Миновали десятилетия.
Пройдя сквозь смесь насилия, жадности и любопытства, Земля стала лучше известна; неизвестность постепенно переключилась с того, что находится где-то за горизонтом, на все над нашими головами. Космос стал новой тайной, задумываться над которой все желающие могли, просто задрав голову вверх. Но расстояния в нем потрясают воображение. Пока писалась данная книга, антропогенные спутники были посланы на несколько сотен миллионов километров от Земли, чтобы попытаться выяснить происхождение воды и, возможно, строительных блоков самой жизни на нашей планете. Людей перестали отправлять в рискованные приключения. Этим за нас занимаются роботы. Но так как ажиотаж по поводу межпланетных путешествий снова в тренде, возможно ли в начале двадцать первого века оставаться на Земле и все еще быть первооткрывателем?
МЫ ВСЕ ЖИВЕМ НА ПОВЕРХНОСТИ НЕВЕРОЯТНО БОГАТОГО, НО ДОВОЛЬНО МАЛЕНЬКОГО ШАРИКА, ЛЕТЯЩЕГО СКВОЗЬ ПРОСТОРЫ ОГРОМНОЙ ВСЕЛЕННОЙ.
Конечно.
Можно стремиться спуститься на дно океана, среды, настолько враждебно относящейся к нашим технологиям (не говоря уже о наших телах), что гораздо меньше людей сделало шаги там внизу, чем ступило на Луну.
Или можно иметь в целом другой подход и заниматься наукой.
Хотя наука не может быть столь же гламурна, как парусные каравеллы или пилотируемый космический корабль, но она может унести вас в любое место. Со дна моря на край нашей видимой Вселенной. И за ее пределы. Как вы уже, наверное, заметили, читая эту книгу, разум может забрать вас в места, недоступные телу, и в места, где никто никогда не бывал прежде. Если глубоко погрузиться в природу пространства и времени или квантового поведения частиц и света, не окажется двух читателей книги, совершающих точно такое же путешествие, – никто не вообразит одинаковые вещи. Занимаясь созданием галактик и виртуальных частиц света в вашем уме, вы вошли в мир теоретических исследований, мир без ограничений.
Никто никогда заранее не знает, в каком направлении может быть найден неоткрытый остров или континент. И многим исследователям пришлось потерпеть неудачу для того, чтобы проложить путь великому открытию. Бесспорно, удачи бывают, но они не гарантированы. Учитывая последние открытия, шансы на нее, однако, есть. То же самое верно и для науки, и открытие антиматерии следует этому древнему пути пионеров. Гений одного человека помог всем остальным увидеть следующий удивительный факт: составляющая нас материя; материя, образующая планеты, звезды и галактики, – всего лишь половина материи, – и он не понял это по чистой случайности. Он опирался на то, что было сделано до него. Очевидно, что на работу Эйнштейна о том, как движутся вещи, если они делают это очень быстро, и на любопытные способы поведения квантовых частиц. Этим человеком был Поль Дирак. Он создал квантовую теорию поля и, следовательно, открыл антиматерию. Дирак был британским ученым, в 1932–1969 годах являлся Лукасовским профессором математики Кембриджского университета, занимая одну из самых престижных научных должностей мира. Она принадлежала Исааку Ньютону в 1669–1702 годах, как и Стивену Хокингу в 1979–2009 годах.
Так что такое антиматерия?
Вы уже знаете, что означает E = mc2: масса может быть преобразована в энергию, а энергия – в массу. С довольно высокой скоростью обмена. И, как вы только что видели в предыдущей главе, данная энергия может заимствоваться на короткий промежуток времени из вакуума, из полей, для создания частиц.
Теперь вернемся к мини-копии.
Вы все еще в пустой Вселенной, окруженной вакуумом, а именно вакуумом электромагнитного поля.
Прямо перед вами из него вылетает электрон.
Почему? Потому что он может. Вот так вы видите появление электрона. Бац! Именно так.
Минуту назад не было ничего кроме вакуума. Теперь там есть электрон, и электрон имеет массу. Сам факт его появления означает, что некоторое количество бездействующей энергии было преобразовано в массу. Уравнение E = mc2 в действии. Легко для понимания.
Но электрон также обладает электрическим зарядом. Тогда сам собой напрашивается вопрос: откуда же этот электрический заряд появился?
Масса возникает из энергии, а масса и энергия эквивалентны, поэтому появление массы из заимствованной энергии является уравновешивающим процессом. Просто переходом энергии из одной формы в другую. Но электрический заряд – совершенно другая проблема. После появления электрона возникает отрицательный электрический заряд. До этого момента его нет. После него – есть. И это, безусловно, неприемлемо. Как я уже упоминал в конце предыдущей главы, нельзя создать что-то из ничего, не уплатив определенную цену. В реальной жизни так никогда не бывает – слышу я ваш вздох, – но хотя бы в квантовом мире такое происходит.
Итак, как же поступить с этим зарядом? Может, просто закрыть на него глаза?
Мы не можем, потому что их слишком много. Каждый электрон во Вселенной несет в себе заряд, и многие другие фундаментальные частицы тоже.
Так откуда же взялся заряд?
Что ж, самый простой ответ часто является самым правильным, вот он: электрон никогда не появляется в одиночку. Он должен вылететь вместе с идентичной ему частицей, за исключением ее заряда, который является противоположным. Такая частица называется антиэлектрон.
Такое понятие ввели, чтобы общий заряд всех пар когда-либо созданных электронов и антиэлектронов был равен нулю. Нет больше необходимости прибегать к E = mc2 или чему-то еще. Такой феномен не нарушает никаких законов: общий заряд равнялся нулю задолго до появления электронов и антиэлектронов и по-прежнему равен нулю.
Именно то, в чем блестяще разобрался Поль Дирак.
«Ну и что здесь особенного?» – поинтересуетесь вы.
Ну что сказать, о существовании в точности похожей на электрон частицы с противоположным зарядом было до сих пор неизвестно. Никто не видел антиэлектрон.
ПРОЦЕСС, ПОСРЕДСТВОМ КОТОРОГО ЭЛЕКТРОН И ЕГО АНТИЭЛЕКТРОН ПОЯВЛЯЮТСЯ ИЗ НИЧЕГО, НАЗЫВАЕТСЯ РОЖДЕНИЕМ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ ПАР.
Сегодня мы обнаруживаем их повсюду.
Процесс, посредством которого электрон и его антиэлектрон появляются из ничего, называется рождением электрон-позитронных пар; существует также обратный процесс: когда электрон встречается с антиэлектроном, они аннигилируют, то есть пропадают, пуф! И исчезли, а их масса превратилась обратно в энергию, в свет, в мгновение.
Электроны и антиэлектроны создаются из электромагнитного поля и возвращаются в него при аннигиляции.
Далее, раз электроны существуют сами по себе и все они созданы из электромагнитного поля во время рождения электрон-позитронных пар, следовательно, антиэлектроны также должны существовать сами по себе. Что они и делают. Но их нельзя найти повсюду.
В 1928 году Дирак назвал антиэлектрон «дырой в море» того, что мы теперь называем квантовым электромагнитным полем, так как он соответствовал некоторому отсутствующему заряду.
Его «дыра» – антиэлектрон был экспериментально обнаружен пять лет спустя в 1933 году, и тогда же Дирак получил Нобелевскую премию по физике за необычайную проницательность. Его теория полей включает в себя все те самые поля, виденные вами повсюду, с тех пор как вы начали исследовать микромир и обнаружили антиматерию.
Американский физик Карл Дэвид Андерсон стал тем первым ученым, кто действительно обнаружил антиэлектроны Дирака. Но вместо того, чтобы назвать их антиэлектронами, он дал им новое, до сих пор употребительное название: позитроны. Андерсон получил Нобелевскую премию за свою исследовательскую работу три года спустя, в 1936 году.
Так родилась антиматерия.
Я уже говорил, что половина материи является антиматерией. Но если ей были только антиэлектроны, они бы не составляли половину всего. А как насчет антикварков, и антисвета, и антиглюонов?
Ну что сказать, что верно для электрона – справедливо для всех частиц.
У всех них имеются свои противоположности.
Существуют антикварки, равно как и антинейтрино и антифотоны. Но некоторые частицы, не имеющие заряда, могут выступать с обеих сторон и быть собственными античастицами. Хороший пример тому свет: раз фотоны и антифотоны не переносят заряд, они идентичны.
Так почему же мы не видим вокруг нас все остальные античастицы?
Ответ в том, что они есть, они вокруг нас, вокруг вас, но не в больших количествах, потому что всякий раз, когда появляются, живут лишь очень короткий промежуток времени. Помните, что любая античастица, сталкивающаяся со своей противоположной частицей, немедленно аннигилирует с ней, только чтобы исчезнуть во вспышке энергии и света согласно уравнению E = mc2.
Однако где-нибудь еще во Вселенной весь мир может оказаться построенным из антиматерии. В антимире, если вам нравится такое определение. Никто не знает, существуют ли антимиры, но если существуют и если вам когда-нибудь случится столкнуться с кем-то оттуда в космическом пространстве, не жмите друг другу руки. Вы и ваша антикопия превратитесь в бомбу и немедленно взорветесь. Феерично.[49]
Тем не менее некоторое количество антиматерии вокруг имеется. Даже внутри вас прямо сейчас.
Например, при радиоактивном распаде каждый раз создается некоторая антиматерия, только чтобы аннигилировать с ее сестрой-материей, становясь настолько мощным лучом света, что он обычно выстреливает сквозь ваше тело, но ни вы, ни кто-либо другой даже не замечаете этого.
Ваши глаза не могут видеть таких лучей, потому что, как мы обсуждали ранее, глазам просто не нужно было развивать возможности для их обнаружения. Но то, что не могут увидеть они, получится у технологий – и некоторым сообразительным инженерам удалось превратить данное открытие в эффективные медицинские диагностические и исследовательские инструменты. Например, томографы ПЭТ. Они используются в больницах. ПЭТ расшифровывается как позитронно-эмиссионная томография. Врачи вводят в организм жидкие «индикаторы», являющиеся радиоактивными и излучающими позитроны во время реакции распада. Позитроны аннигилируют со встречающимися на их пути электронами, превращаясь в мощные гамма-лучи, обнаруживаемые вне вашего тела сканером ПЭТ для последующего создания 3D-изображений того, как функционирует ваш организм. Действительно блестящая методика.