Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности

Устройство Вселенной говорит об особых романтических отношениях частиц с античастицами. Они рождаются вместе из чистой энергии – и иногда и умирают (аннигилируют) тоже вместе, и их совокупная масса превращается обратно в энергию. В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон открыл антиэлектрон (обычно называемый позитроном), положительно заряженную частицу антивещества, соответствующую отрицательно заряженному электрону. С тех пор в ускорителях по всему миру то и дело создавались всевозможные античастицы, однако в целые атомы они начали складываться лишь недавно. Международная исследовательская группа, которой руководит Вальтер Элерт из Юлихского исследовательского центра в Германии, создала атомы, в которых антиэлектрон прекрасно связывается с антипротоном. Знакомьтесь – антиводород! Первые антиатомы были созданы в Женеве, в ускорителе Европейской организации по ядерным исследованиям, известной под сокращенным французским названием ЦЕРН, благодаря которой было сделано много открытий в области физики элементарных частиц.

Суть метода очень проста: надо создать пучок антиэлектронов и пучок антипротонов, столкнуть их при подходящей температуре и плотности и уповать на то, что они соединятся в атомы. В ходе первого раунда экспериментов группа Элерта получила девять атомов антиводорода. Однако в мире, где преобладает обычное вещество, жизнь атома антивещества трудна и полна опасностей. Антиводород прожил менее 40 наносекунд (40 миллиардных секунды), после чего аннигилировал с обычными атомами.

Открытие антиэлектрона стало одним из величайших триумфов теоретической физики, поскольку его существование предсказал всего за несколько лет до этого английский физик Поль А. М. Дирак. Дирак обнаружил два набора решений уравнения для энергии электрона – одно положительное и одно отрицательное. Положительное решение соответствовало качествам обычного электрона, а вот отрицательнее поначалу было необъяснимо, у него словно бы не было никаких соответствий в реальном мире.

Уравнения с двумя решениями встречаются сплошь и рядом. Простейший пример: «Какое число при умножении само на себя даст 9?» Три или минус три? Разумеется, оба ответа верные, поскольку 3 × 3 = 9 и (−3) × (−3) = 9. Уравнения никогда не гарантируют, что их решения имеют отношение к событиям и явлениям реального мира, но если математическая модель физического явления верна, то манипулировать с ее уравнениями так же полезно, как и манипулировать со всей Вселенной, и при этом куда как проще. Как и в случае с Дираком и антивеществом, подобные опыты часто приводят к гипотезам, которые можно проверить, а если нельзя, значит, от теории придется отказаться. При любом физическом результате математическая модель обеспечивает логичность и внутреннюю непротиворечивость выводов.

* * *

Квантовая теория, она же квантовая физика, возникла в 1920-е годы и представляет собой область физики, которая описывает вещество в масштабе атомных и субатомных частиц. Дирак на основании только что установленных законов квантовой физики постулировал, что иногда фантомный электрон «с другой стороны» появляется в нашем мире под видом обычного электрона, и тогда в «море» отрицательных энергий от него остается дырка. Дирак предположил, что эта дырка экспериментально проявится как положительно заряженный антиэлектрон, впоследствии получивший название «позитрон».

У субатомных частиц много измеряемых качеств. Если у какого-то качества может быть противоположное значение, значит, у античастицы это значение будет противоположным, а все остальные – идентичны «оригиналу». Самый очевидный пример – электрический заряд: позитрон во всем похож на электрон, только у позитрона заряд положительный, а у электрона отрицательный. Подобным же образом антипротон – античастица протона, несущая противоположный заряд.

Хотите верьте, хотите нет, а античастица есть даже у нейтрона, у которого нет электрического заряда. Называется она – вы угадали – антинейтрон. И он наделен нулевым зарядом, противоположным нулевому заряду обычного нейтрона.

Это арифметическое чудо объясняется тем, из какого набора дробно заряженных частиц (кварков) состоит нейтрон. Кварки, составляющие нейтрон, обладают такими зарядами: −⅓, −⅓, +⅔, а кварки, составляющие антинейтрон, такими: +⅓, +⅓, −⅔. Каждый набор в сумме дает нулевой заряд, однако, как видите, соответствующие компоненты обладают противоположными зарядами.

Может показаться, будто антивещество берется из ничего. Если у пары гамма-лучей достаточно высокая энергия, они способны взаимодействовать и спонтанно превращаться в пару электрон-позитрон, таким образом превращая очень много энергии в самую чуточку вещества, что и описано прославленной формулой Эйнштейна, выведенной в 1905 году:

E = mc²

Что в переводе на простой человеческий язык выглядит как

Энергия = (масса) × (скорость света)²,

а в переводе на совсем простой человеческий язык

Энергия = масса × (огромное-преогромное число).