PRO парадоксы науки

Олег Фейгин, 2018

Складывающийся в последнее время глубоко парадоксальный образ новой физической реальности настолько резко отличается от привычного, что возникает все более серьезная проблема его описания в общедоступных понятиях. Все чудеса окружающего мира блестяще объясняет современная наука, проблемам, задачам и открытиям которой и посвящена настоящая книга. В ней рассказывается о разнообразных парадоксах и свершениях физики, астрономии, математики, кибернетики, биохимии и материаловедения. Книга рассчитана на самый широкий круг читателей, интересующихся современными научными представлениями о строении окружающей физической реальности.

Глава 2. Антиматерия

…Мы видим, что возможно построить мир, состоящий из антивещества. Мы достаточно хорошо изучили свойства элементарных частиц, чтобы уверенно утверждать это. Правда, экспериментальная техника пока не позволяет получать антивещество в большом количестве. И тем не менее имеются определенные доказательства, подтверждающие наши выводы… С точки зрения чистой науки это не представляет особого интереса. Мы уже можем рассчитать свойства антиатомов, так как знаем свойства антипротона и позитрона. Мы знаем, что можно создать антивещество, которое будет иметь те же свойства, что и обычное. При этом возникнут трудности, связанные с изоляцией антивещества от обычного, такая изоляция необходима, чтобы предотвратить аннигиляцию.

Г. Альвен.

Миры и антимиры

Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос: почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии, и существуют ли антимиры во Вселенной? Ведь одновременное рождение равного количества вещества и антивещества, равномерно размещенных в пространстве, неминуемо привело бы к их полной аннигиляции — взаимоуничтожению во вспышке. Ведь физического механизма, который разделял бы вещество и антивещество, до сих пор не выявлено, а тяготение стягивает вместе материю и антиматерию совершенно одинаково. Впрочем, некоторые ученые высказывают оригинальную гипотезу о том, что разлетающая ся после начала Большого взрыва Вселенная была наполнена бушующими магнитными полями.

Эти «магнитные сепараторы» могли бы эффективно разделять положительные протоны от отрицательных антипротонов, не позволяя им аннигилировать. Так в далеких уголках Вселенной могли бы существовать антимиры…

Сейчас физики-экспериментаторы уже не только «производят» отдельные античастицы, но и конструируют из них антиядра и даже антиатомы. Поэтому физики-теоретики вовсю обсуждают возможность существования антимира — зеркального отражения нашего мира, где абсолютно все микрочастицы заменены их античастицами: электрон — позитроном, протон — антипротоном, нейтрон — антинейтроном и т. д.

В основе этой нерешенной научной задачи лежат опыты тридцатых годов прошлого века, когда в первых высокогорных лабораториях изучался состав космических лучей, непрерывно бомбардирующих нашу планету. Оттуда вскоре пошел поток открытий всевозможных элементарных частиц, не имеющих ни малейшего отношения к классической атомной триаде: электрону, протону и нейтрону.

Так были обнаружены совершенно поразительные по своей физической природе античастицы. Масса любой античастицы в точности соответствует массе обычной, но все остальные параметры прямо противоположны прообразу. К примеру, все античастицы несут противоположные электрические заряды. Еще удивительнее происходят встречи частиц и соответствующих античастиц. Достаточно им преодолеть микроскопический радиус прямого взаимодействия — и тут же происходит мгновенное взрывное выделение энергии в процессе, который физики называют взаимной аннигиляцией. При этом обе частицы — обычная и ее антипартнер — прекращают существовать, а их масса полностью переходит в энергию аннигиляционной вспышки, распространяя в окружающем пространстве потоки квантов электромагнитного излучения — фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Впоследствии следы антиматерии искали повсюду: от аномального поведения некоторых комет до необычных следов в столкновениях элементарных частиц. С помощью гипотезы антиматерии пытались объяснить многие взрывные выделения энергии в дальнем космосе, в частности в ядрах активных галактик. Возможно, убедительные доказательства существования антимира сможет предоставить мощный детектор элементарных частиц, созданный международным коллективом физиков Европейского Центра ядерных исследований (ЦЕРН). Для этой цели планируется доставить на МКС уникальное устройство — альфа-магнитный спектрометр, весящий без малого девять тонн.

В других детекторах, широко применяемых в земных высокогорных обсерваториях, гостей из антимиров ищут в так называемых пузырьковых камерах, где микрочастицы оставляют в пересыщенном растворе следы из капелек конденсата наподобие инверсионных следов у высотных самолетов. В свое время исследуя такие следы — треки элементарных частиц — при столкновениях космических лучей с атомами-мишенями, удалось сфотографировать реакции, в которых образовывались частицы с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Так были экспериментально открыты первые античастицы — позитроны, а вскоре построены ускорители элементарных частиц, позволившие обнаружить многие античастицы в лабораторных условиях.

Нерешенная задача поиска гипотетических космических антимиров, полностью построенных природой из античастиц или хотя бы сгустков антиматерии во Вселенной, неразрывно связана с задачей нарушения баланса в первые мгновения Большого взрыва, когда частиц и античастиц должно было бы быть ровно поровну. Решить подобную «антиматериальную» задачу астрофизики надеются с помощью космических сверхчувствительных детекторов микрочастиц. Кроме всего прочего, новые уникальные космические модуль-лаборатории могут прояснить многие тайны, связанные с загадочными компонентами мироздания: темной материей и темной энергией, которые в совокупности составляют почти всю наблюдаемую Вселенную — метагалактику.

Шведский ученый, лауреат Нобелевской премии Ганнес Альвен (1908–1995), которого большинство астрономов, космологов и астрофизиков до сих пор считают своеобразным еретиком в физике космоса, полагал, что окончательный выбор между различными теориями возможен лишь после того, как будет обнаружено антивещество или доказано, что Вселенная его не содержит. В этом направлении он поддерживал и развивал теорию известного шведского физика Оскара Клейна (1894-1977), считавшего, что наличие обширных областей структурированной антиматерии связано с его моделью терагалактики, состоящей из множества метагалактик. Этот необычный космологический сценарий предполагает, что некогда космос был заполнен разряженным газом «амбиоплазмы», впоследствии конденсировавшейся в метагалактические структуры, расположенные на дистанции во многие триллионы световых лет. Путем сложных построений Клейн доказал, что при такой генерации галактических структур обязательно должны бы образовываться и антимиры.

Правда, Альвен с пессимизмом отмечал, что в настоящее время это не совсем реально, хотя и существуют определенные косвенные аргументы, связанные с колоссальным выделением энергии в пульсарах, квазарах и ядрах активных радиогалактик…

Одно время последователи Альвена и Клейна даже утверждали, что каждая вторая далекая галактика может содержать антиматерию, однако современные наблюдательные данные не поддерживают подобную гипотезу.