PRO Антиматерию

Есть материя, например электрон, и есть антиматерия, например позитрон, а еще есть то, что не является ни материей, ни антиматерией. Самый известный пример последнего – электромагнитное излучение. Все электромагнитное излучение, от гамма-лучей до рентгеновских и от ультрафиолета до видимого света, инфракрасных лучей и радиоволн, состоит из фотонов с различной энергией. Материя и антиматерия могут уничтожить друг друга, а их аннигиляция оставляет не-вещество в форме фотонов. При соответствующих условиях эта последовательность может иметь место в обратном порядке, и фотоны превратятся в материю и антиматерию.

Чистая энергия, концепция, которую так любят ученые, в особенности говоря о естественных процессах, – это тоже не-вещество. Она может перейти из одной формы в другую, например быть электрической, химической или энергией движения, она может также превратиться в материю и антиматерию. Эйнштейн сказал нам, сколько вещества может конденсироваться из энергии, для этого есть формула E = mc². Минимальное количество энергии для производства электрона и позитрона – это 2mc²: одной порции mc² достаточно для производства стационарного электрона, а второй – позитрона. После появления, если они созданы стационарными, они почти точно сразу же уничтожат друг друга и высвободят энергию, которая на мгновение была поймана в ловушку внутри них. Чтобы дать позитрону шанс на выживание, нужно иметь больше энергии, чем этот минимум; «излишек» становится кинетической энергией, движением, так что после рождения электрон и позитрон понесутся прочь и сбегут друг от друга.

Шатьендранат Бозе (1894–1974) – индийский физик, один из создателей квантовой статистики

Фотон света является одним из более сотни известных примеров частиц, являющихся не-веществом. Они называются бозоны, или бозе-частицы, – в честь Шатьендраната Бозе, специалиста по математической физике. Термин был предложен Полем Дираком. Бозоны – это частицы, или квазичастицы с целым спином, они подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, которая допускает, что в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Различают элементарные и составные бозоны.

В отличие от них вещественные частицы, которые являются основными частями материи или антиматерии, называются фермионами (или ферми-частицами) в честь итальянского физика Энрико Ферми. Он разработал теорию бета-распада, открыл искусственную радиоактивность, вызываемую нейтронами, замедление нейтронов в веществе. Преуспел как в теоретической физике, так и в экспериментальной. Именно Ферми после того, как эмигрировал в США, построил первый ядерный реактор и первым осуществил в нем цепную ядерную реакцию в 1942 году. Он был удостоен Нобелевской премии в 1938 году за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами.

Ядерной физикой Ферми стал заниматься в 1932 году и в 1934 году создал первую количественную теорию бета-распада, известную также как четырехфермионная теория слабого взаимодействия. Ее суть в том, что при бета-распаде в одной точке взаимодействуют четыре фермиона (протон, нейтрон, электрон и нейтрино). Эта теория стала прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц. В 1939 году Ферми высказал мысль, что при делении ядра урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов, и если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, то тогда путь к цепной реакции будет открыт. Проведенный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.

Ферми был одним из руководителей Манхэттенского проекта, в частности занимался первым испытанием бомбы в Аламогордо и являлся одним из научных консультантов президента Трумана по вопросам использования бомбы. В честь него названа уже упоминавшаяся в этой книге «Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория (США).

Фермионы, названные в честь Энрико Ферми, – это частицы, или квазичастицы с полуцелым спином. К этой группе относятся электрон, протон, нейтрон, мюон, нейтрино, кварки и ряд других. Поведение фермионов описано в уравнении Дирака; бозоны следуют другим правилам. По сути Дираку повезло. Его целью было уравнение для частиц, имеющих массу, и решение проблемы положительной и отрицательной энергии. В 1928 году единственными известными частицами, имеющими массу, были электрон и протон. Кстати, оба являются фермионами. Другая идентифицированная частица, фотон, была бозоном, но без массы. Через двадцать лет после революции в науке, которую произвело уравнение Дирака, в космических лучах был открыт бозон с массой – пион. Если бы пион открыли к 1928 году, маловероятно, что Дирак стал бы так напряженно работать над своим уравнением, если бы вообще стал.