Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Все это может казаться очевидным сегодня. Но глубокую симметрию материи и антиматерии сегодня понимают гораздо лучше, чем в 1928 году, а историки спорят, являлась ли разница в массе такой очевидной, как кажется сегодня, и понимали ли тогда ее значение. Известный русский ученый Петр Капица (1894–1984), один из основателей физики низких температур и физики сильных магнитных полей, современник Дирака, утверждал, что Дирак сделал свое заявление в шутку, отойдя от своей обычной угрюмости и неразговорчивости. Целью Дирака было просто заставить замолчать тех, кто ему надоедал, настойчиво задавая вопрос о том, где же находится антиэлектрон. Он хотел продолжать объяснять свои глубокие идеи и оставить вопрос массы для решения в дальнейшем, считая его «мелкой деталью».

Роберт Оппенгеймер (1904–1967) – американский физик-теоретик. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы. В 1953 году выступил против создания водородной бомбы, был обвинен в «нелояльности» и отстранен от секретных работ

Уравнение Дирака указало путь к антиматерии, а первым, кто увидел картину в целом, стал американский физик Роберт Оппенгеймер, оставивший после себя труды по квантовой механике, физике атомного ядра и космических лучей, разделению изотопов. В 1943–1945 годах он руководил созданием американской атомной бомбы.

Оппенгеймер считал, что положительная частица не может быть протоном, потому что, если бы это был протон, то атомы водорода уничтожили бы сами себя. Идея, подразумевавшая, что электрон и его положительно заряженный двойник могут возникнуть из вакуума, может быть применена в обратном порядке: если включить «фильм» с конца и перематывать к началу, то получится, что происходит взаимное уничтожение пары и она исчезает в гамма-лучах. Так что, если положительная частица идентифицируется с протоном, то атомы водорода будут жить только до тех пор, пока протон не встретится с электроном. И не только водород, а вся материя исчезнет в одно мгновение.

Дирак сразу же понял силу критики Оппенгеймера и принял как факт, что его положительный электрон – это что-то совершенно новое. В сентябре 1931 года он опубликовал вывод о том, что «дырка» будет «новым видом частицы», неизвестной экспериментальной физике, с той же массой и зарядом (количественно), как у электрона. Такую частицу можно называть антиэлектроном. Ее свойством будет пиротехническое разрушение традиционного отрицательно заряженного электрона, обратная возможности их создания из чистой энергии.

Массивный протон – это совсем другой зверь. Уравнение Дирака подразумевало, что в нем также имеется «анти» компонент. В работе от 1931 года он дал это ясно понять, написав, что в его теории «имеется полная и идеальная симметрия между положительным и отрицательным электрическим зарядом». Он лишь слегка намекал на осторожность, когда говорил, что «если симметрия и вправду является фундаментальной по своей природе, то должно быть возможным сменить заряд на противоположный в любом виде частиц». Таким образом он предсказал антипротон, отрицательно заряженное массивное зеркало протона. Предсказание Дирака о том, что у каждой частицы есть двойник – античастица, теперь признается как непреложная истина, это свидетельство глубочайшей симметрии картины Вселенной.

Идея Дирака о бездонном море, полном одинаковых электронов, также объясняет, почему все электроны и позитроны, созданные «из вакуума», имеют одинаковые свойства вместо того, чтобы появляться с различными бесконечными возможностями, причем распределенными наугад. Дирак также предположил, что море наполняют и протоны, и сегодня мы уже признаем, что кварки также удовлетворяют принцип исключения и заполняют бесконечное глубокое море. Именно этот бесконечно глубокий склад моря Дирака обеспечивает нас частицами и античастицами, которые мы можем материализовать.

Это – антиматерия в теории, а что в реальности? Теперь мы снова возвращаемся к позитрону, о котором говорили, рассказывая о природной антиматерии.

В тысячах метрах над нашими головами потоки сильной энергии, состоящие из субатомных частиц и гамма-лучей из открытого космоса, врезаются в верхние слои атмосферы. Эти столкновения дают лавину других частиц, большинство которых поглощается воздухом до того, как они достигнут поверхности Земли, так что до уровня Земли доходит только мелкий безопасный «моросящий дождик» радиации.

Было выяснено, что в дополнение к знакомым электронам, протонам и атомным ядрам эти «космические лучи» содержат и экзотические элементы, ранее неизвестные на Земле. Именно так и был открыт позитрон, положительно заряженная античастица электрона.

Если вкратце, то в начале 1923 года были сделаны первые фотографии космических лучей. На них были образы позитронов, но тогда этого еще никто не понял. Затем, после того как Поль Дирак в 1928 году предсказал, что существует положительно заряженная версия электрона, ее через четыре года обнаружили в космическом излучении. Вначале подумали, что позитрон – это нечто внеземное, но потом ученые обнаружили, что он постоянно производится и на Земле и является частью радиоактивных процессов. Единственная причина, объясняющая, почему его раньше никто не замечал, состоит в том, что для позитронов наш мир является чужим и враждебным, поскольку быстро их разрушает.

Дмитрий Скобельцын (1892–1990) – основатель российской школы физики атомного ядра и космических лучей. Он обнаружил в космических лучах заряженные частицы и их ливни и таким образом заложил основы физики высоких энергий. Считается первооткрывателем электронно-ядерных ливней и ядерного каскадного процесса

Так что, когда позитроны впервые разглядели, их не признали; а произошло это, как мы уже говорили, за пять лет до появления теории Дирака. И увидел их в 1923 году русский физик Дмитрий Скобельцын в Ленинграде, когда исследовал гамма-лучи.

Все видели след от реактивного самолета, след может оставаться в небе в течение нескольких минут и по нему можно следить о движении самолета. Такие следы состоят из крошечных капелек воды, которые конденсируются на выхлопных газах и создают длинное тонкое облако. Подобные признаки можно увидеть и в диффузионной камере, или камере Вильсона. Камера Вильсона – это первый трековый детектор заряженных частиц. Она была изобретена английским физиком Чарльзом Вильсоном в 1912 году. Действие камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. По сути это стеклянная коробка, в которой находится влажный воздух при низком давлении, также имеется поршень, который может внезапно позволить воздуху ворваться в камеру. Затем водяные пары из воздуха конденсируются на любых заряженных частицах, открывая их присутствие и движение миниатюрными следами, состоящими из паров. Для физиков, занимавшихся атомной физикой в начале ХХ века, камера Вильсона была подобна телескопу у астрономов. Она делала видимым то, что недоступно невооруженному глазу.