«Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, - фраза, возвещающая о новых открытиях, - вовсе не «Эврика!», а «Вот забавно...».»

Айзек Азимов

«Первопроходца всегда можно узнать по стрелам в спине»

Беверли Рубик

В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны», который предшествовал его же «Коду да Винчи», действие сосредоточено вокруг заговора небольшой группы экстремистов-«иллюминатов»; заговорщики хотели взорвать Ватикан бомбой из антивещества, выкраденного из ядерной лаборатории CERN недалеко от Женевы. Заговорщики знают, что результатом соприкосновения вещества и антивещества должен стать грандиозный взрыв, во много раз более мощный, чем взрыв водородной бомбы. И хотя бомба из антивещества — плод фантазии автора, само по себе антивещество вполне реально.

Эффективность атомной бомбы, несмотря на всю ее жуткую мощь, составляет всего около 1%. В энергию переходит лишь крохотная часть массы урана. А вот бомба из антиматерии, если бы такую удалось создать, превращала бы в энергию 100% своей массы, и потому была бы гораздо более эффективной, чем атомная бомба. (Точнее, в «полезную» взрывную энергию в такой бомбе превратилось бы около 50% вещества; оставшаяся часть массы была бы унесена в пространство почти необнаружимыми частицами — нейтрино.)

Долгое время антивещество находилось в фокусе общественного и научного интереса. Хотя бомбы из антивещества по-прежнему не существует, физики научились создавать небольшие порции антивещества для изучения при помощи мощных ускорителей.

В начале XX в. физики поняли, что атом состоит из заряженных элементарных частиц, и электроны (отрицательно заряженные частицы) обращаются вокруг крохотного ядра (имеющего положительный заряд). Ядро, в свою очередь, состоит из протонов (носителей положительного заряда) и нейтронов (которые электрически нейтральны).

В начале 1950-х гг. физика пережила настоящий шок. Связано это было с пониманием того, что для каждой частицы существует парная к ней античастица — точно такая же частица, но с противоположным зарядом. Первым был открыт положительно заряженный антиэлектрон (получивший название позитрон). Позитрон во всем идентичен электрону, но заряд при этом имеет положительный. (Трек, или след, позитрона очень легко увидеть в камере Вильсона. В мощном магнитном поле пролетающие позитроны отклоняются в противоположном направлении по отношению к обычным электронам.

В 1955 г. на ускорителе частиц Университета Калифорнии в Беркли — «Беватроне» — был получен первый антипротон. Как и ожидалось, он оказался полностью идентичен протону, за исключением того, что заряжен отрицательно. Это означает, что в принципе можно создать антиатом (где вокруг антипротонного ядра будут обращаться позитроны). Более того, теоретически возможно существование всех антиэлементов, антихимии, антилюдей, антиземель и даже антивселенных.

К настоящему моменту ученым удалось создать крошечные порции антиводорода на гигантском ускорителе в CERN и в Лаборатории имени Ферми неподалеку от Чикаго. (Для этого пучок высокоэнергетических протонов при помощи мощного ускорителя направляют на мишень, создавая таким образом беспорядочный поток осколков атомов. Мощные магниты выделяют из этого потока антипротоны, которые затем замедляют до очень низких скоростей и затем подвергают действию позитронов, которые естественным образом излучает натрий-22. Если позитрон, он же антиэлектрон, начинает обращаться вокруг антипротона, возникает атом антиводорода — ведь атом водорода состоит из одного протона и одного электрона.) В чистом вакууме такие антиатомы могут существовать вечно. Но стенки сделаны из обычного вещества, да и примесей избежать невозможно, так что рано или поздно антиатомы сталкиваются с обычными атомами и аннигилируют с высвобождением энергии.

В 1995 г. CERN произвел настоящую сенсацию — объявил о создании девяти атомов антиводорода. В принципе ничто — кроме, разумеется, запредельно высокой цены — не мешает нам создавать атомы более тяжелых антиэлементов. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. В настоящее время уровень производства антивещества в мире составляет от одной миллиардной до одной десятимиллиардной грамма в год. К 2020 г. это количество, возможно, утроится. Экономическая сторона производства антивещества выглядит весьма неприглядно. В 2004 г. несколько триллионных грамма антивещества обошлась CERN в 20 млн долл. При таких темпах производство 1 г антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы фабрики! Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.

«Если бы мы могли собрать все произведенное нами антивещество и аннигилировать его с веществом, — говорится в заявлении CERN, — мы получили бы достаточно энергии, чтобы одна электрическая лампочка могла гореть несколько минут».

Обращаться с антивеществом чрезвычайно сложно — ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв. Поместить антивещество в обычный контейнер равносильно самоубийству — как только оно соприкоснется со стенками, произойдет взрыв. Вообще, как можно обращаться с такой чувствительной субстанцией? Единственный способ — предварительно ионизировать антивещество, превратив его в ионный газ, а затем надежно запереть в «магнитную бутылку», где магнитное поле не даст ему соприкоснуться со стенками.

Если мы хотим построить двигатель на антивеществе, нам нужно будет обеспечить постоянную подачу его в рабочую камеру; там антивещество будет аккуратно входить в соприкосновение с веществом, рождая управляемый взрыв — примерно такой же, какой происходит в ракете с химическим двигателем. Ионы, возникшие в процессе взрыва, будут затем выбрасываться через сопло двигателя, придавая ракете поступательное движение. Двигатель на антивеществе весьма эффективно превращает материю в энергию, поэтому теоретически это самый соблазнительный тип двигателя для звездолетов будущего.

Физик Джеральд Смит из Университета штата Пенсильвания — один из самых ярых сторонников кораблей на антивеществе. Он считает, что, не заглядывая слишком далеко вперед, всего лишь 4 мг позитронов будет достаточно, чтобы доставить корабль с соответствующим двигателем на Марс всего за несколько недель. Смит отмечает, что антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо.

Первым делом при производстве топлива-антивещества должно стать получение в ускорителе частиц потока антипротонов и «складирование» их в ловушке Пеннинга, которую разрабатывает в настоящий момент Смит. Предполагается, что готовая ловушка Пеннинга будет весить 100 кг (большую часть из которых должны составлять жидкие азот и гелий) и сможет вместить около триллиона антипротонов, удерживая их в магнитном поле. (При очень низких температурах длина волны антипротонов в несколько раз больше длины волны атомов, из которых состоит стенка контейнера, поэтому антипротоны в большинстве случаев будут отражаться от стенки без аннигиляции.) Смит утверждает, что антипротоны в ловушке Пеннинга можно будет хранить около пяти суток (до использования, т.е. до смешивания с обычными атомами и аннигиляции). Ожидается, что его ловушка вместит примерно одну миллиардную грамма антипротонов. Цель Смита — создать ловушку Пеннинга, способную удерживать до 1 мкг, т. е. до одной миллионной доли грамма, антипротонов.

Хотя антивещество продолжает оставаться самой дорогостоящей субстанцией на Земле, его цена год от года резко падает (по сегодняшним ценам грамм антивещества стоил бы примерно 62,5 трлн долл.). В Лаборатории имени Ферми под Чикаго строится новый инжектор частиц, который должен увеличить производство антивещества в лаборатории в десять раз, с 1,5 до 15 нг в год, что тоже должно существенно снизить цены. Тем не менее Гарольд Герриш из NASA считает, что с дальнейшим усовершенствованием технологии цена вполне может снизиться до 5000 долл. за микрограмм. Доктор Стивен Хау из компании Synergistic Technologies в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, утверждает: «Наша цель — перевести антивещество из недостижимой сферы научной фантастики в открытую для коммерческого использования сферу транспортных и медицинских приложений».

До сих пор для получения антипротонов используются ускорители, которые разрабатывались в свое время как инструменты для научных исследований, а не как фабрики по производству антивещества; поэтому они, естественно, очень неэффективны. Именно поэтому Смит мечтает о строительстве нового ускорителя частиц, специально разработанного для производства значительного количества антипротонов; появление такой специализированной фабрики сразу снизило бы цену.

Смит мечтает о том, что когда-нибудь, когда дальнейшие технические усовершенствования и массовое производство помогут снизить ее еще сильнее, ракеты на антивеществе станут рабочими лошадками межпланетного, а возможно, и межзвездного сообщения. Пока же их проекты остаются только на бумаге.

Антивещество - материя, состоящая из античастиц. Ядра атомов антивещества "построены" из антинуклонов, а внешняя оболочка - изпозитронов. Возможность существования антивещества следует из инвариантности законов природы относительно преобразования CPT (см. Теорема CPT). Вследствие инвариантности сильного взаимодействия относительнозарядового сопряжения (C-инвариантности) ядерное взаимодействие между антинуклонами в точности совпадает с соответствующим взаимодействием междунуклонами, что обеспечивает существование ядер из антинуклонов ("антиядер"). Антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов.Электрические заряды и магнитные моменты антиядер равны по величине и противоположны по знаку электрическим зарядам и магнитным моментам соответствующих ядер. Вследствие C-инвариантности электромагнитного взаимодействия электромагнитные переходы в ядрахвещества и антивещества совпадают. Электромагнитное взаимодействие позитронов и ядер антивещества должно приводить к образованию связанных состояний - атомов антивещества, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру. Вследствие CP-инвариантности слабого взаимодействия обусловленное им смешивание атомных или ядерных состояний с противоположной четностью одинаково для вещества и антивещества.

Столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит каннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц. Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов -мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов 70 МэВ.

Атомы антивещества пока не наблюдались. В экспериментах на ускорителях были зарегистрированы события образования легких антиядер в столкновениях адронов, В 1965 группа американских физиков под руководством Л.М.Ледермана (L.М.Lederman) наблюдала события образования ядер антидейтерия, в 1970 на протонном синхротроне Института физики высоких энергий в Протвино (близ г. Серпухов) группа советских физиков под руководством Ю.Д.Прокошкина зарегистрировала несколько событий образования ядер антигелия-3.

На Земле, в Солнечной системе и в непосредственно окружающем Солнечную систему космическом пространстве отсутствует сколько-нибудь заметное количество антивещества. Наблюдаемые в космических лучах позитроны и антипротоны можно объяснить их рождением при столкновениях частиц высоких энергий без привлечения гипотез о существовании макроскопических областей антивещества. В пользу этого указывает и отсутствие ядер антивещества в космических лучах. Непосредственное астрономическое наблюдение удаленного космического объекта из-за тождественности спектров электромагнитного излучения атомов вещества и антивещества не позволяет установить, состоит этот объект из вещества или антивещества. Астрономические проявления звезд из вещества и звезд из антивещества должны быть одинаковыми. Однако при наличии звезд из антивещества различные механизмы потери массы звездами приводили бы к появлению антивещества вмежзвездной среде и его аннигиляции с межзвездным газом. Отсутствие интенсивного гамма-излучения, которое должно было бы наблюдаться при такой аннигиляции, налагает жесткое ограничение на концентрацию антивещества в галактиках (меньше 10^-15 от концентрациивещества) и в скоплениях галактик (меньше 10^-6 от концентрации вещества), т. е. наблюдательные данные гамма-астрономии указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающем нас космическом пространстве вплоть до ближайшего скопления галактик.

Необходимость объяснить отсутствие сильного смешивания вещества и антивещества в космических масштабах, меньших скоплений галактик, является существенной трудностьюкосмологических моделей, предполагающих равное количество вещества и антивещества воВселенной. С другой стороны, анализ космологических следствий калибровочных теорийвеликого объединения взаимодействий, предсказывающих процессы с несохранениембарионного числа, показывает, что неравновесные эффекты нарушения CP-инвариантности в таких процессах на очень ранних стадиях эволюции Вселенной (до первой секунды расширения) могли привести кбарионной асимметрии Вселенной к преобладанию во Вселенной вещества. Однако возможность существования макроскопических областей антивещества не является пока окончательно исключенной наблюдениями. Такую возможность допускают и некоторые модели великого объединения со спонтанным нарушением CP-инвариантности, которые предсказывают существование макроскопических областей с преобладанием антивещества.

Проверка существования звезд из антивещества может быть в принципе осуществлена средствами нейтринной астрономии. Образование нейтронных звезд сопровождается превращением электронов и протонов в нейтроны с испусканием электронных нейтрино. В звездах из антивещества соответствующий процесс является источником электронных антинейтрино. Поэтому регистрация потоков космических антинейтрино с временными и энергетическими характеристиками, ожидаемыми для потоков нейтрино, образующихся пригравитационном коллапсе в нейтронную звезду, служило бы указанием на образование антинейтронных звезд. Более точная информация о том, происходила ли аннигиляция антивещества в ранней Вселенной, может быть получена из анализа ее возможного влияния на химический состав вещества, наблюдаемый в наше время. Экспериментальный базис такого анализа составляют проводимые в ЦЕРНе с 1983 эксперименты советских и итальянских ученых по исследованию взаимодействия антипротонов с легкими ядрами.

Галактика истекает антивеществом