Как устроен этот мир

Ансельм Алексей Андреевич

4. ЧЕМ ОПАСНО АНТИВЕЩЕСТВО

(20 июня 1995)

В британских газетах промелькнуло сообщение о том, что американцы значительно продвинулись в создании антивещества. По счастью, в Лондоне оказался проездом профессор Алексей Андреевич Ансельм из Петербургского института ядерной физики. Мы попросили его рассказать, что такое антивещество и чем оно нам грозит.

– Честь открытия антивещества принадлежит английскому физику Полю Дираку. Он занимался чисто теоретической работой, пытаясь объединить два краеугольных учения физики, которые возникли в начале двадцатого века: теорию относительности и квантовую механику. И вот в 1928 году Дирак пришел к заключению, что стыковка этих двух замечательных достижений подразумевает существование антиэлектрона, частицы с положительным электрическим зарядом. Ему не поверили. В превосходной книжке Вольфганга Паули тех

лет, книжке, которую и сейчас можно использовать в качестве учебника по квантовой механике, идея о существовании позитрона названа дикой. Там говорится, что в теории Дирака вообще все плохо, концы с концами не сходятся. Поразительно, как в такой умной книге, вышедшей буквально за несколько месяцев до экспериментального открытия позитрона, Паули вот так просто отвергает даже саму такую возможность. Но вот антиэлектрон (позитрон) был обнаружен экспериментально. Произошло это тоже в Англии. Дальше выяснилось, что практически каждая частица имеет античастицу, которая имеет не только противоположный знак электрического заряда, - она имеет все заряды другие. Кроме электрического заряда физика оперирует еще многими, и вот в античастице все они имеют противоположный знак. А важнейшее свойство античастицы состоит в том, что при столкновении с частицей они аннигилируют, превращаются в фотоны.

– Очевидно, антивещества очень малo, иначе бы мы все давно превратились в фотоны?

– Действительно, этого вопроса не обойти... Но дело в том, что в общем теория устроена совершенно симметрично по отношению к частицам и античастицам: электрон ничем не лучше позитрона и позитрон ничем не лучше электрона. А тем не менее, вокруг одни сплошные электроны - и никаких позитронов. Поэтому кажется, что имеет место вопиющая асимметрия между частицами и античастицами. Лишь совсем недавно мы осознали, что асимметрия есть, но она очень маленькая - имеет, как говорят физики, степень десять в минус десятой. Хотя в нашем мире не видно позитронов и антипротонов, он заполнен не одними электронами и протонами. В нем еще имеется очень много этих самых фотонов, или гамма-квантов, или частиц электромагнитного излучения, которые, как мы сейчас понимаем, возникли из-за того, что когда-то как раз и произошла гигантская аннигиляция между почти равным числом электронов и позитронов. Сравнивая число существующих гамма-квантов с числом существующих электронов, мы видим, что первых - в десять в десятой степени раз больше. То есть на самом деле осталась совершенно ничтожная часть...

– Тут можно спросить: почему же перевелись позитроны, a не электроны...

– Это очень интересный вопрос, это один из самых жгучих вопросов современной теоретической физики. Существуют десятки и сотни работ на эту тему. И в основе всех этих работ лежит классическая работа Андрея Дмитриевича Сахарова.

– Но где гарантия, что Вселенная абсолютно однородна по этому принципу? Что в любом уголке Вселенной, где бы мы ни произвели пробу, всюду будет одна и та же степень асимметрии, всюду будут преобладать электроны? Может, где-то - не так, как у нас, а как раз наоборот...

– Это - третий вопрос. Вы задаете вопросы в очень правильном, мне кажется, порядке. Ответа на этот третий вопрос нет. В крохотном уголке Вселенной, который мы обследовали, мы действительно видим одни электроны и никаких позитронов. Но вопрос о том, что в других частях Вселенной всё может быть наоборот, в конце концов, открыт. В связи с этим я вспоминаю вот что. Я проработал всю первую часть своей жизни в Физико-техническом институте в Ленинграде, и этот ваш вопрос поднял тогдашний его директор Борис Павлович Константинов. Помню, однажды он собрал ведущих сотрудников института и начал со стихов:

Господа! если к правде святой

Мир дороги найти не умеет, -

Честь безумцу, который навеет

Человечеству сон золотой!

– Это Беранже в переводе Курочкина, если я не ошибаюcь?..

– Совершенно верно... И после этого он спросил: откуда мы, собственно, знаем, что даже довольно близкие космические объекты не состоят из антивещества? Вопрос был поднят и стал изучаться. В Физико-техническом институте был открыт огромный астрофизический отдел, и хотя антивещества этот отдел не открыл, но сделал много полезного и открыл много разных других интересных вещей. На сегодня во всех тех случаях, где есть хоть какая-то возможность проверить, имеем мы дело с веществом или антивеществом, каждый раз мы убеждаемся в том, что это вещество, а никакое не антивещество. Конечно, если бы природа просто подарила нам кусочек антивещества, как этого хотел Борис Павлович Константинов, то возможности для исследования открылись бы большие. Тогда тотчас встал бы вопрос о том, как держать это антивещество, чтобы оно тут же не проаннигилировало с окружающим миром.

– Наверное, в магнитной ловушке?

– Конечно, в магнитной ловушке, и Борис Павлович этих магнитных ловушек сразу предложил штук десять... это, как говорится, не бог весть какая трудная вещь. Техническая проблема на сегодня состоит в том, чтобы сделать

антивещество, а не в том, чтобы его потом хранить. Сделать же его очень трудно, конструируют антивещество буквально частица за частицей. Несколько атомов уже сделано, но это - именно считанные атомы, и прикладного, технического значения они в таком виде не имеют. Дойдет ли когда-нибудь дело до технических приложений антивещества, сказать трудно, - но в любом случае, мне кажется, это дело очень далекого будущего. Но, разумеется, если бы антивещество удалось создать, то, так сказать, по топливной калорийности ничего лучшего нельзя было бы вообразить. Судите сами. В ходе цепной ядерной реакции, в реакторе или при взрыве бомбы, только доли процента массы превращаются в энергию, а при аннигиляции - все сто процентов! Тут просто ничего не остается...

– КПД - единица?

– Да! Большего КПД не бывает. Это - страшно. Вообразите, что появился кусочек антивещества. Вы его помещаете в магнитную ловушку и кладете в портфель. Представляете себе, какая находка этот портфель для террористов! Ужас... К счастью, этого кусочка антивещества нет и в ближайшее время не предвидится.

5. ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ

(10 сентября 1996)

Общая теория относительности утверждает, что время течет по-разному в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга с ускорением. Чем больше ускорение, тем больше сокращается время. Иллюстрацией этому служит знамeнumый парадокс близнецов. Два генетически нeoтлuчuмыx близнеца расстаются: один отправляется в космос, а другой остается на Земле. Когда первый возвращается, он еще молод, в то время как его брат - старик. Время объективно текло для них по-разному. Ускорение способствовало молодости.

Недавно это положение, хотя его никто не оспаривает, решили зачем-то экспериментально проверить сотрудники телевизионной программы Би-Би-Си "Горизонт". Для этого они слетали за океан и обратно с невероятно точным хронометром в руках, который отсчитывает время на основе длины волны, испускаемой атомом цезия. С ними были ученые из Британской Национальной физической лаборатории. Целью телевизионщиков было преодолеть общественное недоверие к теории относительности. Ученые ставили себе более скромную, но практическую задачу: опытным путем уточнить запаздывание навигационных сигналов со спутников. Как и следовалo ожидать, теория оказалась верна: полетавший хронометр отстал на 40 наносекунд сравнительно с оставшимся на земле. Прокомментировать эту экспедицию мы попросили профессора Алексея Андреевича Ансельма.

– Я думаю, здесь присутствует элемент популяризации чего-то другого... Летать с хронометром в Канаду, право же, не стоило. Это явление ежедневно наблюдается в сотнях лабораторий мира. Состоит оно вот в чем. Имеются элементарные частицы с определенным временем жизни. Скажем, какой-нибудь мю-мезон, живущий ровно одну микросекунду. Столько они живут, если неподвижны. Срок жизни мю-мезона предсказан теоретически. А на практике мы обычно получаем эти мю-мезоны быстро двигающимися. И тут выясняется, что идентичные мю-мезоны, более похожие друг на друга, чем любые близнецы, живут разное время жизни: тот, который двигается быстрее, живет дольше. Количественно это удлинение времени жизни совершенно точно описывается формулой Эйнштейна, которую он вывел много десятилетий тому назад. И то, что время жизни у частиц оказывается разным, это и есть экспериментальная проверка положения Эйнштейна об удлинении времени в движущейся системе координат.

– И, как я вижу, проверка совершенно рутинная...

– Она совершенно рутинная, да. Поэтому вряд ли нужно было проверять это вместо мю-мезонов на каких-то макроскопических часах. Ничего нового в фундаментальную науку это не привносит. Таков один уровень понимания вопроса, и мне кажется, что никакого парадокса здесь еще нет: что предсказывает теория, то подтверждает эксперимент. Теперь возьмем двух генетически совершенно идентичных близнецов. Один из них отправился в космос, летал очень долго, прилетел, и вдруг обнаруживает, что для его брата, который оставался на Земле, прошло, скажем, тридцать лет, в то время как для него - год. Парадокс здесь вот в чем. Летавший близнец может сказать: "Я летал по отношению к брату не в большей мере, чем он - по отношению ко мне. Движение относительно. Ничего неподвижного в пространстве нет. Вот я и говорю: он, мой близнец, улетел от меня вместе со всей Землей, а потом прилетел обратно, - почему же состарился он, а не я?" Чтобы разрешить парадокс, необходимо точно указать, где асимметрия в этой задаче: почему летавший - действительно летал. Асимметрия вот в чем: летавший близнец, чтобы эту задачу замкнуть, должен был в какой-то момент времени развернуться и полететь обратно. Все то время, что он летел туда, любое сколь угодно длинное время, - если, конечно, он летел со скоростью близкой к постоянной, - он старел совершенно так же, как его брат, оставшийся на Земле. Две инерциальные системы координат абсолютно равноправны. Но вот когда он поворачивал, ему пришлось включить ускорение.