити природу корпускулярно-хвильового дуалізму та описати так зване «квантове поле», тобто виразити через формули всю сукупність станів мікрочастинок.

В 1927 Дірак взявся застосувати спеціальну теорію відносності до субатомного світу. У результаті він створив релятивістську теорію електрона, яка за п’ять років принесла йому Нобелівську премію з фізики. Однак відкриття Дірака поставило перед вченими чергове важке питання. Його формули узгоджуються один з одним, тільки якщо припустити, що у Всесвіті рівно стільки ж антиречовини, як і речовини. Але цього не спостерігається — інакше ми б бачили безперервні анігіляційні процеси, що супроводжуються потужним виділенням енергії.

Щоб пояснити парадокс, учений вигадав гіпотетичну модель вакууму, яка пізніше отримала назву «море Дірака». Згідно з цією моделлю, весь простір заповнений «неспостережуваними» електронами. При додатку зовнішньої енергії електрон переходить з рівня, що «не спостерігається», на «спостерігається». На його місці утворюється «дірка», що має масу електрона, але протилежний заряд, тобто народжується антиелектрон. При анігіляції (тобто при зіткненні електрона і антиелектрона) електрон знову заповнює «дірку» і стає «неспостережуваним», повертаючи реальності ту кількість енергії, яку придбав раніше, коли переходив у стан, що «спостерігається».

Оскільки до моменту, коли Дірак сформулював свою концепцію, фізики знали про існування трьох субатомних частинок — фотона (квант світла), електрона (квант негативного заряду) і протона (квант позитивного заряду), він припустив, що «діркою» є протон. Колеги зустріли нову ідею Дірака з великим скепсисом: протон у 2000 разів важчий за електрон, і було неясно, через що утворюється подібна різниця в масі.

Якщо Дірак правий, то виходило, що атом водню складається з електрона та «дірки». Оскільки електрон прагне зайняти стан із меншою енергією, то він неминуче має «впасти» на протон і анігілювати, перетворившись на гамма-кванти (фотони високих енергій). Молодий американський фізик Роберт Оппенгеймер, майбутній «батько» першої ядерної бомби, вважав, що в такому разі час життя атома водню становитиме 10-10 секунд.

Посипалися глузування. Наприклад, швейцарець Вольфганг Паулі заявив, що будь-яку фізичну теорію потрібно застосовувати передусім до її автора, отже Дірак повинен давно зникнути у спалаху світла. Навіть великий Нільс Бор пожартував, заявивши, що знає, як упіймати слона: треба розмістити на стежці, якою слони ходять на водопій, плакат з викладом концепції Дірака; слон прочитає, замислиться, і зараз його можна брати голими руками.

Поль Дірак і сам зрозумів, що протон не годиться на роль «дірки», тому висунув нову гіпотезу у вересні 1931 року: «Дірка має бути новим типом частки, невідомої ще в експериментальній фізиці. У неї має бути та ж маса, що й у електрона, а заряд — протилежний до заряду електрона. Ми можемо отримати такі частинки експериментально у високому вакуумі, де вони будуть цілком стабільними та доступними для вивчення. Зіткнення двох жорстких гамма-променів має призвести до одночасного народження електрона і антиелектрона… протони повинні мати свої власні стани з негативною енергією».

Осмислений результат було отримано, коли пошуками позитронів зайнявся американський фізик Карл Андерсон. Торішнього серпня 1932 року він зареєстрував їх, досліджуючи космічне випромінювання. Теоретичні викладки Дірака та Шустера були підтверджені експериментально.

Почалося полювання на позитрони. Ще через два роки знамениті французькі експериментатори-ядерники Ірен та Фредеріко Жоліо-Кюрі зафіксували позитрони, що народжуються в результаті радіоактивного розпаду ізотопів різних речовин. Тоді з’явилася альтернативна таблиця хімічних елементів, складена інженером Чарльзом Джанетом: вона враховувала відкриття квантової механіки і могла бути використана для опису антиречовин.

Однак позитрон – це лише субатомна частка; Антиатом повинен складатися ще з антинейтрону та антипротону. Зареєструвати їх виявилося набагато складніше. Антипротон було отримано лише 1955 року на спеціальному прискорювачі «Беватрон» у Лабораторії імені Лоуренса в Берклі; там-таки через рік вдалося за непрямими ознаками визначити наявність антинейтрону. У 1965 році в Європейському центрі ядерних досліджень було синтезовано ядра дейтерію (стабільного ізотопу водню), складені з антипротону та антинейтрону.

Теорія, придумана Полем Діраком буквально “на кінчику пера”, отримала підтвердження у спостереженнях та експериментах. Антивещество виявилося реальним! Напрошувався висновок, що десь є планети, зірки і навіть галактики, що повністю складаються з антиречовини, причому їх кількість, якщо принцип глобальної симетрії працює, не повинна поступатися кількістю космічних об’єктів, що складаються зі звичайної матерії.

До такого висновку прийшов американський фізик Володимир Рожанський, який опублікував у 1940 році статтю “Гіпотеза про існування неземельної матерії” (The Hypothesis of the Existence of Contraterrene Matter). За п’ять років до цього Рожанський запровадив поняття «земелля» (terrene) та «неземелля» (contraterrene) для об’єктів, що складаються з речовини та антиречовини відповідно. Фізик був переконаний, що Всесвіт переповнений антиречовиною, але в Сонячній системі його залишилося мало – антиречовина анігілювала на зорі її формування.

У той самий час серед тіл, які іноді до нас прилітають (комети, метеороїди), можуть виявитися «неземельні». Їх можна виявити за аномально високою температурою поверхні та характерним гамма-квантовим випромінюванням, яке вони повинні випускати при зіткненнях з частинками «земельного» речовини. Гіпотезу Рожанського підтримав астроном Лінкольн Лапас, який заявив, що за її допомогою можна пояснити наявність на землі ударних кратерів, у яких не виявлено метеоритної речовини.

Стаття «Гіпотеза про існування неземельної матерії» потрапила на очі Джону Кемпбеллу-молодшому — письменнику та редактору знаменитого журналу Astounding Science Fiction, який дав путівку в життя не одному культовому фантасту. Він завжди уважно стежив за досягненнями фізики та астрономії, пропонуючи авторам, які співпрацювали з його журналом, свіжі ідеї для оповідань. Гіпотетичні тіла з антиречовини захопили його уяву: Кемпбелл вирішив, що в майбутньому відчайдушні космонавти полюватимуть за ними на околицях Сонячної системи, нехтуючи небезпекою випадкового зіткнення, яке загрожує миттєвою анігіляцією.

Спочатку Джон Кемпбелл запропонував написати про мисливців за «неземельними» тілами Роберта Хайнлайна, але той відмовився. Довелося шукати більш зговірливого автора. У результаті за тему взявся досвідчений фантаст Джек Вільямсон, який на той час публікувався під псевдонімом Вілл Стюарт. У липні 1942 року з’явилася перша новела «Орбіта зіткнення» (Collision Orbit): у ній розповідалося про космічного інженера Джима Дрейка, який навчився керувати астероїдами з антиречовини за допомогою магнітних полів.

Наступна історія «Знак мінус» (Minus Sign) про сина інженера Ріка Дрейка з’явилася в листопадовому номері за той же рік, а ще більш розлогий текст «Протилежна дія» (Opposites — React!) — у січневому та лютневому номерах наступного року. В 1951 цикл був виданий у вигляді книги під назвою «Неземельний корабель» (Seete Ship). Окремо вийшов і тематично пов’язаний із циклом роман “Неземельний удар” (Seetee Shock, 1949), відомий у нас під заголовком “Доля астероїда”.

Завдяки Джону Кемпбеллу та Джеку Вільямсону тема «неземельної» матерії, яку згодом таки стали по-старому називати «антиматерією», стала одним із обов’язкових атрибутів фантастики про космічне майбутнє людства. Скажімо, саме на двигуні, який використовує анігіляцію антиречовини, літає корабель «Ентерпрайз» із безсмертної саги «Зоряний шлях».

Надалі фантасти неодноразово обігравали гіпотезу Рожанського. Наприклад, у романі Джеймса Бліша «Тріумф часу» (A Clash of Cymbals, 1958) про неї розповідається як про доведений факт, що має значні космологічні наслідки. У повісті польського письменника і астронома-аматора Кшиштофа Боруня «Антимир» (Antyświat, 1960) представлена спроба контакту землян, що безславно провалилася, з мешканцями системи зірки Проціон, яка виявилася повністю складовою з антиречовини. Відомий науковий фантаст Ларрі Нівен в дотепній новелі «Брюхошлеп» (Flatlander, 1967) описав несучу з релятивістською швидкістю крізь простір «протозірку», навколо якої обертається «антипланета». Персонажі вирушають на «найдивнішу» планету в Галактиці і тільки після прибуття з’ясовують, що вона складається з антиречовини.

Концепцію антисвіту розвинув і Іван Єфремов у романі «Година Бика» (1970). Єфремов описував антисвіт як якийсь чорний інфернальний простір:

«Антисвіт, чорний світ був названий вченими Тамасом, на ім’я океану бездіяльної енергії в давньоіндійській філософії. Він у всіх відносинах полярний нашому світу і тому абсолютно не сприймаємо нашими почуттями. Тільки нещодавно спеціальними приладами, ніби «вивернутими» по відношенню до приладів нашого світу, умовно названого світом Шакті, почали намацувати контури Тамаса».

Натхненні успіхами науки щодо синтезування позитронів, фантасти прийшли до думки, що для досягнення антисвіту зовсім не потрібно літати в далекий космос — достатньо побудувати обладнання, здатне подолати незримий бар’єр, що знаходиться у вищих вимірах простору-часу. Такий варіант можна знайти в оповіданнях радянських письменників Олеся Бердника «Подорож до антисвіту» (1962), Анатолія Дніпрова «Обличчям до стіни» (1962), Півночі Гансовського «Кристал» (1969). Втім, ігри з вимірами можуть призвести до інверсії матерії в антиматерію, що загрожує негативними наслідками, як у романах Чарльза Харнеса «Кільця Ріторнеля» (The Rings of Ritornel, 1968) та Володимира Михайлова «Двері з того боку» (1971) — в останній розповідається про пригоди космонавтів, тіла яких перетворилися на антиматерію.

Складалося враження, що антиречовина — це щось поширене і доступне, адже позитрони, як з’ясувалося, випромінює навіть людське тіло (точніше, ізотоп калій-40, який міститься в ньому). І тут природа підкинула сюрприз.

Першовідкривачі антипротону та антинейтрону отримали Нобелівську премію, і про них активно писала преса. Здавалося, що ще трохи — і буде освоєно джерело енергії, яка не вичерпується за рахунок анігіляції. Наприклад, підраховано, що при взаємодії 1 кг речовини з 1 кг антиречовини виділиться енергія, що відповідає вибуху 43 мегатонн тротилу. Це можна порівняти з енерговиділенням термоядерної «Цар-бомби», яка важила 26,5 т. Тому футурологи кінця 1950-х років очікували, що анігіляція повсюдно використовуватиметься на електростанціях або навіть на зорельотах.

Ідею фотонного двигуна висунув австрійський вчений Ейген Зенгер. Він увійшов в історію як конструктор міжконтинентального бомбардувальника “Срібний птах” (Silbervogel), який він проектував під час війни для авіації Третього рейху. 1956 року Зенгер опублікував солідну монографію «До механіки фотонних ракет» (Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe). Вона майже відразу була перекладена російською мовою і стала одним із джерел натхнення для Аркадія та Бориса Стругацьких, які на той час активно працювали над своїм першим романом «Країна багряних хмар» (1959).

Ідея Зенгера була проста: при контакті речовини та антиречовини утворюються фотони високих енергій; якщо їх направити на поверхню з високими властивостями, що відбивають (ідеальне дзеркало), то виникне реактивний імпульс, причому можна досягти швидкостей, близьких до світлової. Зростаюча популярність братів Стругацьких та численні статті, в яких популяризувалася ідея фотонних ракет, зробили її актуальною на два десятиліття — принаймні у радянській літературі (до речі, на фотонній тязі літає і «Непереможний» з однойменного роману Станіслава Лема).

Однак пізніше з’ясувалося, що при анігіляції виходять не чисті гамма-кванти, а досить строката суміш субатомних частинок, через що дві третини енергії неможливо використовувати у двигуні. Серйозні проблеми викликає створення «ідеального дзеркала». Але найскладнішим виявилося отримати антиречовину. Пошуки, здійснені астрономами, та дослідження Сонячної системи за допомогою міжпланетних апаратів показали, що в доступному для огляду космосі немає гіпотетичних «неземельних» об’єктів Рожанського. Гірше того, ніяк не вдається синтезувати достатню кількість антиречовини, адже видобувати її можна тільки у величезних прискорювачах частинок — «беватронах» і «теватронах», а зберігати доведеться в сильному електромагнітному полі, оскільки, як ми пам’ятаємо, будь-який дотик із речовиною призводить до анігіляції. .

Всі ці проблеми змусили вчених замислитися над тим, що принцип глобальної симетрії з якихось причин порушено. Тобто цілком імовірно, що в момент народження Всесвіту виникли приблизно рівні кількості речовини та антиречовини, але потім, після анігіляції, залишилася лише «звичайна» речовина, з якої і склався весь відомий нам світ.

Гіпотезу потрібно перевірити, що було зроблено. Вісім років продовжувався експеримент DZero на “Теватроні” Національної лабораторії імені Фермі в Батавії (штат Іллінойс). Дослідники з міжнародної групи спостерігали сто трильйонів зіткнень протонів з антипротонами і виявили, що мюонів, що утворюються при анігіляції, на 1% більше, ніж антимюонів.

Виходить, що безпосередній досвід виявив фундаментальну асиметрію при народженні нових частинок: речовини завжди виникає більше, ніж антиречовини. Пояснення цього дивного явища немає. І доти, доки воно не буде отримано, ми не дізнаємося, куди зникли антисвіти, які існують зараз лише в нашій уяві.