Александр Волков - Тайны открытий XX века

• Название: Тайны открытий XX века
• Автор: Александр Волков
• Издательство: Вече
• Жанр: Научпоп
• Год: 2006
• ISBN: 5-9533-1146-Х

С каждым новым открытием ученые сталкиваются с очередными загадками и феноменами, которые не поддаются объяснению. В конце XIX века ученые верили, что в науке почти все уже открыто. Но… Прежние проблемы разрешились, и появились десятки других. Тайны подстерегают нас и в космической дали, и в глубинах материи, и даже в повседневной жизни. Сколько еще предстоит открыть! Похоже, что XXI век вновь станет «веком великих научных открытий».

---

Борьба пуруши с пракрити

Когда в 1933 году Поль Дирак (тогда еще тридцатиоднолетний!) получал Нобелевскую премию, он произнес речь, в которой обмолвился, что Земля по случайности состоит из вещества, а не из антивещества. «Возможно, — фантазировал он, — с некоторыми небесными телами все обстоит как раз наоборот». Иными словами, в представлении Дирака, где-то в неизведанной космической дали свершали свой бег антипланеты, обращаясь вокруг антизвезд. По этим антипланетам разгуливали наши зеркальные двойники, антилюди. В своих антигосударствах, шутили записные юмористы от физики, они отстаивали свои антиправа, боролись за свое антидостоинство и увлекались новейшими идеями в области антинауки.

Что же подвигло британского ученого на такой смелый вывод? Ее величество Симметрия, пронизывающая все мироздание от Макрокосма до Микрокосма. С незапамятных времен философы всех народов почитают это «диво дивное» — симметрию, являющую всякой сущности ее отражение, всякому естеству — его противоположность. Даже в индуистских Ведах, древнейшем памятнике культуры индоевропейцев, заходит речь о таинственном равновесии субстанций, слагающих мироздание, — пракрити (веществе) и пуруше (своего рода антивеществе).

В начале 1960-х годов эта всепроникающая Симметрия лежала в основе современной физики, описывавшей акт сотворения Вселенной — Большой Взрыв. В это мгновение, когда Ничто превратилось в Нечто, родился в высшей степени симметричный объект. Вещества в нем было столько же, сколько и антивещества.

Английский физик Поль Дирак (вверху) предсказал существование антивещества, а его американский коллега Карл Андерсон обнаружил в космическом излучении позитрон, то есть положительно заряженный электрон 

Однако эта же модель немедленно полагала предел мирозданию. Частицы встречались с античастицами, вещество с антивеществом — и аннигилировали, аннигилировали… Лишь гамма-вспышки проносились по вмиг опустевшему Космосу.

Итак, едва родилась подобная абсолютно симметричная модель мироздания, на нее не могли не обрушиться вопросы, вспыхивавшие как молнии… как молнии, порождаемые аннигиляцией.

Почему же в первые микросекунды после Большого Взрыва все частицы не уничтожились, встретившись со своими античастицами? Почему существует этот — такой реальный, такой зримый — мир, сложенный из элементарных частиц? Где затерялись их двойники, грозившие, о да… всему этому шару земному?

Божественный план с визой от академика Сахарова

Однако в нашей Вселенной изначально был изъян. По какой-то причине Великая Симметрия, рождающая и стирающая миры, как мимолетные облачка, нарушилась. Законы природы для частиц и античастиц стали разниться. Количество вещества несколько превысило запасы антивещества. И после вселенского фейерверка, выжегшего, возможно, почти все антивещество, остался результат нарушения Симметрии — звезды, галактики, мы.

По общепринятому теперь сценарию (его творцом является великий «антиученый» Советского Союза, человек, несовместимый со сложившейся к 1970-м годам в СССР общественной системой, как несовместимы, к примеру, протоны и антипротоны, А.Д. Сахаров), всего через миллионную долю секунды после Большого Взрыва почти все вещество в нашем мироздании (99,99999999 процента), аннигилировало, соприкоснувшись с антивеществом. История сотворения Вселенной началась с истории ее разрушения.

Этот космический «судный миг», этот «праздник уничтожения», пережили, по некоторым оценкам, всего по одной элементарной частице из каждых 30 миллиардов. Все это — незримые семена, из которых пророс наш — такой необъятный — мир. Из этой горстки частиц соткана даль мироздания с ее звездами, планетами и гигантскими галактическими скоплениями. Из крох, уцелевших в Микрокосме, возведен величественный Макрокосм.

Итак, мы обязаны своим существованием нарушению симметрии, этому дефекту законов природы? В Божественный план, по которому создавался космос, изначально вкралась ошибка? Мир должен быть рожден, как рождаются в вакууме виртуальные пары частиц и античастиц, — рождаются, чтобы сразу исчезнуть? Здесь это правило не сработало, и вакуум потеснен нагромождением масс, простертым до горизонта и далее?

Но если наш мир обязан своим существованием асимметрии, то где именно она вкралась в скрижали законов природы? Почему череда частиц оказалась протяженнее когорты античастиц? Почему одних много, других мало?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи CERN не так давно сравнили массу протонов и антипротонов — частиц, которые не существуют со времен Большого Взрыва. По всем физическим законам, масса тех и других должна быть одинакова. В противном случае пришлось бы говорить о нарушении Стандартной модели физики.

В самом деле, массы протонов и антипротонов совпали, по крайней мере, вплоть до десятого знака после запятой. Итак, симметрия соблюдена? Предположительно. Исследования будут продолжены в ближайшие годы. Пошатнут ли они привычную теорию? Поколеблют ли полувековой фундамент физики?

Другой любопытный эксперимент, длившийся несколько лет (1999 — 2004), был проведен в США, на Стэнфордском ускорителе. Здесь удалось доказать, что при распаде В-мезонов и их античастиц, анти-В-мезонов, действительно, нарушается симметрия.

В США, на Стэнфордском ускорителе, в течение нескольких лет исследовали процесс распада В-мезонов

В общей сложности ученые наблюдали 200 миллионов случаев распада мезонов. В 910 случаях В-мезоны распадались на каон и пион, а вот анти-В-мезоны распадались подобным образом лишь 696 раз. Если бы вещество и антивещество были абсолютно симметричны, то показатели распада частиц и античастиц были бы примерно одинаковы.

Возьмите в Космос «кусочек сахара»!

Для экспериментов нужно антивещество. По оценке НАСА, стоимость одной миллиардной доли его грамма достигает сейчас примерно шести миллиардов долларов. Получить наяву эти призрачные частицы, не способные прижиться в Космосе, можно лишь с помощью гигантских ускорителей, разгоняя до невероятных скоростей и сталкивая друг с другом частицы нормального вещества.

Производство антивещества пока в высшей степени не эффективно. Сперва нужно затратить огромное количество энергии, чтобы затем — когда-нибудь — использовать энергию, таящуюся в антивеществе.

Да и много ли ее «таится» в современных лабораториях? Сейчас в магнитных ловушках крупнейших ускорителей мира можно удержать до миллиона античастиц. Этого достаточно для научных целей, но никак не для нужд военного ведомства или атак вымышленных террористов. И вообще, нельзя используемыми ныне методами накопить более ста миллиардов антипротонов — уж слишком велики силы отталкивания их и электронов.

Чтобы наладить производство антивещества, нужно накапливать не антипротоны, а антиатомы — электрически нейтральные образования. Перспективнее всего, говорят физики, наладить производство антиводорода, поскольку мы располагаем запасами водорода почти в неограниченном количестве.

В лабораторных экспериментах ученым уже удавалось изготавливать атомы антиводорода, в которых вокруг отрицательно заряженного ядра обращается позитрон. Однако они возникают всего на 30 миллиардных долей секунды и думать об их конденсации в виде капель или кристаллов пока рановато.

Впрочем, когда-то, в канун Второй мировой войны, и обогащенный уран был едва ли не такой же экзотикой, как в наши дни антивещество. Тогда представлялось невозможным наладить производство одной тонны обогащенного урана. Сейчас накоплены огромные его количества.

И ведь как хорошо было бы, мечтают многие ученые, иметь под рукой запасы антивещества! Использовать его могли бы медики для борьбы с раковыми опухолями, что гораздо эффективнее современной радиотерапии. Частицы (раковые клетки) и античастицы (антипротоны) уничтожались бы, опухоль растаивала бы, как снег под весенними лучами солнца. В то же время антипротоны, в отличие от рентгеновских лучей, не повреждали бы здоровую ткань.

Схема магнитной ловушки, в которой можно накапливать антивещество После эксперимента на ускорителе: возможно, здесь оставили свой след и античастицы 

Другие возможные способы применения антивещества связаны с тем, что оно аккумулирует невероятную энергию в крохотном объеме пространства.

Так, космонавты могли бы получить в свое распоряжение самый эффективный двигатель за всю историю техники. Космический корабль, оборудованный им, разгонялся бы до скорости 100 тысяч километров в секунду, в то время как современные ракеты — лишь до 5 километров в секунду. Для вывода на околоземную орбиту корабля, весящего сто тонн, хватило бы количества энергии, скрытого в брикете антивещества размером с кусочек сахара. Вместо громадных топливных баков — брикеты весом в несколько граммов.