Виктор де Касто - PRO Антиматерию
В 2002 году об Антипротонном Деселераторе заговорили снова после того, как в результате еще одного эксперимента под названием ATRP (а-ловушка) впервые удалось получить десятки тысяч атомов антиводорода. Этого количества достаточно, чтобы ученые смогли приступить к изучению газа из антиматерии. Экспериментаторы, участники проекта ATHENA, увидели первые четкие сигналы, свидетельствующие о существовании антиводорода, в августе 2002 года – как раз когда праздновалось 100 лет со дня рождения Поля Дирака. Через месяц участники проекта ATRAP объявили о том, что впервые заглянули внутрь антиатома. В 2011 году было объявлено, что участники эксперимента ALPHAA смогли семь раз сохранять антиатомы на протяжении 1000 секунд. Если удастся сохранять большее количество антиатомов большее количество времени, то это откроет возможности для измерений свойств антиводорода. Ученые надеются, что в конце концов станет возможно сравнить, как водород и антиводород ведут себя в электромагнитных и гравитационных полях. Любое различие между материей и антиматерией, независимо от того, насколько оно мало, будет иметь глубокие последствия для нашего понимания природы и Вселенной. Однако потребуется произвести гораздо большие количества антиатомов – в миллиарды раз большие – и также научиться их хранить, если мы хотим получать полезную энергию из антиматерии и воплотить в жизнь мечты о космических путешествиях. Лучшей фабрикой антиматерии на нашей планете в настоящее время является Антипротонный деселератор.
* **Также в этой книге мы не можем не рассказать про «Фермилаб», которую также уже неоднократно упоминали, – Национальную Ускорительную Лабораторию имени Энрико Ферми, которая расположена недалеко от Чикаго, в штате Иллинойс, США. Это лаборатория Министерства энергетики США, она специализируется на исследованиях в области физики высоких энергий, астрофизике и ускорительных технологиях.
Решение о строительстве ускорительной лаборатории было принято в 1967 году президентом США Линдоном Джонсоном. В 1974 году ее назвали в честь Энрико Ферми, выдающегося итальянского физика, основателя научных школ в Италии и США, которого мы тоже упоминали. Первым директором стал Роберт Уилсон, известный физик и участник Манхэттенского проекта.
В настоящее время Фермилаб занимается коллайдерными экспериментами, экспериментами с фиксированной мишенью, с нейтрино, астрофизическими опытами и наблюдательными проектами, у нее есть свои ускорительные программы. Самая известная исследовательская установка Фермилаб – коллайдер Теватрон, который закончил свою работу 30 сентября 2011 года. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 6,28 км. На 1 января 2007 года этот коллайдер был ускорителем с самой большой в мире энергией пучков частиц и светимостью, но позднее, в 2009 году, уступил первенство Большому адронному коллайдеру.
Следующий крупнейший в мире коллайдер может быть построен в Фермилаб – если удастся решить вопрос с финансированием. Главной заявленной целью является разработка и строительство электрон-позитронного коллайдера, но маловероятно, что это произойдет в ближайшие годы. Конгресс США (а Фермилаб финансируется из американского бюджета, в отличие от ЦЕРН, средства на которую выделяют все страны-участники) сократил финансирование в четыре раза, уже уволено около ста сотрудников и предстоит очередное сокращение персонала. Так что прорывов в изучении антиматерии скорее следует ожидать от ЦЕРН.
Странное поведение странных частиц
Швейцарский физик Эрнест Штекельберг, работая в нейтральной Швейцарии во время Второй мировой войны, когда в других частях Европы шли ожесточенные бои, высказал предположение, что античастицу можно рассматривать как частицу, путешествующую во времени назад. Идея Штекельберга была опубликована в одном малоизвестном швейцарском журнале в 1941 году, и в то время, конечно, мало кто обратил на нее внимание, в особенности в международных масштабах. Через восемь лет такую же идею высказал Ричард Фейнман, о котором мы рассказывали выше. Война к тому времени закончилась, Фейнман был известным ученым и смог донести свою идею до широких слоев общественности. Штекельберг считал себя обделенным. Но когда его спросили, почему он не опубликовал соответствующие статьи в крупнейших журналах или хотя бы американском Physical Review, который читают по всему миру, он отвечал, что шла война, и он не смог найти художника, который должным образом нарисовал бы необходимые графики и диаграммы, которые требовались для представления идеи. Напоминаем, что компьютеров в те времена не было, но все равно слова о необходимости привлекать художника звучат странно. Ведь требовалось нарисовать несколько прямых линий, соединенных кривыми. Но все равно похоже, что мы должны считать Штекельберга автором идеи о том, что античастицы – это частицы, путешествующие во времени назад.
В сознании тут же возникают образы по-настоящему экзотической антиматерии. Мы смотрим на позитроны и думаем, что это электроны, прибывшие из будущего. Определенно, время не может идти в обратном направлении и проявляться через то, что мы называем антиматерией. Миры из антиматерии не проходят сквозь наш, появляясь из будущего вместе с античужими, которые каждый антидень становятся все моложе и моложе вместо старения. Чтобы посмотреть, как антиматерия и обратный ход времени связаны с материей, нам вначале нужно понять, как базовые законы физики соотносятся со временем и как появилось наше восприятие времени.
Для больших кусков материи, включая живых существ, время – это иллюзия, включающая законы случайности, которые применяются к большим количествам атомов. Цветы вянут, наши тела стареют, из яиц вылупляются птенцы, и яйца при этом не могут собраться назад. Когда порядок превращается в беспорядок в широком смысле, возникает интуитивное ощущение течения времени, и эта концепция совсем не является очевидной после того, как посмотришь на фундаментальные законы физики.
Движением на любых уровнях и в любых масштабах, от планет до бильярдных шаров, управляют законы Ньютона, которые не проводят различий между будущим и прошлым. Если бы нам удалось заглянуть в прошлое и посмотреть, как там планеты двигались по орбитам вокруг Солнца, это движение оказалось бы ничем не отличающимся от того, что мы наблюдаем сегодня. Если посмотреть на движение планет в зеркале, то оно тоже будет точно таким же. То есть законы Ньютона неизменны и постоянны, даже если к ним применить обратный ход времени или зеркальную симметрию. Базовые уравнения работают независимо от того, в какую сторону вы пустите часы.
Отдельные атомы совершенно не волнует, в какую сторону направлена стрела времени, но их взаимодействия, в результате которых они перестраиваются и их переносит с места на место, дают наборы атомов, в которых, вероятно, может наблюдаться беспорядок и дезорганизация. Это происходит потому, что есть и другие возможные варианты: атомы должны быть соединены только одним определенным образом, чтобы получилось яйцо, но если оно разобьется, есть бесчисленное количество вариантов кусочков и того, как они упадут.
В качестве простого примера приведем бильярд. Десять шаров аккуратно выкладывают треугольником. Происходит первый удар – и порядок нарушается. Можно сказать, что каждая бильярдная партия уникальна на этом этапе, потому что есть множество вариантов движения шаров после первого удара. Нельзя сосчитать количество мест, где они могут оказаться. Возможно, хотя и маловероятно, что в результате первого удара игрок не попадет по сложенным шарам, и шар, которым били, вернется в то место, с которого начиналась игра. В таком случае, если вы смотрите запись на пленке, вы не можете сказать, видите ли вы реальное событие или время пошло вспять. При этом вы можете определить, если перед вами пленка прокручивается в обратном направлении, потому что разлетевшиеся после удара шары не склонны сами возвращаться на место и аккуратно выстраиваться равносторонним треугольником.
Беспорядка среди всего десяти бильярдных шаров достаточно для того, чтобы показать стрелу времени. В случае макроскопических предметов в дело вовлечено такое количество атомов, что не остается вообще никаких сомнений. Однако для отдельных элементарных частиц внутри атомов стрела времени потеряна – как в игре в снукер, где используются только два шара. В конце игры на столе оказываются только черный и белый шары. Но если окрасить оба шара в белый цвет, вы не сможете сказать, просматривая запись игры, крутится ли пленка вперед или назад. Точно также и на уровне отдельных электронов, протонов и даже атомов законы не волнует движение времени.
Для этих отдельных электрически заряженных частиц вы можете сделать еще одну вещь: воспроизвести время, посмотреть в зеркало и так же перенести знак электрического заряда в другое место. То, что вы получите в конце, будет вести себя точно так же, как то, с чем вы начинали. Продолжая аналогию с черным и белым шарами при игре в снукер, если вы поменяете черный и белый цвета, то вы тоже не сможете отличить реальность от противоположной или обратной реальности. Это и есть симметрия между материей и антиматерией, между электроном и позитроном. Механика электронов и их реакция на силы идентична механике и реакциям позитронов, если смотреть на них в зеркало и «проигрывать» в обратном направлении. Таким образом электрические токи с позитронами циркулируют против часовой стрелки в Большом электрон-позитронном коллайдере так же, как электрические точки с электронами циркулируют по часовой стрелке, если смотреть фильм, в котором время обращено вспять. В таком смысле позитрон ведет себя, как электрон, идущий назад во времени.
