Антиматерия
Частицы могут существовать в зеркально отраженном виде, с обратными значениями энергий и зарядов, — это называется антиматерией. Антиматерия была теоретически предсказана — и вскоре найдена. Но встречается она редко: большая часть Вселенной состоит из обычной материи. Это космическое неравновесие указывает на скрытые процессы физики частиц, из-за которых соотношение материи и антиматерии во время Большого взрыва перекосило.
Почти все, что мы видим, — от нашего знакомого окружения на Земле до самой далекой галактики — состоит из материи. Карандаши, компьютеры, планеты и звезды — все сделано из одного и того же материала: протонов, нейтронов и электронов. Это может показаться ничем не примечательным, но только на первый взгляд. Потому что есть альтернатива — антиматерия.
Антиматерия — зеркальная форма материи, в которой заряды, энергии и другие физические свойства частиц имеют противоположный знак. Так, антиэлектрон, или позитрон, имеет такую же массу, как электрон, но положительный заряд. Есть противоположные близнецы в антиматерии и у протонов, и у прочих частиц.
Поль Дирак (1902-1984)
Поль Дирак был талантливым, но застенчивым британским физиком. Шутили, что его лексикон состоял из «да», «нет» и «не знаю». Однажды он сказал: «В школе меня научили никогда не начинать фразы, если не знаешь, чем ее закончить». Неразговорчивость он восполнил своими математическими способностями. Его диссертация известна своей краткостью и убедительностью: он представил новое математическое описание квантовой механики. Он частично объединил теорию квантовой механики и теорию относительности, но его также помнят за выдающуюся работу, посвященную магнитному монополю, и за предсказание антиматерии. Когда в 1933-м Дираку присудили Нобелевскую премию, он порывался от нее отказаться — чтобы избежать шумихи, но сдался, когда ему сказали, что из-за отказа шумихи будет еще больше. Ученый не пригласил на церемонию своего отца — возможно, из-за натянутых отношений после самоубийства брата Дирака.
Противоположный знак
Возможность материи с отрицательной энергией впервые допустил британский физик Поль Дирак в 1928 году. Пытаясь вписать величины энергий электронов в уравнения, он понял, что отрицательные энергии так же математически возможны, как положительные. Положительную энергию связывали с обычным электроном, это было понятное явление. Но отрицательная энергия не имела смысла. Вместо того чтобы опустить эту странную переменную, Дирак предположил, что античастицы могут существовать на самом деле, — и за ними началась охота.
В 1932 году Карл Андерсон подтвердил существование позитронов в потоке частиц, создаваемом космическими лучами (энергичные частицы, которые врезаются в земную атмосферу из космоса), заметив положительно заряженную частицу с массой как у электрона. Следующую античастицу — антипротон — обнаружили лишь через два десятилетия, в 1955 году. Для этого пришлось построить ускоритель частиц, в котором антипротон обнаружили в мощных потоках протонов, разогнанных до громадных скоростей. Вскоре после этого был обнаружен и антинейтрон.
На Земле физикам удается создавать антиматерию в ускорителях частиц — например, в ЦЕРН в Швейцарии или в Лаборатории Ферми неподалеку от Чикаго. Когда потоки частиц и античастиц встречаются, они взаимоуничтожаются во вспышке чистой энергии. Масса переходит в энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc2.
На Земле физикам удается создавать антиматерию в ускорителях частиц — например, в ЦЕРН* в Швейцарии или в Лаборатории Ферми неподалеку от Чикаго. Когда потоки частиц и античастиц встречаются, они взаимоуничтожаются во вспышке чистой энергии. Масса переходит в энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc2 --> -->
Но, вглядываясь во Вселенную, мы не видим подобных вспышек. Если бы антиматерия была распределена по всей Вселенной, она бы поглощала любую материю, с какой соприкасается, и тем самым уничтожила бы все обычные частицы — со множеством мелких взрывов энергии. Мы этого не наблюдаем, значит, антиматерии вокруг не так много. На самом деле обычная материя — единственная распространенная форма частиц, которую мы видим. Есть подозрение, что некоторые частицы антиматерии существуют в особых местах — например, вблизи черных дыр. По оценкам астрономов, лишь крошечная доля — менее 0,01 % — вещества во Вселенной состоит из антиматерии. Получается, в начале создания Вселенной существовало неравновесие, в результате которого обычной материи получилось больше, чем ее противоположности — антиматерии.
«Я считаю, что открытие антиматерии было, возможно, величайшим рывком из всех великих рывков в физике нашего столетия» Вернер Гейзенберг, «Представления физика о природе» (1958)
Симметрия
Как и все зеркальные отражения, частицы и их античастицы связаны разными видами симметрии. Один из них — время. Из-за отрицательной энергии античастицы аналогичны обычным частицам, движущимся назад во времени. Так, позитрон можно представить как электрон, движущийся из будущего в прошлое. Другая симметрия обусловлена зарядами и другими взаимообратными квантовыми свойствами. Третья симметрия касается движения в пространстве. При перемене координатных сеток движение в целом остается неизменным. Но на некоторые виды движения такие изменения все же влияют. Существуют исключительно «левые» нейтрино, они все крутятся в одном направлении, а «правых» нейтрино не бывает. Обратное верно для антинейтрино — они все «правые».
Неравновесное сотворение
Вопрос, почему все вышло так, отсылает нас к Большому взрыву. Вселенная, за вычетом мелочей в виде материи и антиматерии, по большей части состоит из различных форм энергии, в том числе — из громадного множества фотонов. Возможно, то небольшое количество материи, которое мы видим сегодня, — лишь остатки после обширной аннигиляции. Не исключено, что при Большом взрыве было создано много материи и много антиматерии, но большая их часть быстро исчезла в столкновениях и осталась лишь верхушка айсберга.
Крохотного перекоса в сторону материи было бы достаточно, чтобы объяснить ее нынешнее преобладание. Согласно некоторым моделям, хватило бы всего одной из 10 000 000 000 (1010) уцелевшей в первые же доли секунды после Большого взрыва частицы материи. Оставшиеся частицы могли выжить благодаря небольшим странностям в их квантовых свойствах. Исследователи физики частиц предполагают, что материя и антиматерия могли произойти от общего предка, которого они называют X-бозоном. Эти частицы, которые еще предстоит обнаружить, распались неравномерно и так породили чуть больше материи. Теории предсказывают, что X-бозоны могут также взаимодействовать с протонами и вызывать их распад. Это плохо, поскольку означает, что вся материя постепенно исчезнет — превратится в туман еще более мелких частиц. Но, к счастью, происходит это очень медленно. Никто еще не видел распада протона, а это значит, что они очень устойчивы и проживут еще по крайней мере 1017-1035 лет, или миллиарды миллиардов миллиардов лет, то есть намного дольше, чем возраст Вселенной на данный момент. Но не исключено, что если Вселенная сильно состарится, то даже нормальная материя может однажды исчезнуть.