Из-за своих поистине фантастических свойств черные дыры довольно долгое время оставались лишь декорацией сюжетов различных фантастических фильмов и романов, а также предметом абстрактных рассуждений физиков-теоретиков. Однако развитие наблюдательной техники в конце ХХ – начале XXI века дало возможность обнаружить в космосе реальные черные дыры. Так, 10 апреля 2019 года на пресс-конференции участники проекта «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope) презентовали результаты своих многолетних наблюдений. Им удалось сделать самую первую в истории фотографию черной дыры, расположенной внутри галактики Мессье 87. А уже 12 мая 2022 года эта же группа ученых опубликовала изображение сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, расположенной в самом центре нашей галактики!
Заметим, что на самом деле сфотографировать саму черную дыру невозможно, поскольку она ни излучает, ни отражает падающий на нее свет. Но черные дыры обычно не одиноки, возле них могут находиться другие звезды. Эти звезды под действием гравитации могут постепенно приближаться к горизонту событий, и вещество звезд начнет перетекать в черную дыру. При таком перетекании далеко не все вещество сразу падает за горизонт, большая его часть закручивается вокруг черной дыры по спирали и разгоняется до скоростей, близких к скорости света. В этом процессе из-за трения разных слоев оно сильно разогревается и начинает светиться. Под действием гравитации падающее вещество сжимается и образует диск, наподобие дисковых колец Сатурна, только у черных дыр они состоят из раскаленного вещества, которое вращается с бешеной скоростью. Такой диск (который, кстати, образуется не только вокруг черных дыр, но и вокруг некоторых звезд) ученые называют аккреционным, от лат. accrētiō – «приращение, увеличение». Так что сама черная дыра, конечно же, не светится, а вот вращающееся вокруг нее вещество светит очень даже ярко. Именно его и удалось сфотографировать Телескопу горизонта событий. Ну, и саму черную дыру на его фоне.
Еще одну черную дыру с аккреционным диском очень красочно изобразили в фильме «Интрестеллар». Там, конечно же, изображена не настоящая черная дыра, но очень точная компьютерная модель. И это очень хорошая иллюстрация еще одного эффекта ОТО – гравитационного линзирования.
Рис. Компьютерная модель эффекта гравитационного линзирования, благодаря которому оказывается видна задняя часть аккреционного диска.
Почему же в фильме нам показывают не один аккреционный диск, расположенный в горизонтальной плоскости, а целых два? Откуда у черной дыры возникает второй диск, расположенный вертикально? На самом деле это один и тот же горизонтальный диск. Просто из-за экстремально сильного искривления пространства задняя часть этого диска, которая должна быть скрыта от нас самой черной дырой (горизонтом событий), становится видна сверху и снизу.
В ХХ веке после открытия первых элементарных частиц (протонов и электронов) физики начали активно изучать их свойства, а также то, что происходит с частицами, если их разогнать до достаточно высоких энергий. И тут выяснилось, что на высоких скоростях частицы ведут себя совсем не так, как предсказывала обычная квантовая механика: при столкновениях могут рождаться новые, неизвестные ранее частицы. Эти новые частицы в свою очередь через довольно короткий промежуток времени распадаются, испуская еще какие-то частицы. Всё это выглядело очень обескураживающе. Неужели внутри протонов и электронов могут находиться еще какие-то частицы? Или они рождаются в момент столкновения? И почему продукты распада и виды рождающихся частиц зависят от того, с какой скоростью мы их столкнули? Сколько еще типов частиц существует в природе и как они связаны друг с другом? На эти вопросы не смогли дать ответы ни квантовая механика, ни теория относительности. Поэтому физикам пришлось разработать новый радел физики – квантовую теорию поля – для описания всех этих взаимодействий и превращений частиц.
Часть 6Квантовая теория поля
Вопрос 55. Что такое антиматерия?
После создания квантовой механики и теории относительности, а также целого ряда успешных экспериментов по подтверждению правильности предсказаний этих двух теорий, физики задались вопросом: а можно ли объединить оба подхода и построить релятивистскую квантовую теорию или, как ее теперь называют, квантовую теорию поля? Первым такую попытку совершил британский физик-теоретик Поль Дирак (1902–1984), предложивший в 1928 году релятивистскую теорию электрона. В своей статье «Квантовая теория электрона» Дирак впервые сформулировал одно из самых известных в квантовой теории поля уравнений, носящее с тех пор его имя. Обычное квантовое уравнение Шрёдингера является нерелятивистским[101], т. е. оно неприменимо для описания частиц, движущихся с большими скоростями (близкими к скорости света). Поэтому Дираку пришлось несколько его модифицировать, сделав так, чтобы координаты и время входили в него в некотором смысле равноправно, поскольку в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга. При помощи уравнения Дирака удалось получить более точное описание тормозного излучения электронов[102], рассеяния фотона на электроне (так называемый эффект Комптона), энергетических уровней атома водорода[103] и некоторых других важных явлений.
Но была у уравнения Дирака одна странность. Оно давало не одно, а целых два решения. Первое решение отлично описывало поведение электрона, а вот второе соответствовало какой-то новой, еще не известной частице – масса, спин и все другие характеристики которой были в точности такие же, как у электрона, а вот электрический заряд был положительным, а не отрицательным. Поскольку протон (единственная известная на тот момент положительно заряженная частица) на эту роль не подходил, то Дирак попытался как-то исключить это «лишнее решение», придумывая разные модели, наподобие «моря Дирака» – гипотетического пространства, заполненного ненаблюдаемыми электронами. Если этому «морю» сообщить достаточно энергии, то из него можно «выбить» реальный электрон. А на его месте в «море» образуется пустое состояние – «дырка», которое будет вести себя как частица с противоположным электрическим зарядом. Однако дальнейший анализ показал, что у идеи «моря электронов» есть масса математических противоречий, не говоря уже о физических (ведь если в этом море бесконечное число электронов, то почему его суммарный электрический заряд равен нулю?).
Так что физики-экспериментаторы занялись поисками новой частицы. И через несколько лет подходящая частица была открыта. В начале 1930‐х годов американский физик Карл Андерсон (1905–1991) изучал космические лучи – потоки частиц, прилетающих к нам на Землю из космоса. Андерсон обнаружил в этом потоке частицу, в точности совпадающую по всем параметрам с электроном, но имеющую положительный электрический заряд. Эту частицу Андерсон назвал позитроном[104].
Впоследствии выяснилось, что у всех элементарных частиц существуют такие античастицы, обладающие точно такими же характеристиками, но противоположными зарядами: у протона существует антипротон, у нейтрона – антинейтрон и т. д. При этом все они существуют не в каком-то параллельном мире или абстрактном «море Дирака», а в этом же самом, в котором живем и мы с вами. Образуются эти античастицы в результате различных столкновений (например, при столкновениях космических лучей с атмосферой Земли, а также в ускорителях элементарных частиц) или в определенных ядерных реакциях.
Но почему же тогда мы вокруг себя наблюдаем в основном обычную материю, а антиматерия встречается чрезвычайно редко? А дело тут в одной очень важной особенности антиматерии: при встрече частиц с античастицами происходит аннигиляция, их взаимное уничтожение и превращение в чистый свет или чистую энергию. А точнее – в два фотона или два гамма-кванта высоких энергий (поскольку фотон не имеет электрического заряда и является античастицей самому себе). Либо, если частица и античастица имеют достаточно высокую энергию, то в результате аннигиляции могут возникнуть протон и антипротон или какие-то другие более экзотические частицы, о которых мы поговорим позже. Поэтому, даже если где-то на Земле появляется какая-нибудь античастица, то живет она очень недолго – до тех пор, пока не встретится с какой-то обычной частицей и не аннигилирует.
Тем не менее ученые научились получать антиматерию в своих лабораториях, чтобы более детально исследовать ее свойства. И оказалось, что в антиматерии нет ничего мистического. Это точно такое же вещество, как и привычные нам протоны и электроны, но только с противоположными зарядами. Более того, если взять антипротон и «закрутить» вокруг него антиэлектрон (позитрон), то получится атом антиводорода[105], обладающий точно такими же свойствами, что и обычный водород. У него будет точно такой же спектр[106], как и у обычного атома водорода, состоящего из протона и электрона. Атомы антиводорода могут объединяться по парам, образуя молекулы. А если к ним добавить еще атом антикислорода (также состоящего из антипротонов и позитронов), то получится молекула «антиводы». Эта антивода будет вести себя точно так же, как и обычная: при нормальном давлении и комнатной температуре она будет жидкая, при 100 °C она будет кипеть, превращаясь в «антипар», а при 0 °C – замерзать, образуя «антилёд».
Однако в этой простой схеме есть одно важное допущение: всё это будет возможно только при условии, что антивещество никак не соприкасается с обычным веществом. То есть чтобы вскипятить антиводу, вам нужно будет налить ее в кастрюлю или чайник, также состоящие из антивещества. Иначе, если вы решите налить эту антиводу в обыкновенный чайник или кастрюлю, то частицы и античастицы, из которых они состоят, аннигилируют, и вы получите вспышку, сравнимую со взрывом атомной бомбы, – ведь вся масса антиводы и кастрюли превратится в огромное количество чистой энергии. Поэтому получение антиматерии в земных условиях – дело очень сложное и опасное, поскольку всё на Земле состоит из обычных частиц. Так что ученым приходится постоянно удерживать античастицы «в подвешенном» состоянии (в специально созданных электромагнитных ловушках), чтобы они ни в коем случае не соприкоснулись с обычной материей. Поэтому антиматерия по праву считается самым дорогим веществом на Земле: по разным оценкам стоимость производства 1 грамма антиводорода будет стоить от 60 до 100 триллионов долларов США.