65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Еще одну черную дыру с аккреционным диском очень красочно изобразили в фильме «Интрестеллар». Там, конечно же, изображена не настоящая черная дыра, но очень точная компьютерная модель. И это очень хорошая иллюстрация еще одного эффекта ОТО – гравитационного линзирования.
Рис. Компьютерная модель эффекта гравитационного линзирования, благодаря которому оказывается видна задняя часть аккреционного диска.
Почему же в фильме нам показывают не один аккреционный диск, расположенный в горизонтальной плоскости, а целых два? Откуда у черной дыры возникает второй диск, расположенный вертикально? На самом деле это один и тот же горизонтальный диск. Просто из-за экстремально сильного искривления пространства задняя часть этого диска, которая должна быть скрыта от нас самой черной дырой (горизонтом событий), становится видна сверху и снизу.
В ХХ веке после открытия первых элементарных частиц (протонов и электронов) физики начали активно изучать их свойства, а также то, что происходит с частицами, если их разогнать до достаточно высоких энергий. И тут выяснилось, что на высоких скоростях частицы ведут себя совсем не так, как предсказывала обычная квантовая механика: при столкновениях могут рождаться новые, неизвестные ранее частицы. Эти новые частицы в свою очередь через довольно короткий промежуток времени распадаются, испуская еще какие-то частицы. Всё это выглядело очень обескураживающе. Неужели внутри протонов и электронов могут находиться еще какие-то частицы? Или они рождаются в момент столкновения? И почему продукты распада и виды рождающихся частиц зависят от того, с какой скоростью мы их столкнули? Сколько еще типов частиц существует в природе и как они связаны друг с другом? На эти вопросы не смогли дать ответы ни квантовая механика, ни теория относительности. Поэтому физикам пришлось разработать новый радел физики – квантовую теорию поля – для описания всех этих взаимодействий и превращений частиц.
Часть 6
Квантовая теория поля
Вопрос 55. Что такое антиматерия?
После создания квантовой механики и теории относительности, а также целого ряда успешных экспериментов по подтверждению правильности предсказаний этих двух теорий, физики задались вопросом: а можно ли объединить оба подхода и построить релятивистскую квантовую теорию или, как ее теперь называют, квантовую теорию поля? Первым такую попытку совершил британский физик-теоретик Поль Дирак (1902–1984), предложивший в 1928 году релятивистскую теорию электрона. В своей статье «Квантовая теория электрона» Дирак впервые сформулировал одно из самых известных в квантовой теории поля уравнений, носящее с тех пор его имя. Обычное квантовое уравнение Шрёдингера является нерелятивистским[101], т. е. оно неприменимо для описания частиц, движущихся с большими скоростями (близкими к скорости света). Поэтому Дираку пришлось несколько его модифицировать, сделав так, чтобы координаты и время входили в него в некотором смысле равноправно, поскольку в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга. При помощи уравнения Дирака удалось получить более точное описание тормозного излучения электронов[102], рассеяния фотона на электроне (так называемый эффект Комптона), энергетических уровней атома водорода[103] и некоторых других важных явлений.
Но была у уравнения Дирака одна странность. Оно давало не одно, а целых два решения. Первое решение отлично описывало поведение электрона, а вот второе соответствовало какой-то новой, еще не известной частице – масса, спин и все другие характеристики которой были в точности такие же, как у электрона, а вот электрический заряд был положительным, а не отрицательным. Поскольку протон (единственная известная на тот момент положительно заряженная частица) на эту роль не подходил, то Дирак попытался как-то исключить это «лишнее решение», придумывая разные модели, наподобие «моря Дирака» – гипотетического пространства, заполненного ненаблюдаемыми электронами. Если этому «морю» сообщить достаточно энергии, то из него можно «выбить» реальный электрон. А на его месте в «море» образуется пустое состояние – «дырка», которое будет вести себя как частица с противоположным электрическим зарядом. Однако дальнейший анализ показал, что у идеи «моря электронов» есть масса математических противоречий, не говоря уже о физических (ведь если в этом море бесконечное число электронов, то почему его суммарный электрический заряд равен нулю?).
Так что физики-экспериментаторы занялись поисками новой частицы. И через несколько лет подходящая частица была открыта. В начале 1930‐х годов американский физик Карл Андерсон (1905–1991) изучал космические лучи – потоки частиц, прилетающих к нам на Землю из космоса. Андерсон обнаружил в этом потоке частицу, в точности совпадающую по всем параметрам с электроном, но имеющую положительный электрический заряд. Эту частицу Андерсон назвал позитроном[104].
Впоследствии выяснилось, что у всех элементарных частиц существуют такие античастицы, обладающие точно такими же характеристиками, но противоположными зарядами: у протона существует антипротон, у нейтрона – антинейтрон и т. д. При этом все они существуют не в каком-то параллельном мире или абстрактном «море Дирака», а в этом же самом, в котором живем и мы с вами. Образуются эти античастицы в результате различных столкновений (например, при столкновениях космических лучей с атмосферой Земли, а также в ускорителях элементарных частиц) или в определенных ядерных реакциях.
Но почему же тогда мы вокруг себя наблюдаем в основном обычную материю, а антиматерия встречается чрезвычайно редко? А дело тут в одной очень важной особенности антиматерии: при встрече частиц с античастицами происходит аннигиляция, их взаимное уничтожение и превращение в чистый свет или чистую энергию. А точнее – в два фотона или два гамма-кванта высоких энергий (поскольку фотон не имеет электрического заряда и является античастицей самому себе). Либо, если частица и античастица имеют достаточно высокую энергию, то в результате аннигиляции могут возникнуть протон и антипротон или какие-то другие более экзотические частицы, о которых мы поговорим позже. Поэтому, даже если где-то на Земле появляется какая-нибудь античастица, то живет она очень недолго – до тех пор, пока не встретится с какой-то обычной частицей и не аннигилирует.
Тем не менее ученые научились получать антиматерию в своих лабораториях, чтобы более детально исследовать ее свойства. И оказалось, что в антиматерии нет ничего мистического. Это точно такое же вещество, как и привычные нам протоны и электроны, но только с противоположными зарядами. Более того, если взять антипротон и «закрутить» вокруг него антиэлектрон (позитрон), то получится атом антиводорода[105], обладающий точно такими же свойствами, что и обычный водород. У него будет точно такой же спектр
