Виктор де Касто - PRO Антиматерию
Этторе Майорана (род. в 1906 году) – итальянский физик-теоретик, работавший в теории нейтрино. Гениальный ученик Э. Ферми. В 1937 году сформулировал двухкомпонентную теорию, предсказал существование частиц, одновременно являющихся собственными античастицами (впервые они были обнаружены лишь в 2012 году). Бесследно исчез
Если бы у нейтрино не было массы, они все равно оставались бы таинственными, но тем не менее подпадали бы под общее описание частиц и сил, которое называется «Стандартной моделью». Различные версии стали строиться при попытке понять, почему у нейтрино такая маленькая масса, практически равная нулю в сравнении с электроном и позитроном. Есть теория о том, что в дополнение к известным легким нейтрино существуют еще и очень массивные нейтрино Майораны, которые еще предстоит открыть. Для гипотетических частиц даже придумали название – майороны.
Если это так и сегодня майороны просто остаются вне пределов нашей досягаемости, то они были созданы во время Большого взрыва вместе со всем остальным. Это может иметь поразительные последствия для природы нынешней Вселенной.
Если майороны вымерли, то в современной Вселенной находится их потомство. Теоретически майорон – это массивный нейтральный фермион, который может излучать энергию в форме бозона Хиггса и превращаться в нейтрино или антинейтрино. Может получаться три типа нейтрино или соответствующих антинейтрино, и нет оснований считать, что майорон распадется на нейтрино и антинейтрино в равной степени. Это предполагает, что майороны выжили в апокалипсисе Великой Аннигиляции и кое-что оставили нам после себя.
Сразу же после Большого взрыва, когда Вселенная еще была очень горячей, майороны должны были находиться в термическом равновесии – они постоянно формировались и распадались. Однако Вселенная стала быстро остывать, и наступил момент, когда энергии стало недостаточно для формирования новых майоронов, и умирающие больше не заменялись новыми. Майороны вымерли и никогда больше не появились снова, но выжило их потомство. Это неуравновешенная популяция нейтрино и антинейтрино, которые сформировались как «ископаемые останки» умерших майоронов.
Это был важнейший первый шаг для производства нейтрино. Затем, немного позже, в охлаждающейся Вселенной из энергии сформировались кварки и антикварки, электроны и позитроны. Дополнительные кварки и антикварки формировались в процессе столкновения нейтрино и антинейтрино с электронами и позитронами. А вскоре стало слишком холодно для формирования еще большего количества. Так какой вклад внесли майороны? Их гибель привела к рождению дисбаланса между нейтрино и антинейтрино. Затем мириады частиц и античастиц ударялись об асимметричную смесь нейтрино и антинейтрино – и таким образом получились лишние кварки, количество которых превышает количество антикварков.
Затем Великая Аннигиляция уничтожила всю антиматерию вместе с уравновешенной с нею материей. Потомство майоронов сформировало кривобокую Вселенную, в которой осталась горсточка лишних кварков на каждые 10 миллиардов кварков и антикварков, которые исчезли. Выжившие охладились для формирования Вселенной с доминирующей материей, в которой протоны стабильны и существует та материя, которую мы знаем.
На сегодняшний день это – лучшая теория, объясняющая асимметрию между материей и антиматерией. Во время новых экспериментов в Большом адронном коллайдере ученые будет искать доказательства существования майоронов, уже ведется их поиск в космическом излучении. Но пока майороны не найдены и теория хотя и приводит в возбуждение, но остается недоказанной. Ясно, что асимметрия между материей и антиматерией возникла, когда Вселенная была моложе и горячее, чем могут смоделировать современные аппараты. И не будем забывать, что цель изучения антиматерии – это получение нового источника энергии.
Заключение
Миллиарды лет назад энергия превратилась в материю и антиматерию. На Земле она остается пойманной в ловушку в материи на протяжении этих миллиардов лет. Люди научились высвобождать небольшую ее часть из химических веществ и ядер атомов урана. Из некоторых видов материи энергию получать проще, чем из других. Фактически нам нужна эффективная искра. Идеальной была бы антиматерия, поскольку одно ее прикосновение высвобождает всю энергию из того, чего она касается. Но проблема в том, что антиматерии давно нет во Вселенной, так что до того как использовать ее пиротехнические свойства, нам нужно научиться самим ее изготавливать. И тут мы сталкиваемся с ограничениями, наложенными природой.
Фундаментальная истина состоит в том, что создание антиматерии из энергии через Е = mc2 всегда дает равные количества обычной материи и антиматерии. Если вы снова соедините их, произойдет аннигиляция, и вы можете получить энергию назад, если ничего не потеряете. На практике теряется большое количество, но даже если мы сможем сделать процесс очень эффективным, то никогда не сможем получить больше, чем вложили. Дело не в том, что нужно провести дополнительные исследования или создать более совершенную и продвинутую технологию для обхода этих ограничений. Это закон или природа природы. Антиматерия может стать практическим источником энергии, если мы вначале найдем где-то большие ее количества, аналогичные нефтяным месторождениям на Земле.
Единственным намеком на существование антиматерии где-то во Вселенной является падение «Тунгусского метеорита», о котором мы рассказали в начале книги, – если мы верим в то, что в 1908 году по Земле ударил кусок антиматерии.
Я смотрю на растения, которые растут у меня в саду, но не вижу, как атомы углерода и кислорода вытягиваются из воздуха и превращаются в листья, и я не вижу, как каша, которую я съел за завтраком, превращается в меня, а вы не видите, как ваш завтрак превращается в вас. Молекулы перестраиваются, атомы выполняют свою работу, энергия высвобождается. Еда, которую вы съели несколько часов назад, превращается в вас и в отходы, но также производит энергию для жизни и для поддержания температуры вашего тела. Температура тела – результат химических реакций. Это работает формула Эйнштейна: Е = mc2. Небольшое количество массы (m) из вашей еды теряется, когда еда трансформируется и превращается в энергию (Е) при скорости превращения, равной возведенной в квадрат скорости света (с2). Если говорить в процентном соотношении, то разница в весе между едой, добавленной к вам, и тем количеством, которое в дальнейшем выйдет из вас в виде экскрементов и пота, очень мала, это одна миллиардная, или микрограмм. Ее очень сложно измерить. Но преобразование одной миллиардной массы в энергию лежит в основе химии, биологии и жизни. Это также источник мощи пороха и химических взрывчатых веществ. Эти процессы включают электроны в удаленных от ядер частях атомов. Однако гораздо большие количества энергии доступны в атомном ядре. Если брать количество энергии, высвобожденное ядром, то оно получается в десять миллионов раз больше, чем высвобожденное электронами.
Так что, в то время как химические реакции высвобождают одну миллиардную долю энергии, пойманной в ловушку в материи, ядерные реакции высвобождают до одного процента. Если мы сможем преобразовывать бо́льшие количества материи в энергию, то и наши амбиции будут параллельно расти. В принципе мы могли бы высвобождать все латентные mc2, заключенные в материи, в энергию. Это то обещание, которое дает антиматерия.
Мощь химических веществ появляется потому, что несмотря на очень малое количество энергии, высвобождаемое каждым отдельным атомом, в каждом грамме насчитывается до 1024 атомов, и каждый из них может внести свой вклад. Ядерные процессы точно так же используют большие количества урановой руды, которую можно извлечь из Земли и подвернуть процессу обработки. Природа заперла энергию в атомах миллиарды лет назад, а теперь мы можем высвободить один процент из триллионов и триллионов атомов. В случае антиматерии такой возможности нет. Насколько нам известно, она вся была уничтожена 14 миллиардов лет назад. Если вы хотите использовать антиматерию, то вначале должны изготовить каждую античастицу, а это очень неэффективный процесс. Это фундаментальное ограничение природы: хотя общая энергия законсервирована в любом процессе производства, количество полезной энергии снижается из-за трения и общих потерь. Следовательно, из-за этих потерь только очень малое количество используемой энергии в конце концов оказывается в частицах антиматерии. В результате получается, что требуется гораздо больше энергии для изготовления, чем может быть получено при последующей аннигиляции.
Предположим, мы хотим получить несколько граммов антиматерии – для межгалактических полетов, для источника энергии, для того, чтобы что-то разбомбить – для любой цели. Тут же встают вопросы – как ее получить, как хранить и из чего она должна состоять? Никаких специальных процессов, как в случае тротила или бензина, не требуется. Энергию высвобождает аннигиляция, так что подойдет любая самая простая антиматерия. Нам придется ее изготавливать по античастице и антиатому за раз. Проблема в том, как лучше всего собрать необходимое количество антиматерии для хранения. Именно на этом этапе реальность и природа начинают разрушать мечту, созданную научной фантастикой. Чтобы изготовить один грамм антипротонов, требуется почти триллион триллионов частиц. Чтобы изготовить один грамм позитронов, требуется еще в две тысячи раз больше. Это огромные количества. Чтобы позволить вам их представить, приведем кое-какие данные.
