65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Однако в этой простой схеме есть одно важное допущение: всё это будет возможно только при условии, что антивещество никак не соприкасается с обычным веществом. То есть чтобы вскипятить антиводу, вам нужно будет налить ее в кастрюлю или чайник, также состоящие из антивещества. Иначе, если вы решите налить эту антиводу в обыкновенный чайник или кастрюлю, то частицы и античастицы, из которых они состоят, аннигилируют, и вы получите вспышку, сравнимую со взрывом атомной бомбы, – ведь вся масса антиводы и кастрюли превратится в огромное количество чистой энергии. Поэтому получение антиматерии в земных условиях – дело очень сложное и опасное, поскольку всё на Земле состоит из обычных частиц. Так что ученым приходится постоянно удерживать античастицы «в подвешенном» состоянии (в специально созданных электромагнитных ловушках), чтобы они ни в коем случае не соприкоснулись с обычной материей. Поэтому антиматерия по праву считается самым дорогим веществом на Земле: по разным оценкам стоимость производства 1 грамма антиводорода будет стоить от 60 до 100 триллионов долларов США.
В заключении этой главы давайте вернемся к уравнению Дирака и обсудим еще один очень важный момент. Как мы уже говорили, это уравнение имеет два решения: одно описывает обычные электроны, а второе – позитроны. Оба эти решения абсолютно равноправны, и все процессы, происходящие в природе, симметричны относительно замены частиц на античастицы[107]. Т. е. вероятности рождения частиц и античастиц в точности совпадают. А почему тогда нас окружает только обычная материя? Куда подевалось всё антивещество? Логично предположить, что всё оно аннигилировало при встрече с обычным веществом. Но тогда нужно, чтобы изначально во Вселенной обычного вещества было больше, чем антивещества. Ведь если бы их было поровну, то после аннигиляции во Вселенной не осталось бы никакой материи, а только излучение, фотоны.
Этот вопрос получил название проблемы барионной асимметрии Вселенной[108]. И первым ее решение предложил выдающийся советский ученый Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) в своей статье «Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной», опубликованной в 1967 году. Его работа опередила свое время и заложила основу для изучения связей микро– и макромира. Оказалось, что законы взаимодействия микроскопических частиц и механизмы их взаимных превращений определяют облик всей Вселенной. Как же это происходит? Согласно современным представлениям, на одном из ранних этапов эволюции Вселенной, сразу после стадии инфляции[109], произошло нарушение CP-симметрии (симметрии между материей и антиматерией) и на 1 миллиард античастиц образовалось 1 миллиард и еще одна частица. Так что в итоге этот миллиард античастиц аннигилировал с миллиардом частиц, образовав реликтовое излучение[110], а оставшаяся небольшая часть частиц (примерно одна миллиардная от исходного количества) сформировала всю материю Вселенной. О конкретных причинах и механизмах нарушения CP-симметрии до сих пор ведутся научные споры, предлагаются различные гипотезы, проводятся многочисленные эксперименты, но вопрос всё еще остается открытым.
Вопрос 35. Из чего всё состоит (Часть 2), или Кто живет в «зоопарке» элементарных частиц?
Квантовая теория поля описывает материю на самых микроскопических масштабах, даже более микроскопических, чем квантовая механика. В главе «Из чего всё состоит? (Часть 1)» (стр. 154) мы уже описывали структуру материи. Давайте немного повторим основные моменты.
Все макроскопические тела состоят из молекул (мельчайших частичек вещества), т. е. различных веществ в природе столько, сколько возможных сортов молекул – сотни тысяч неорганических и несколько миллионов органических веществ. Все молекулы состоят из более мелких частичек – атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому ее химическая формула H2O. Молекула сахара (а точнее – сахарозы) C12H22O11 – это уже более сложное органическое соединение, состоящее из 12 атомов углерода (С), 22 атомов водорода (H) и 11 атомов кислорода (O). Все виды атомов перечислены в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. На сегодняшний день их открыто 118 штук: 92 из них встречаются в природе, а остальные были искусственно созданы в лабораториях и имеют довольно короткие времена жизни, доли секунды.
Размеры разных сортов атомов различаются и составляют от 60 до 600 пикометров или от 6*10–11 до 6*10–9 метра. Это довольно сложно представить. Давайте попробуем это сделать на примерах. Средняя толщина человеческого волоса составляет примерно 500 тысяч атомов углерода. А если увеличить каждый атом до размеров обычного яблока, то само это яблоко станет размером с Землю.
Однако, несмотря на свое название (ведь в переводе с древнегреческого «атом» означает «неделимый»), атомы также имеют свою внутреннюю структуру: в самом центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него – легкие отрицательно заряженные электроны[111]. Размеры атома и ядра различаются примерно в миллион раз! Так что ядро занимает весьма незначительную часть от всего атома, так же как наше Солнце занимает микроскопическую часть всей Солнечной системы[112]. То есть бо́льшую часть атома занимает пустое пространство, а точнее 99,999999999999 % объема атома – это просто пустота[113].
Но давайте вернемся к структуре материи. Электроны разделить на части ученые до сих пор не смогли, а вот ядро дальше делится на составные части: положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Это довольно тяжелые частицы, примерно в 2000 раз тяжелее электронов (причем нейтрон немного тяжелее протона). А значит, скорее всего, их тоже можно разделить на составные части. Но что это за части? И как вообще можно разделить на части настолько малые объекты? Мы ведь не можем положить их на разделочную доску и просто разрезать.
В физике элементарных частиц используют в некотором смысле более «грубые» методы. Раз мы не можем ухватить и разрезать отдельную частицу, давайте мы поступим, как делал в начале ХХ века Эрнест Резерфорд[114]: будем бомбардировать одни частицы другими, а точнее – разгоним частицы до огромных скоростей и столкнем их с какой-нибудь мишенью. Если скорости частиц будут достаточно велики, то при таких столкновениях они могут уже развалиться на части, которые мы будем ловить специальными детекторами. И по вылетающим осколкам можно будет делать выводы
