Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Открыли антипротон только в 1955 г. после того как в Калифорнии был запущен бэватрон — гигантский по тем временам ускоритель частиц, рассчитанный на энергию в 6 с половиной миллиардов электронвольт. Через полгода был открыт и антинейтрон.

Проходя сквозь вещество, антипротон и антинейтрон аннигилируют — взрывают и себя, и встретившиеся им на пути протон или нейтрон. Только характер этих взрывов оказывается совсем не таким, как при столкновении позитрона с электроном.

Электрон и позитрон — источники электромагнитного поля; это поле остается и после их аннигиляции. Протон, нейтрон и их «антипартнеры» связаны со значительно более сильным мезонным полем. Здесь полного «сгорания» вещества не происходит, часть его превращается в массу осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц — электрона и позитрона. Это самое мощное выделение энергии, которое мы можем осуществить в лабораторных условиях.

«Антипартнеров» имеют не только протон, нейтрон и электрон. Они есть у всех элементарных частиц. Некоторые, например не имеющий электрического заряда пи-ноль-мезон π° или квант света фотон, совмещают частицу и античастицу в одном лице. Но таких «двуполых» частиц немного. Как правило, частицы и античастицы сильно различаются по своим свойствам. Получается так, что в природе действует замечательное правило симметрии: природа состоит как бы из двух налагающихся друг на друга половинок—мира и антимира.

Одно обстоятельство, однако, с самого начала вызывало серьезное беспокойство физиков. Введенное Дираком море отрицательных энергий позволяло наглядно трактовать различные процессы с античастицами, но само оставалось принципиально невидимым. Составляющие его частицы с отрицательной энергией, подобно мнимым числам, существовали лишь в теории, на практике же наблюдать их было нельзя, даже косвенно. Закрадывалось подозрение, что это всего лишь приближенный способ описания новых явлений на языке привычных нам физических образов.

В физике такое случается нередко. Вспомним, например, о теплороде, которому посвятили столько работ физики XVIII в. Сегодня каждый школьник знает, что тепло связано с движением молекул и атомов, и никакого теплорода не существует. Но когда о молекулярном строении вещества еще не было известно, теплород был очень удобным физическим образом для того, чтобы наглядно представлять себе механизм передачи тепла. С его помощью французский инженер Сади Карно открыл основные законы термодинамики. Наглядные модели типа теплорода, упругих силовых линий в электродинамике, летучего флогистона в химии и тому подобного — это своего рода леса вокруг строящегося здания теории. Время идет, и сослужившие свою службу модели и идеи становятся лишь достоянием истории.

Исключить из теории ненаблюдаемые отрицательные энергии удалось после того, как физики стали более глубоко понимать свойства вакуума. Сегодня нам известно, что вакуум — это не абсолютная пустота, а скорее, особая среда, состоящая из бесчисленного множества спонтанно рождающихся и тут же исчезающих частиц и античастиц. Под действием внешних сил, получив дополнительную энергию и импульс, они могут оторваться от вакуума и начать жить самостоятельной жизнью. Вот такие оторвавшиеся частицы и описывает уравнение Дирака.

Вакуум в его современном понимании заменил менее точную и устаревшую «морскую» картину Дирака. В отличие от дираковского моря вакуум — наблюдаемый объект. Он взаимодействует с погруженными в него атомами и молекулами, он изменяет их свойства. О его собственных свойствах и особенностях пойдет речь в следующей главе.

А теперь самое время вернуться к исходному вопросу: если все физические законы, управляющие частицами и античастицами, совершенно одинаковы, как об этом свидетельствуют и эксперимент, и теория, то почему же тогда ни на Земле, ни в космосе мы не встречаем антивещества? Почему все атомы в окружающем нас мире устроены так, что их ядро непременно состоит протонов и нейтронов, а оболочка — из электронов?

Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны существовать и просто в природе? Разве невозможны целые планеты из антивещества, звезды, даже галактики? Где же находится этот антимир?

В 50-х годах многие физики и астрономы были убеждены, что вещество и антивещество распределены во Вселенной вперемежку: большие и малые острова и архипелаги, разделенные океаном космической пустоты. Так как по внешнему виду области, заполненные веществом и антивеществом, не отличаются ничем, некоторые ученые предполагали, что антимиры расположены совсем рядом — может быть, даже в соседних созвездиях. В нескольких странах, в том числе и в СССР, были разработаны специальные исследовательские программы по поиску следов аннигиляционного излучения от случайно залетевших в атмосферу нашей планеты «антиметеоритов» — оторвавшихся и блуждающих в пространстве кусочков антивещества. На автоматических шарах-зондах и высотных самолетах в стратосферу поднимались чувствительные детекторы излучений. Специальные телескопы-спектрографы тщательно анализировали яркие вспышки метеоров в ночном небе.

К сожалению, эта теория не подтвердилась. Самые тщательные поиски аннигиляционного излучения, которое должно было бы рождаться в космосе на границе зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц, не привели к успеху. Ни разу не удалось обнаружить следов аннигиляции и в спектрах излучения сгоревших метеоритов. Дал отрицательные результаты, наконец, и анализ состава космических лучей. Эти лучи на 96 процентов состоят из протонов, остальное — альфа-частицы и немного ядер тяжелых элементов. Если бы острова вещества и антивещества были распределены в космосе более или менее равномерно, то в космических лучах должна была быть значительная примесь антипротонов и антиядер. Правда, очень небольшое число антипротонов (сотые доли процента) все-таки было там замечено, но расчеты показывают, что они образовались в ядерных реакциях при столкновениях высокоэнергетических протонов и ядер с веществом межзвездной пыли и газа.

Можно, конечно, предположить, что Вселенная лишь в целом сбалансирована по числу частиц и античастиц, а в пространственном отношении она неоднородна, и антимиры существуют и находятся где-то далеко — за пределами видимости наших приборов. А коли так, то открытие антимиров — лишь вопрос времени.

В пользу этой гипотезы, казалось бы, говорят и данные космологии. Когда 15—20 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, разлетевшееся во все стороны правещество было не только сверхплотным, но и чрезвычайно раскаленным. Что происходило в первые мгновения этого взрыва, нам трудно даже себе представить. Однако когда аморфное вещество расширилось и несколько остыло, из него стали выделяться частицы — сначала очень тяжелые, для рождения которых требуется много энергии, а потом все более и более легкие. Вселенная стала своеобразным «кварковым супом», где кварки, антикварки и окружающий их глюонный бульон слипались в адроны и тут же под действием огромных температур снова распадались. А когда плотность вещества снизилась до уровня атомных ядер образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось всего через одну десятитысячную долю секунды после начала Большого взрыва. Диаметр Вселенной не превышал в то время 30 километров. Большая часть образовавшегося тогда вещества сгорела в пламени аннигиляционных процессов и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а меньшая, оставшаяся, распалась на ядра и антиядра, сконденсировавшиеся затем в туманности, галактики и прочие космические объекты. Вся сложная цепочка ядерных процессов завершилась за несколько миллионов лет — мгновение по сравнению с 15—20 миллиардами, прошедшими с того времени. И все эти миллиарды лет осколки первичного взрыва разлетались в различных направлениях. Поэтому можно думать, что расстояния, разделяющие миры и антимиры колоссально велики: они сравнимы с размерами Вселенной.