Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Шрифт:
Квантовая теория, она же квантовая физика, возникла в 1920-е годы и представляет собой область физики, которая описывает вещество в масштабе атомных и субатомных частиц. Дирак на основании только что установленных законов квантовой физики постулировал, что иногда фантомный электрон «с другой стороны» появляется в нашем мире под видом обычного электрона, и тогда в «море» отрицательных энергий от него остается дырка. Дирак предположил, что эта дырка экспериментально проявится как положительно заряженный антиэлектрон, впоследствии получивший название «позитрон».
У субатомных частиц много измеряемых качеств. Если у какого-то качества может быть противоположное значение, значит, у античастицы это значение будет противоположным, а все остальные – идентичны «оригиналу».
Хотите верьте, хотите нет, а античастица есть даже у нейтрона, у которого нет электрического заряда. Называется она – вы угадали – антинейтрон. И он наделен нулевым зарядом, противоположным нулевому заряду обычного нейтрона.
Это арифметическое чудо объясняется тем, из какого набора дробно заряженных частиц (кварков) состоит нейтрон. Кварки, составляющие нейтрон, обладают такими зарядами: - 1/3 , - 1/3 , + 2/3 , а кварки, составляющие антинейтрон, такими: + 1/3 , + 1/3 , - 2/3 . Каждый набор в сумме дает нулевой заряд, однако, как видите, соответствующие компоненты обладают противоположными зарядами.
Может показаться, будто антивещество берется из ничего. Если у пары гамма-лучей достаточно высокая энергия, они способны взаимодействовать и спонтанно превращаться в пару электрон-позитрон, таким образом превращая очень много энергии в самую чуточку вещества, что и описано прославленной формулой Эйнштейна, выведенной в 1905 году:
Что в переводе на простой человеческий язык выглядит как
а в переводе на совсем простой человеческий язык
На языке первоначальной интерпретации Дирака гамма-лучи вышибают электрон из царства отрицательных энергий, и создается обычный электрон и электронная дырка. Возможно и обратное. Если частица сталкивается с античастицей, они аннигилируют, закрывая дырку и испуская гамма-лучи. Гамма-лучи – это излучение, с которым лучше не связываться. Хотите, докажу? Вспомните Халка, персонажа комиксов, и то, как он стал большим, зеленым и страшным.
Если вам как-то удалось получить немножко античастиц в домашних условиях, у вас возникнут большие сложности с их хранением, поскольку если вы решите положить античастицы в обычный пакетик, бумажный или полиэтиленовый, или в сумку, они сразу аннигилируют. Лучше поступить вот как: заключить заряженные античастицы в сильное магнитное поле, где они будут отталкиваться от магнитных стенок. Если это магнитное поле в вакууме, то аннигиляция с обычным веществом античастицам не грозит.
Подобный магнитный эквивалент бутылки – самое подходящее вместилище и для других веществ, склонных разрушать емкости, куда их помещают, например, для светящегося газа с температурой 100 миллионов градусов, который участвует в экспериментах по термоядерному синтезу (контролируемых). Настоящие трудности с хранением возникают, если создаешь целые (а следовательно, электрически нейтральные) антиатомы, поскольку они при нормальных условиях не отталкиваются от магнитных стенок. Так что лучше всего не смешивать позитроны и антипротоны без крайней необходимости.
Чтобы создать антивещество, нужно по меньшей мере столько же энергии, сколько получишь, когда оно аннигилирует и снова превратится в энергию. Если не запастись заранее полным баком топлива, двигатели на самогенерирующемся антивеществе мало-помалу съедят всю энергию у вашего звездолета. Мне неизвестно, знали ли об этом создатели оригинальной теле– и киноверсий «Звездного пути», но, помнится, капитан Кирк все время требовал «повысить мощность» генераторов вещества-антивещества, а Скотти постоянно отвечал, что двигатели «не сдюжат».
У нас нет
С философской точки зрения я убежден, что свойства макроколичеств антивещества окажутся тождественны свойствам обычного вещества – нормальная гравитация, нормальная упругость, нормальный свет, нормальный биллиард и так далее. К сожалению, из этого следует, что антигалактика, которая окажется на опасно близком расстоянии с Млечным путем и столкнется с ним, будет неотличима от обычной галактики, пока не станет слишком поздно и уже ничего нельзя будет поделать. Однако эта страшная участь, судя по всему, не так уж часто постигает галактики во Вселенной, поскольку, например, если одна-единственная звезда аннигилирует с одной-единственной антизвездой, вещество очень быстро и без остатка превратится в гамма-излучение. Две звезды с массой, примерно равной массе Солнца, в каждой из которых содержится около 1057 частиц), вспыхнули бы с такой яркостью, что система, получившаяся в результате столкновения, временно превзошла бы по выработке энергии все звезды в сотне миллионов галактик. У нас нет убедительных свидетельств того, что подобное случалось хотя бы раз. Так что, насколько мы можем судить, во Вселенной преобладает обычное вещество. Иначе говоря, когда вы отправитесь в очередное межгалактическое путешествие, опасность аннигиляции при разработке правил техники безопасности можно и не учитывать.
И все же равновесия во Вселенной нет, и это нервирует: в момент создания у любой античастицы всегда есть частица-двойняшка, а вот обычные частицы, похоже, прекрасно обходятся без своих античастиц. Может быть, где-то во Вселенной таятся залежи антивещества, которые и отвечают за дисбаланс? Или в первые мгновения существования Вселенной был нарушен какой-то физический закон (либо действовал какой-то неизвестный физический закон) и это навеки перекосило равновесие в пользу обычного вещества? Ответы на эти вопросы мы, возможно, так и не узнаем, но пока что, если у вас во дворе приземляется инопланетный звездолет и оттуда высовывается в приветственном жесте какое-то щупальце, не спешите его пожимать – лучше бросьте ему биллиардный шар. Если щупальце взорвется, значит, инопланетянин, скорее всего, состоял из антивещества. Если нет, налаживайте общение и ведите его к своему командиру.
Часть III
Нравы и обычаи природы
Какой видит природу пытливый ум и почему так получается
Глава одиннадцатая
Как важно быть постоянной
Стоит упомянуть слово «постоянная» – и слушателям сразу приходит на ум супружеская верность либо финансовая стабильность, а может быть, старая пословица, что в жизни нет ничего постоянного, кроме перемен. Между тем у Вселенной есть свои постоянные – неизменные величины, которые постоянно напоминают о себе и в природе, и в математике, числа, чьи значения играют важнейшую роль в научных изысканиях. Одни постоянные – физические, основанные на наблюдениях и измерениях. Другие тоже проливают свет на устройство Вселенной, однако они исключительно численные и происходят из математики как таковой.