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.

После открытия антипротона в 1955 году ЦЕРН, использующая Антипротонное кольцо, и «Фермилаб», в которой имеется подобная технология, в целом смогли получить менее одной миллионной грамма. Если бы мы смогли собрать вместе всю полученную на сегодняшний день антиматерию, а затем аннигилировать ее с материей, то нам хватило бы энергии только для того, чтобы зажечь одну электрическую лампочку на несколько минут. В отличие от этой энергии, потраченная на производство антиматерии энергия могла бы осветить площадь Пиккадилли в Лондоне или Таймс-Сквер в Нью-Йорке.

При нынешнем уровне развития науки и техники на изготовление одного грамма уйдет 100 тысяч веков. Оборудование, разработанное для производства пучков античастиц для специальных экспериментов, не предназначено для хранения их больших количеств. Тем не менее даже если мы сможем спроектировать машину специально для создания больших количеств антиматерии, пройдут еще десятки миллионов лет до начала промышленного производства в короткие сроки, измеряемые хотя бы неделями. Но все равно остается вопрос хранения.

Для начала нужен высокий вакуум и контейнер, состоящий из электрических и магнитных полей. Хорошая новость состоит в том, что мы знаем, как хранить античастицы и с успехом уже это проделывали в ловушках Пеннинга, где они хранились по нескольку недель. Однако есть ограничения по хранению в магнитной «бутылке», поскольку возникают проблемы, когда много заряженных частиц собираются в малом объеме. Природный факт, от которого не уйти, состоит в том, что электрически заряженные частицы с одним и тем же знаком заряда отталкиваются друг от друга, так что чем больше их у вас набирается, тем труднее их заталкивать в магнитную «бутылку». Самое большое количество, которое удалось сохранить, – это около миллиона антипротонов. Но не радуйтесь заранее – это в миллиард миллиардов раз меньше, чем нужно для производства одного грамма антиматерии. «Бутылка» с античастицами, которая еще и может потечь, – это не решение проблемы.

Один из способов решения этой проблемы – смесь позитронов и антипротонов, как атомов антиводорода. Электрические заряды положительных позитронов и отрицательных антипротонов отменяют друг друга, так что проблема слишком большого электрического заряда не должна волновать. Мы сами состоим из миллиардов атомов, которые содержат уравновешенные положительные и отрицательные заряды, так что в целом мы не ощущаем никакой электрической активности внутри себя. То же самое может относиться к антиматерии. Но в данном случае магнитные канаты и электрические стены, которые создают тюрьму, могут удерживать внутри только электрически заряженных заключенных. Если эти заключенные разобьются на пары, и их отдельные заряды, соединившись, дадут ноль, таким образом отменив заряд, то сила стен тюрьмы исчезнет как по взмаху волшебной палочки: чтобы что-то удержать в электромагнитной «бутылке», требуются какие-то силы, действующие между «бутылкой» и тем, что там удерживается. Атомы антиводорода нейтральны по отношению к электрическим и магнитным полям, поэтому они легко сбегают, не удерживаемые стенами тюрьмы, встречаются с материей и разрушаются.

Возможно, удастся поймать в ловушку часть атомов антиводорода в магнитных полях, которые быстро меняются, так что различные магнитные моменты позитрона и антипротона будут удерживать атом, но это пока не было достигнуто даже в случае нескольких антиатомов.

Еще одна возможность – это сделать атомы позитрония: позитрон плюс электрон. В последние годы этим направлением заинтересовались американские военные. Проблема здесь не только в том, что этот атом является электрически нейтральным, как антиводород, но также и в том, что его составляющие взаимно уничтожают друг друга. Продолжительность жизни атома позитрония – меньше одной тысячной доли секунды, это слишком мало, чтобы их можно было использовать в качестве энергии даже для путешествия на Марс. Тем не менее американские ВВС считают, что этого достаточно для их целей, и в исследования вкладываются миллионы долларов.

В самом начале книги мы уже говорили об оружии на основе антиматерии, разработкой которого занимаются американские ВВС. Я считаю, что на сегодняшний день нет возможности изготовить бомбы на основе антиматерии по той же самой причине, по которой мы не можем использовать ее как источник энергии, о чем было рассказано выше. Мы не можем собрать достаточное количество антиматерии, мы не можем обеспечить нужную плотность и не знаем, как хранить большие количества антиматерии. Процессы превращения энергии в антиматерию неэффективны. Так что пока, несмотря на все средства, которые военные вливают в свои исследования, нам не стоит волноваться об использовании антиматерии в военных целях.

В качестве примера возьмем один гипотетический грамм антиматерии. Аннигиляция такого количества будет соответствовать взрыву атомной бомбы. С имеющейся на сегодняшний день техникой и технологиями можно производить по одному нанограмму (одной миллиардной доле грамма) антиматерии в год. Уйдут на изготовление этого грамма сотни миллионов долларов. Многовато даже для американских военных.

В дополнение к стоимости и проблемам производства, есть проблема хранения. Как мы уже неоднократно говорили, одинаковые заряды отталкиваются друг от друга. Так что для удержания электрического заряда грамма чистых антипротонов или позитронов потребуется построить такое мощное поле, что если вы каким-то образом его нарушите, то взрыв от разлетающихся в разные стороны заряженных частиц превысит тот, который может получиться при аннигиляции. Если уж так хочется делать бомбы, то, наверное, проще забыть об антиматерии и заняться технологией, которая требуется для ее хранения и сдерживания. Меньше усилий и дешевле. Производить антиматерию просто непрактично.

После упоминавшегося в начале книги выступления Кеннета Эдвардса других заявлений от ВВС США не было. Представители военного ведомства говорили о том, что им запрещено высказываться на эту тему и давать интервью. Скорее всего объяснение заключается не в секретности, а в том, что оружия на основе антиматерии нет, и проект оказался только мечтой, но это не признается официально. Денег-то потрачено очень много!

Однако ВВС США финансировали исследование антипротонов в Пенсильванском университете под руководством Джеральда Смита, который возглавлял кафедру физики в этом университете и входил в комиссию ЦЕРН, оценивающую экспериментальные проекты, связанные с антипротонами. После увольнения из Пенсильванского университета Смит основал компанию Positronics Research LLC в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Как подразумевает название, его интересы перешли с антипротонов на позитроны. Компания занимается вопросами сохранения энергии, ядерной медициной и разработками для ракетных двигателей.

Смит начинал работу над ракетными двигателями еще в Пенсильванском университете в 1990-е годы, тогда упор делался на антипротоны. В планах было производство, улавливание и транспортировка антиматерии для ракетных двигателей. Его команда заявила о работе над ловушкой, которая могла бы удерживать до миллиарда антипротонов на протяжении десяти дней. Они называли ее прототипом ловушки, которая могла бы удерживать 10¹⁴ антипротонов 120 дней. То есть столько времени, сколько требуется для полета на Марс и обратно. Однако десять лет спустя никакого результата предъявлено не было, это даже не оказалось дорогой к какой-то новой технологии. ЦЕРН вообще не занималась ничем подобным. Максимальное количество антипротонов, которое когда-либо удавалось удержать в ловушке, составляет миллион. А исследования в настоящее время сосредоточиваются на хранении малых количеств для производства точных измерений.

Также Джеральд Смит подтвердил в одном интервью, что в 2004 году ВВС США выделили свыше 3 миллионов долларов на исследования, проводившиеся его командой, о чем мы уже рассказывали в главе «Интерес военных к антиматерии». Но не было никаких заявлений, а тем более демонстрации производства или хранения больших количеств антиматерии.

Один из ведущих специалистов по антиматерии в ЦЕРН, Рольф Ландуа, сказал, что ученые считали атомную бомбу реальной возможностью за много лет до того, как она была создана и взорвана. Для простых людей это стало сюрпризом, они были по-настоящему поражены этим достижением. С другой стороны, именно простые люди больше всего говорят и хотят знать о бомбе на основе антиматерии. Тем не менее ученые уже давно знают, что ее практически нереально создать, и причин тут несколько, как мы уже говорили выше.

Однако проблемы производства и хранения антиматерии не останавливают исследования, связанные с использованием ее как топлива в межпланетных и межгалактических космических кораблях. Преимущество по сравнению с использующимся в настоящее время топливом – это вес, причем разница колоссальная. Половину зонда, отправленного на Сатурн, составляло топливо, а пусковая установка весила в 180 раз больше самого зонда. Если же запускать пилотируемый корабль на Марс, то 3 тонны химического топлива можно заменить одной сотой грамма антиматерии. Это вес одного рисового зернышка.

Однако те, кто говорит об этом и зарождает надежды в умах людей, умалчивают о технике и технологиях, которые потребуются для сдерживания и хранения антиматерии. Большие количества антипротонов или позитронов подразумевают большую концентрацию электрических зарядов, которые нужно как-то удерживать. Для хранения даже одной миллионной того количества, которое требуется для полета на Марс, потребуется огромная электрическая сила для давления на стенки топливного бака. Но, несмотря на эти проблемы, НАСА продолжает исследовать вопрос дальних космических полетов, а ВВС США – возможность строительства хотя бы непилотируемых микросамолетов-истребителей.

В 1950-е годы немецкий инженер Юджин Сангер предложил проект фотонной ракеты, которую будут приводить в движение гамма-лучи, полученные в результате электрон-позитронной аннигиляции. За эту идею ухватились писатели-фантасты, но в реальности она никогда не разрабатывалась, частично из-за проблем с производством и хранением достаточного количества позитронов. Однако упоминавшийся выше Джеральд Смит в настоящее время рассматривает возможность производства источников энергии из позитронов. Позитроны легче, чем антипротоны, но их проще получать. Но приходить в возбуждение еще рано.

Однако теория ясна: автор считает, что электрические и магнитные поля могут растянуть жизнь атома позитрония при их особой комбинации и по крайней мере сильно увеличить его шанс на выживание. Смит говорит даже о «практически бесконечной» жизни позитрония. Электрическое поле склонно тянуть электрон и позитрон друг от друга, а магнитное поле помогает удерживать их на месте. При таком положении вещей их можно отделить друг от друга на расстояния в тысячу раз превышающие обычное расстояние в атоме, и таким образом существенно снижается вероятность столкновения и аннигиляции.

Все это хорошо, но мне кажется, что даже если это получится в случае нескольких атомов позитрония, для источника энергии требуются триллионы электронов и позитронов. Для удерживания их на расстоянии потребуются мощнейшие электрические и магнитные поля, которые смогли бы удерживать отдельные облака положительных и отрицательных зарядов. И здесь возникает та же проблема, что и в предыдущих попытках: как удерживать большие количества заряженных частиц, которые требуются для источника энергии? Пока она не решена, растяжение жизни позитрония не дает ничего.

То есть мы можем сказать, что люди получают античастицы уже 80 лет, в последнее десятилетие в ЦЕРН получили несколько атомов антиводорода. Но антиматерия (в смысле антиатомы, организованные в достаточно большие количества, чтобы эти количества можно было увидеть, не то что хранить) все еще остается фантастикой. Возможно, так будет всегда. Интерес к антиводороду проснулся после появления Антипротонного Деселератора (замедлителя) в ЦЕРН. Утверждалось, что это усовершенствованный аппарат для производства антиматерии, который обещает производить антиматерию в больших количествах. Но оказалось, что Антипротонный деселератор дает меньше антипротонов, чем Антипротонное кольцо. Хотя это великолепный аппарат и важная веха в науке об антиматерии, настоящее произведение искусства для производства антиводорода. Но этот аппарат не может производить антиматерию в тех количествах, которые нужны для промышленности, как и любой другой из ныне существующих.

Разговоры о том, что если бы такой аппарат появился, то «антиматериальная технология» спасла бы нашу планету, тоже вводят в заблуждение. Во-первых, для производства антиматерии нам нужно использовать энергию, но как мы говорили выше, много энергии при этом теряется. Античастицы создаются почти на скорости света и их нужно укротить. И для этого тоже требуется энергия. Многие античастицы теряются, а вся энергия, которая использовалась для их производства, уходит навсегда.

Если бы нам удалось найти большие количества антиматерии в природе – там, где природа уже потратила энергию на производство антиматерии, чтобы мы теперь могли только ею воспользоваться, наши топливные проблемы могли бы быть решены. Но пока нам самим приходится изготавливать антиматерию, это в первую очередь нерентабельно, так как производимой энергии оказывается меньше, чем уходит на ее производство. Так что антиматерия – это не панацея для спасения планеты и одновременно не самое страшное оружие, потому что в обозримом и, скорее всего, даже очень далеком будущем, произвести его не удастся.

Маловероятно, что антиматерия когда-либо даст большие количества энергии, которые могли бы заинтересовать энергетические компании, но на уровнях меньше атомного аннигиляция антиматерии оказалась бесценной в медицине, технологиях и фундаментальной науке. Когда пучки, летящие на скорости, близкой к скорости света, врезаются друг в друга и происходит аннигиляция, общая энергия мала, но ее концентрация в точке, меньшей, чем атомное ядро, очень велика.

Люди всех национальностей, из всех стран когда-то задумываются о своем происхождении и о том, как появилось все на Земле и за ее пределами. Никто не знает, почему произошел Большой взрыв, но из его энергии родилось все, что мы знаем. Пучки антиматерии, вначале антипротоны, а потом позитроны позволили нам смоделировать раннюю Вселенную в экспериментах и начать понимать, что происходило, когда возраст Вселенной составлял всего одну миллиардную долю секунды. Это поразительное достижение человеческого интеллекта – группы атомов, собранных вместе и способных думать, с удивлением смотреть на Вселенную, которая создала нас, строить машины, способные вернуть нас ко времени нашего появления, появления всего в результате Большого взрыва. А инструментом, который сделал это возможным для нас, является антиматерия.