Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

С антивеществом, впрочем, есть две проблемы: его неоткуда брать и его совершенно негде хранить. Всех антипротонов, произведенных на ускорителях для исследования их свойств, не наберется и на сотню нанограммов, и каждый нанограмм стоит немалых денег уже из-за одной только потребляемой электроэнергии, не говоря уже о постройке ускорителя (да и о зарплате для персонала). Антиматерия – самое дорогое вещество, причем с колоссальным отрывом от второго места. И это только в отношении затрат на ее производство. Дополнительные сложнейшие ухищрения требуются для того, чтобы удержать единичные атомы антиводорода (антипротон плюс позитрон) от аннигиляции в течение, скажем, десятка или десятков минут; антипротон норовит принять участие в аннигиляции при первом же контакте с протоном из стенки «сосуда»-ловушки или из оставшегося там даже очень разреженного воздуха, полностью игнорируя ваши намерения употребить его в дело тогда, когда вам будет нужно.

Солнце светит, превращая вещество в энергию

Кроме аннигиляции, есть намного более сдержанный способ превращения энергии из массы в более «деятельную» форму (излучение). Этот способ не требует антивещества, и он замечателен тем, что благодаря ему мы и существуем. Энергия, которой светит Солнце и другие звезды, выделяется в виде света из-за переупаковки – соединения меньших атомных ядер в большие, сопровождаемого дефектом массы. Солнце состоит в основном из водорода, существующего там в виде отдельных протонов и электронов. Четыре протона, претерпев для этого некоторые превращения, соединяются в альфа-частицу – прочную упаковку четырех частиц (двух протонов и двух нейтронов). Ключевое обстоятельство в том, что масса альфа-частицы меньше, чем четыре массы протона, и образование каждой альфа-частицы сопровождается выделением энергии 0,0257 ГэВ, которая в точности равна этой «потерянной» массе, умноженной на квадрат скорости света. Так Солнце и светит. Каждую секунду оно теряет 4,27 млн тонн своей массы, превращая их в энергию, которую уносит в основном свет (два с небольшим процента забирают нейтрино; Солнце теряет массу и из-за солнечного ветра, но это совсем другая история). Это, вероятно, самый важный для нас на Земле пример того, как «работает» соотношение (5.1). Поскольку протон – это ядро атома водорода, а альфа-частица – ядро атома гелия, часто говорят, что Солнце светит за счет превращения водорода в гелий. (В этом процессе немало подробностей, и наиболее животрепещущие нам еще предстоит обсудить на прогулке 10.)

Рис. 5.8. Других элементов у нас нет. «Личность» каждого элемента определяется зарядом его ядра. Не все ядра одинаково устойчивы; элементы начиная с номера 95 созданы искусственно и имеют срок жизни от короткого до очень короткого (некоторые из элементов с меньшими номерами встречаются на Земле только в следовых количествах и в основном тоже синтезируются искусственно)

Солнце не исчерпает свою массу, светя «до собственного исчезновения». Оно истратит на излучение лишь малую долю массы, когда в его ядре – там, где из-за высокой температуры и давления только и могут образовываться альфа-частицы, – останется мало одиноких протонов. Солнце, и вообще любая звезда типа Солнца, тогда начнет «путешествие» по Периодической таблице элементов (рис. 5.8), последовательно производя элементы из ее начала вплоть до железа, располагающегося там под номером 26. Дальнейшие слияния порождают такие ядра, что их масса больше массы «полуфабрикатов», а это значит, что энергии за счет переупаковки уже не получить. Ресурс дефекта массы исчерпан, железные звезды больше не светят как водородно-гелиево-углеродно-неоново-магниево-кремниевые; если они не слишком массивные, с ними ничего больше не происходит (в противном же случае происходят, наоборот, впечатляющие катастрофы). Специальная теория относительности сама по себе не отвечает за то, какими в точности энергиями обладают разнообразные упаковки протонов и нейтронов в атомные ядра, и за то, какие именно более крупные упаковки оказываются менее массивными, чем набор их составных частей; но она объясняет, что «потерянная» масса может стать энергией. Этой энергией и светят септиллионы звезд.

Ближе к концу Периодической таблицы снова появляются возможности использовать дефект массы, но «в другую сторону». Взаимодействие большого числа протонов и нейтронов устроено так, что крупные упаковки могут быть массивнее, чем сумма их осколков, и на этот раз для извлечения энергии надо не соединять, а делить ядра. Выход энергии при этом меньше, чем при слиянии (причина, по которой «обычная» ядерная – «атомная» – бомба заметно уступает по мощности водородной), но это та самая возможность, открытие которой потрясло физиков в начале 1939 г., а затем мир в августе 1945-го.

Новые частицы рождаются в ускорителях из энергии движения