Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Виктор де Касто ISBN 978-5-906150-47-9 Автор идеи и научный редактор серии СЕРГЕЙ ДЕМЕНОК Санкт-Петербург.2015 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» УДК 539 ББК 22.38+22.63 К28(4Вл) Де Касто В. К28 PRO Антиматерию / Виктор де Касто. — СПб.: Страта, 2015. — 176 с., с илл. — (серия «Просто») ISBN 978‑5‑906150‑47‑9 Антиматерия — одна из любимых тем писате- лей-фантастов. Тем не менее она реальна, и ученые уже научились ее получать. Материя и антиматерия поя- вились в результате Большого Взрыва в равных коли- чествах. Но материя осталась, а антиматерии в нашей Вселенной нет или почти нет. Почему так получилось? Что происходило почти четырнадцать миллиардов лет назад? Есть ли другие вселенные, состоящие из антима- терии? Как можно использовать антиматерию на Зем- ле? Автор отвечает на все эти вопросы и рассказывает о большом интересе к антиматерии различных специа- листов — как альтернативному источнику энергии, как возможному топливу для межгалактических космиче- ских кораблей и как основе самого страшного оружия, которое только может изобрести человечество. Перевод с английского Марии Жуковой Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и ка- кими бы то ни было средствами, будь то электронные или механи- ческие, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разре- шения владельцев. All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced, sold or transmitted by any means without permission of the publisher. УДК 539 ББК 22.38+22.63 © De Сasto V., 2015 © Жукова М., перевод на русский язык, 2015 ISBN 978-5-906150-47-9 © «Страта», 2015 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ВВЕДЕНИЕ Законы физики говорят нам о том, что мироздание суще- ствовало не всегда, а образовалось в результате Большого взры- ва. Новорожденная Вселенная была горячей, плотной и идеально симметричной — в ней находились равные количества и материи и антиматерии: каждая частица имела двойника-античастицу, ко- торые постоянно сталкивались. Кажется, их аннигиляция долж- на была привести к полному уничтожению частиц и античастиц. Однако доступная нашему наблюдению часть Вселенной состоит только из частиц вещества, то есть целиком из материи. Земля, Солнечная система, галактики — все они есть материя, управля- емая законом гравитации. Куда же исчезли античастицы? Почему нарушилось равновесие между материей и антиматерией? Саму возможность существования антивещества предсказал в 1898 году британский физик Артур Шустер в заметке, опуб- ликованной в журнале Nature. Это произошло вскоре после открытия Томсоном электрона, обнаружившего, что катодные лучи образованы входящими в состав вещества тождественными отрицательно заряженными частицами. Шустер предположил, что существует симметричный аналог электрона, заряженный положительно: ведь природа должна была позаботиться о сим- метрии между положительным и отрицательным... И лишь спу- стя 30 лет замечательный английский физик Поль Дирак заново открыл антиматерию, найдя антиэлектрон (позитрон) в своем уравнении! С этого времени изучением свойств антивещества 3 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Виктор де Касто. PRO антиматерию всерьез занялись физики, и в течение прошлого века не один де- сяток ученых со всего мира был удостоен Нобелевской премии за свои выдающиеся исследования, поднимающие человечество по ступеням цивилизации. Современные ученые задаются вопросами, каковы же свой- ства антивещества и почему природа сделала выбор не в его пользу. Приоткрыть секреты этой таинственной субстанции по- зволяют эксперименты на гигантских ускорителях, которые спо- собны воспроизводить условия, существовавшие во Вселенной во время ее рождения, и даже добывать антиматерию. Используя мощные вакуумные ловушки с магнитным полем замысловатой конфигурации, ученые надеются разгадать величайшую тайну: где в наши дни можно встретить антиматерию? Что она способ- на дать землянам и чем может угрожать? Итак, с доказательством существования антиматерии кажет- ся, сам антимир выбрался из обложек фантастических романов и обрел реальные очертания. Вторя Кшитофу Боруню: «Анти- материя — материя наизнанку… Вопрос в том, с какой стороны на нее посмотреть». Давайте же постараемся взглянуть на нее с обеих сторон. Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ВЕЩЕСТВО, КОТОРОЕ ЕСТЬ И КОТОРОГО НЕТ Мир материален. Все мы знаем об этом. Материя нахо- дится везде вокруг нас. Это все, что нас окружает. Это воздух, горы, океаны, живые существа — люди, звери, птицы, рыбы, растения. Это объективная реальность, содержимое простран- ства… Это также субстрат — общая основа всех процессов и явлений. Само слово происходит от латинского materia — «веще- ство». Термин был введен в латинскую философию Цицероном, который перевел греческое слово hỳlē. Понятие материи как субстрата вещественного мира было разработано в греческой философии Платоном и Аристотелем. Декарт сформулировал понятие материи как телесной субстанции, обладающей про- странственной протяженностью и делимостью. Это понятие легло в основу материализма, и материя является центральной категорией диалектического материализма. То есть это одна из основных категорий и науки, и философии, и одновремен- но — объект изучения физики. Для физики материя — нечто существующее в простран- стве и времени. Это представление пошло от Ньютона, который считал, что пространство — вместилище вещей, а время — вме- стилище событий. Но материю также можно рассматривать и как нечто само задающее свойства пространства и времени. Это представление пошло от Лейбница, а потом нашло выра- жение в теории относительности Эйнштейна. Физические 5 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Виктор де Касто. PRO антиматерию явления — изменения, происходящие с различными формами материи. Задача физики — описание свойств различных видов материи и их взаимодействия. Материя в классическом понимании — вещество, которое состоит из атомов, содержащих протоны, электроны и ней- троны. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и ближайших звездных системах. Классическое вещество мо- жет находиться в одном из основных состояний: твердом, жид- ком, газообразном, еще бывают, например, жидкие кристаллы и плазма. Один из основных законов диалектики, раскрывающий источник самодвижения и развития объективного мира и по- знания, — это закон единства и борьбы противоположностей, исходящий из положения, что основу всякого развития составля- ет противоречие — борьба (взаимодействие) противоположных сторон и тенденций, которые вместе с тем находятся во внутрен- нем единстве и взаимопроникают друг в друга. А поэтому в мире существует не только материя, но и антиматерия. Ее просто не могло не быть, если существует материя. Мир находится в рав- новесии. Антиматерия — это антитезис, или полная противопо- ложность материи. Но одновременно и идентичная последней, только все в ней «перевернуто с ног на голову». Антиматерия, или антивещество, — материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антиматерии состоят из антипро- тонов и антинейтронов, атомные оболочки построены из по- зитронов. Антиматерия не существует на Земле в обычном понимании. Но она есть во Вселенной и является одной из пока необъясни- мых тайн. Насколько нам известно, нормой во всей Вселенной является материя, а не антиматерия. Но мы знаем, что антима- терия есть и она реальна, поскольку ученым удавалось получить небольшие ее количества. Антиматерия уничтожает любую материю, к которой только прикасается, как, впрочем, и себя. При этом происходит взрыв и высвобождение энергии, которая удерживалась на протяже- нии миллиардов лет. Высвобождаемая таким образом энергия по силе превышает любую из известных нам на сегодняшний день. И именно поэтому антиматерия интересует современ- ных ученых. Она может стать Технологией (с большой буквы) 6 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Вещество, которое есть и которого нет XXI века — великолепным, ни с чем не сравнимым источником энергии. С другой стороны, она может обратиться огромной разрушающей силой, основой оружия массового поражения, которое уничтожит все живое на Земле. Потенциальные воз- можности и угрозы огромны. Что перевесит? Из античастиц может быть построено антивещество — точ- но таким же образом, как вещество из частиц. Однако возмож- ность аннигиляции (взаимного уничтожения) при встрече с ча- стицами не позволяет античастицам сколько-нибудь длительное время существовать в веществе. Античастицы могут долго жить только при условии полного отсутствия контакта с частицами ве- щества. Свидетельством наличия антивещества где-либо вблизи от известной нам части Вселенной было бы мощное аннигиля- ционное излучение, приходящее из области соприкосновения вещества и антивещества. Но пока нет данных, которые гово- рили бы о существовании во Вселенной областей, заполненных антивеществом. Однако его можно получить на Земле — и это уже было сделано, как сказано выше. Требуется более миллиарда атомов химического взрывча- того вещества для производства такого же количества энергии, которое может быть высвобождено при аннигиляции одного электрона. Аннигиляция одного грамма антиматерии даст столь- ко же энергии, сколько могут дать топливные баки двух дюжин современных космических кораблей. Следовательно, преобра- зование энергии позитронов будет революционным источни- ком энергии и также заинтересует тех, кто ведет войну, потому что половина грамма антиматерии соответствует взрыву бомбы, сброшенной на Хиросиму. Неудивительно, что антиматерией интересуются и все, кто связан с космосом, и военные. Если ее удастся производить и хранить, она потенциально может дать огромную власть. Нет сомнения, что в настоящий момент эти возможности тщатель- нейшим образом исследуются, а приказы отдаются на самом высоком уровне. Ученые занимаются изучением антиматерии последние пятьдесят лет. Исследования антиматерии проводятся в таких всемирно известных лабораториях, как ЦЕРН (Европейский Центр ядерных исследований) в Европе и «Фермилаб» (Наци- ональная ускорительная лаборатории имени Энрико Ферми) 7 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Виктор де Касто. PRO антиматерию в США, о которых рассказ ниже. Публикации об их достижениях стали появляться в 1996 году. После этого изучением вопросов антиматерии активно занялись военные. Так что это — благо или зло? Стоит ли подробно изучать антиматерию или лучше забыть о ней навсегда? Свойство человека — стремиться к знаниям, и уж если люди узнали об антиматерии и о потенциальных возможностях ее ис- пользования, то не успокоятся, пока не изучат их подробно. Да- вайте надеяться, что мы получим прекрасный и экономичный источник энергии, который поможет нам сохранить богатства недр Земли. Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ЧТО ТАКОЕ АНТИМАТЕРИЯ? В начале XX века многие революционные идеи носились в воздухе, и Альберт Эйнштейн — ярчайший пример того, как отказ от устоявшихся представлений может открыть захватыва- ющие дух перспективы. В 1905 году Эйнштейн завершил специальную теорию отно- сительности, показав, что расстояния, скорости и промежутки времени относительны и зависят от наблюдателя, и установив, что ничто не может перемещаться быстрее скорости света. След- ствием из этой теории стало самое знаменитое в мире уравне- ние: E = mc 2. В 1915 году Эйнштейн представил общую теорию относительности, которая переопределяла сущность гравитации в рамках ошеломительно новой идеи: искривления пространства и времени. Общая теория относительности породила современную космологию — изучение происхождения и эволюции всей Вселенной. На основании уравнений Эйнштейна русский ма- тематик Александр Фридман и (независимо от него) бельгий- ский физик Жорж Леметр пришли к выводу, что пространство должно расширяться. Эйнштейн не принял этого заключения и даже ввел в свои уравнения «космологическую постоянную», чтобы обеспечить статичность Вселенной. Однако последующие наблюдения Эдвина Хаббла, показавшие, что далекие галактики удаляются от нас, убедили великого физика признать растяжение пространства. Следом за Эйнштейном ученые из разных стран 9 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Виктор де Касто. PRO антиматерию Фред Хойл — патриарх астрофизики, талантливый математик, автор более 40 примечательных книг, от научно-популярных и научных монографий до фантастических романов. Он был не только ученым, но и ведущим цикла радиопередач на Би-би-си, имевших бешеный успех у слушателей. Во время одной из этих передач и родился термин «Большой взрыв» стали говорить о расширении Вселенной. По мнению многих, вначале был взрыв. Он произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые нами теперь тела Вселенной, то есть звезды, наше Солнце, пла- неты. Первоначально теория Большого взрыва называлась «ди- намической эволюционирующей моделью». Впервые термин «Большой взрыв» (Big Bang) применил английский астрофи- зик Фред Хойл в 1949 году в своей лекции. Хойл известен свои- ми трудами по звездной и планетной космогонии, теории вну- треннего строения и эволюции звезд и космологии, а также как автор научно-фантастических художественных произведений. Правда, сам Хойл придерживался гипотезы «непрерывного рождения» материи при расширении Вселенной. «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процес- се одного- единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной,» — сказал Хойл, но тем не менее вошел в историю как автор термина, в который вкла- дывал уничижительный смысл. В соответствии с теорией Большого взрыва ранняя Вселен- ная представляла собой очень однородную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В ре- зультате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, 10