Александр Волков - 100 великих загадок астрономии
Есть ли в космосе антимиры из антивещества?
Ему, антивеществу, почти 14 миллиардов лет, сколько и нашей Вселенной. И ему, антивеществу, всего каких-то сто лет. Почти ровно столько оно возникает в научных моделях, поверочных расчетах, смелых гипотезах, странных экспериментах. Сто лет – на короткие мгновения – рождается в чуждом ему мире, где все пяди пространства вплоть до незримых планковских размерностей заполнены привычным для нас веществом, но никак не антивеществом.
Придумал эту странную субстанцию Поль Дирак в конце 1920-х годов. Он стремился объединить две крайности физической науки, две новомодные теории – общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию, «свести к единому знаменателю» Макрокосм и Микрокосм. Однако, удивительным образом, в его уравнениях наряду с электронами получали право на жизнь и частицы, точь-в-точь похожие на них, но заряженные положительно, – неслыханная новация для классической физики. С другой стороны, в математическом решении, предложенном Дираком, не было видно изъянов, а весь многовековой опыт приучил ученых к мысли о том, что математика – впрямь «царица наук». Что сказано на языке цифр, то не может быть неправдой!
Через несколько лет, в августе 1932 года, в одном из экспериментов «антиэлектрон» был действительно обнаружен. За свой положительный – позитивный – заряд он был удостоен имени «позитрон». Теперь известно, что у всех элементарных частиц есть свои антиподы – античастицы. Знаменитый немецкий физик Вернер Гейзенберг назвал открытие антивещества «самым неожиданным открытием XX века».
Так приотворилась дверца в неведомый мир, с которым мы прежде не соприкасались. Ведь любой контакт с ним гибелен. При встрече частиц и античастиц они аннигилируют, уничтожаются.
Когда в 1933 году Поль Дирак получал Нобелевскую премию, он произнес речь, в которой обмолвился, что Земля по случайности состоит из вещества, а не из антивещества. «Возможно, – фантазировал он, – с некоторыми небесными телами все обстоит как раз наоборот». Иными словами, в представлении Дирака, где-то в неизведанной космической дали свершали свой бег антипланеты, обращаясь вокруг антизвеад.
Что же подвигло британского ученого на столь смелый вывод? Ее величество Симметрия, пронизывающая все мироздание. С незапамятных времен философы всех народов почитают симметрию, являющую всякой сущности ее отражение, всякому естеству – его противоположность.
Полвека назад эта всепроникающая Симметрия лежала в основе современной космологии, описывавшей акт сотворения Вселенной – Большой взрыв. В это мгновение, когда Ничто превратилось в Нечто, родился в высшей степени симметричный объект. Вещества в нем было столько же, сколько и антивещества.
Однако эта же модель немедленно полагала предел мирозданию. Частицы встречались с античастицами, вещество с антивеществом – и аннигилировали, аннигилировали… Лишь гамма-вспышки проносились по вмиг опустевшему космосу.
Почему же в первые мгновения после Большого взрыва все частицы не уничтожились, встретившись со своими античастицами? Почему существует этот – такой реальный, такой зримый – мир, сложенный из элементарных частиц? Где затерялись их двойники?
Как оказалось, в нашей Вселенной изначально был изъян. По какой-то причине Великая Симметрия, рождающая и стирающая миры, нарушилась. Законы природы для частиц и античастиц стали разниться. Количество вещества превысило запасы антивещества. И после вселенского фейерверка, выжегшего, возможно, почти все антивещество, остался результат нарушения Симметрии – звезды, галактики, мы.
По общепринятому теперь сценарию (его творцом является А.Д. Сахаров), всего через миллионную долю секунды после Большого взрыва почти все вещество в нашем мироздании (99,99999999 %), погибло, соприкоснувшись с антивеществом. История сотворения Вселенной началась с истории ее разрушения.
Этот космический «судный миг» пережили, по некоторым оценкам, всего по одной элементарной частице из каждых 30 миллиардов. Все это – незримые семена, из которых пророс наш – такой необъятный – мир. Из этой горстки частиц соткана даль мироздания с ее гигантскими скоплениями галактик. Из крох, уцелевших в Микрокосме, возведен величественный Макрокосм.
Итак, мы обязаны своим существованием нарушению симметрии, этому дефекту законов природы? В Божественный план, по которому создавался космос, вкралась ошибка? Мир должен быть рожден так, как возникают в вакууме виртуальные пары частиц и античастиц, – возникают, чтобы сразу исчезнуть? Здесь это правило не сработало.
Сейчас антивещество можно встретить только в лабораторных экспериментах. Физики уже научились изготавливать атомы антиводорода, в которых вокруг отрицательно заряженного ядра обращается позитрон. Однако они возникают всего на миллиардные доли секунды. (Впрочем, в апреле 2011 года в ЦЕРН удалось в течение почти 17 минут при температуре, равной примерно 1 кельвину, удерживать 309 атомов антиводорода, что сулит прорыв в этой области исследований.)
Между тем космологи – вслед за Дираком – порой говорят о том, что, может быть, где-то в отдаленной области космоса и существуют огромные скопления антивещества, возникшего сразу после Большого взрыва. Что, если оно не полностью уничтожилось в первые доли секунды космического творения? Что, если антивещество в нашей части космоса столь же редко, как где-то на далекой окраине Вселенной редко вещество? И все мироздание состоит на самом деле, как из «инь» и «ян», как из «положительного» и «отрицательного», – из двух несходных, несовместимых сущностей?
Антивещество, очевидно, тоже может создавать крупные структуры, как обычное вещество. Вступая в химические реакции, антиводород и антикислород образуют антиводу, антиуглерод и антиводород – органические антисоединения. Антиатомы излучают свет, когда позитроны переходят с одной орбиты на другую. Мы могли бы даже наблюдать звездные системы из антивещества с помощью телескопа, но не догадались бы об их «инаковости», ведь свет, приходящий от них, ничем не отличался бы от света обычных звезд.
В 1960 —1970-е годы нобелевский лауреат, американский физик Луис Альварес, подняв на высоту 4000 метров сверхпроводящие магниты на баллонах, выслеживал антивещество, проникавшее из космоса, но обнаружил лишь позитроны и пару антипротонов – всего около 40 тысяч частиц. Однако, чтобы и впрямь найти антивещество, прилетевшее с антизвезд, нужно, считают ученые, проанализировать миллиарды частиц. Ведь лишь одна частица на 100 тысяч или даже миллион частиц, долетающих до Земли, прибывает из областей, лежащих за пределами Млечного Пути.
Наблюдая звездные системы из антивещества с помощью телескопа, можно не догадываться об их «инаковости»
Между тем даже крупица антивещества размером с горошину, попав в атмосферу нашей планеты, могла бы вызвать страшный взрыв. Так, еще один нобелевский лауреат, американский физик и химик Уиллард Либби, был убежден в том, что загадочный Тунгусский метеорит являлся сгустком антивещества, случайно достигшим окрестности нашей планеты. Может ли такая случайность повториться? … Итак, прошло почти сто лет с тех пор, как мир узнал о возможном существовании антивещества. В последние десятилетия в научных лабораториях зрим сам факт его существования – горстки антиатомов, рои антиэлектронов. Возможно, в XXI веке ученые обнаружат естественные свидетельства его бытия: антизвезды, антигалактики.
Во вселенной есть тайные тропы?
Многие понятия современной физики прижились и на страницах научно-фантастических книг или даже заимствованы оттуда: телепортация, многомерное пространство, параллельные Вселенные, путешествия во времени… Не стали исключением и «червоточины» (их называют также «кротовыми норами»), сперва подточившие устои космоса в книгах популярного жанра – например, героиня романа «Контакт» американского астронома и писателя Карла Сагана путешествует по «червоточине» в отдаленную часть Вселенной, – а потом эти странные космические туннели стали возникать и на страницах строго научных работ. Доверясь гипотезе, некоторые астрономы смело соединяли ими различные области космоса, прокладывая путь будущим экспедициям. Ведь, оказавшись в такой «червоточине», можно вмиг перенестись на множество световых лет от Земли. Знать бы только, где найти этот «скоростной лифт» мироздания?
Червоточина – это туннель, ведущий сквозь эйнштейновское пространство-время
Общая теория относительности Эйнштейна благоволит самым неожиданным гипотезам. Она позволяет, например, моментально перелететь в окрестность Сириуса (эта звезда находится от нас на расстоянии 8,7 световых лет). Для этого надо проникнуть в «червоточину» или обзавестись двигателем, искривляющим пространство. Кстати, статьи, посвященные подобному двигателю, уорп-двигателю (от английского to warp, «искривлять, искажать»), в последние 15 лет появлялись даже на страницах серьезных научных журналов, ведь принцип его работы вытекает из уравнений Эйнштейна.
В обоих случаях, найди мы тайные тропы мироздания или обзаведись новомодным научным мотором, пространство-время исказится для нас так сильно, что Земля окажется рядом с Сириусом и мы достигнем своей цели. Ведь тот же двигатель деформирует космическое пространство таким образом, что в нем появляются ходы, связывающие отдаленные части Вселенной. Как это понимать?
