Материальный мир

Если бы вам каким-то образом удалось увидеть кусок антиматерии, то вы бы не поняли, что это. Внешне антиматерия никак не отличается от материи, но способность уничтожать все, к чему она прикасается, делает ее настоящим «внутренним врагом». Так что же это? Мы говорим, что это – противоположность материи, но что в ней «противоположного»? Что дает антиматерии силу уничтожать все, с чем она вступает в контакт, даже очень краткосрочный?

Чтобы начать понимать антиматерию, нам, во-первых, нужно поговорить о материи или «провести экскурсию» в материю, то есть в нас самих. Наши личные свойства закодированы в наших ДНК, миниатюрных спиралях, состоящих из сложных молекул. Эти молекулы в свою очередь состоят из атомов, которые являются мельчайшими частями элементов, например углерода, водорода или железа, и могут существовать и сохранять свойства элемента.

Атомы водорода самые легкие из всех, они склонны подниматься к высшим слоям атмосферы и исчезать, или «сбегать». По этой причине водород относительно редко встречается на Земле, в то время как во Вселенной это самый часто встречающийся элемент.

Большая часть водорода сформировалась вскоре после Большого взрыва, то есть ему почти четырнадцать миллиардов лет.

Вселенная (в % от числа атомов)

Огромные скопления водорода дают свет, например это звезды и наше Солнце. А в звездах, в свою очередь, производятся самые разнообразные элементы. Почти все атомы кислорода, которые мы вдыхаем, углерода в нашей коже и типографской краске на этой странице были произведены в звездах примерно пять миллиардов лет назад, когда начала формироваться Земля. Так что мы все являемся звездной пылью, или ядерными отходами, потому что звезды также можно назвать ядерными печами, в которых главным видом топлива является водород, звездный свет является производимой звездами энергией, а разнообразные элементы – это остающийся «пепел».

Чтобы понять, насколько малы атомы, взгляните на точку в конце этого предложения. В ней содержится 100 миллиардов атомов углерода, это количество значительно больше, чем количество всех когда-то живших на Земле людей. Чтобы увидеть какие-то отдельные атомы невооруженным глазом, точку нужно увеличить до 100 метров.

Элементарные атомы углерода могут соединяться различными формами, в результате получаются алмазы, графит, сажа, уголь. Антиматерия также состоит из молекул и атомов. Атомы антиуглерода могут дать антиалмаз, причем такой же красивый и твердый, как алмаз. Антисажа будет такая же черная, как сажа, а антикнига будет такой же, как книга, которую вы держите в руках. Точки в антикниге тоже потребуется увеличивать до 100 метров, чтобы рассмотреть атомы антиуглерода. Если бы мы могли это сделать, то увидели бы, что эти мельчайшие частицы антиуглерода невозможно отличить от мельчайших частиц углерода. Так что даже на базовом уровне атомов материя и антиматерия выглядят одинаково. Источник их отличия и контраста находится внутри.

Атомы очень маленькие, но они не являются самыми маленькими вещами из известных. Если мы попадем внутрь атомов, то увидим, из чего они сделаны – и именно там, внутри и раскрывается разница между материей и антиматерией.

Каждый атом содержит лабиринт внутренней структуры. В центре находится ядро, в котором заключена основная масса атома. Если точку, напечатанную типографской краской в этой книге, нужно увеличить до 100 метров, чтобы увидеть атом, то если вы хотите увидеть атомное ядро, нужно увеличить ее до 10 000 километров. Это расстояние от одного полюса Земли до другого. То же самое можно сказать и про антиточки и антиатомы. И только если рассматривать их в таких мельчайших деталях, начинает вырисовываться различие между материей и антиматерией.

Если проследить глубокую связь пространства и времени и теорию относительности Эйнштейна с обманчивым и эфемерным миром неопределенности, который правит бал внутри атомов, то всплывает поразительная вещь: природа не может работать только с базовыми частицами материи, которые мы знаем. Для каждой субатомной частицы природа вынуждена создавать и отрицательный образ, зеркальное отражение, каждое из которых следует тем же строгим законам, что и обычные частицы. Знакомые нам частицы строят атомы и материю, а их противоположные версии точно так же создают структуры, которые, на первый взгляд, кажутся такими же, как нормальная, обычная материя, но фундаментально от нее отличаются.

Внутри атомов находятся вращающиеся электрические токи, мощные магнитные поля и электрические силы, которые что-то притягивают, а что-то отталкивают. Внутри атомов антиматерии эти токи, поля и силы также присутствуют, но их полярность меняется на противоположную: северные полюса становятся южными, а положительные заряды – отрицательными. Представьте нашу точку из книги и антиточку увеличенными до 100 метров, чтобы увидеть их отдельные атомы и антиатомы. Если поднести крошечный магнит к краям атома, а потом антиатома, то будет видно, что легкое отклонение влево в случае атома становится зеркальным отражением этого отклонения – вправо – у антиатома. Если что-то притягивается атомом, это будет отталкиваться антиатомом; если же атом что-то отвергал, то антиатом начнет его всасывать, а там, где раньше было безопасно, начинается аннигиляция.

Источником этих сил служит атомное ядро, которое электрически заряжено. У магнитов есть северный и южный полюса, что позволяет им притягивать и отталкивать друг друга, точно так же дело обстоит и с электрическими зарядами: одинаковые заряды отталкивают, а противоположные притягивают друг друга. В случае нормальной материи у атомного ядра положительный заряд. Электроны, крошечные легкие частички, которые находятся у внешних краев атомов, заряжены отрицательно. Атом простейшего элемента, водорода, состоит из одного электрона, который на некотором удалении вращается вокруг находящегося в центре ядра, которое в свою очередь состоит из одного протона.

Именно взаимное притяжение противоположных электрических зарядов заставляет отрицательно заряженные электроны вращаться по кругу вокруг положительно заряженного центрального ядра. Именно эти электрические и магнитные силы, которые работают глубоко внутри атомов, обеспечивают щупальца, с помощью которых молекулы и макроскопические структуры – кристаллы ткани, камни и живые существа – формируются и удерживаются, то есть являются единым целым.

Сила тяжести – это то, что правит галактиками, планетами и падающими яблоками, благодаря ей мы стоим ногами на Земле. Однако именно электрические и магнитные силы дают нам форму и строение. Они гораздо мощнее силы тяжести, но в материи притяжение и отталкивание положительных и отрицательных зарядов склонно уравновешивать друг друга, и остается одна доминирующая сила тяжести. Таким образом получается, что, хотя мощные электрические силы работают глубоко внутри атомов нашего тела, мы не особо их осознаем и сами не являемся электрически заряженными.

Тем не менее есть много подсказок, помогающих понять это внутреннее строение, которое проявляется в ситуациях, когда действие положительных и отрицательных зарядов не отменяется. Если электрический заряд не уравновешен, то появляются искры, примером может служить молния. Магнит может притянуть кусок металла, преодолевая силу тяжести и притяжение Земли, которая тянет вниз. Если говорить о больших масштабах, то электрические заряды в земном ядре превращают всю нашу планету в огромный магнит, что проявляется, когда маленькая стрелка компаса работает в соответствии с магнитным полем Земли, указывая на северный и южный магнитные полюсы.

Все это было уже известно в 1928 году, когда началась история антиматерии. Атомы – такие, как их понимали Поль Дирак, Карл Андерсон и Роберт Милликен, – стали главными игроками в первом акте саги об антиматерии. Они состояли из массивных протонов, положительные электрические заряды которых захватывали в ловушку отрицательно заряженные легкие электроны и устраивали с ними космический танец. Вооруженные этими знаниями, мы можем оценить идею антиматерии.

Для законов электричества и магнетизма, которые лежат в основе существования материи, не имеет значения, какие образцы материи несут отрицательный заряд, а какие – положительный. Если мы в какой-то ситуации заменили бы все положительные заряды на отрицательные, а отрицательные на положительные, то все получившиеся в результате силы были бы точно теми же, а построения, которые у них получаются, тоже не изменились бы. То есть, если представить, что все отрицательно заряженные электроны станут положительными, а протоны отрицательными, то внешне ничего не изменится.

Но мы уже знаем, что смена зарядов превращает то, что мы называем материей, в то, что мы называем антиматерией. Антиатом антиводорода будет состоять из антипротона с положительно заряженным позитроном у внешнего края. Поль Дирак, который первым предсказал существование такого зеркального образа материи, говорил об этой загадке в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году. Например, он считал случайностью то, что на Земле и, предположительно, во всей нашей Солнечной системе электроны заряжены отрицательно, а позитроны положительно. В других звездах все может быть наоборот, они вполне могут состоять из положительно заряженных электронов и отрицательно заряженных протонов.

Он говорил о симметрии положительного и отрицательного и считал, что вполне может оказаться так, что половина звезд относится к одному типу, а вторая половина – к другому. В наши дни мы называем это материей и антиматерией, но, глядя в ночное небо, не можем различить, где одна, а где другая.

* **

Две противоположные формы вещества раскрываются только в субатомной Вселенной. На этой территории действуют законы, которые кажутся нам странными и причудливыми, если сравнить то, что происходит там, с нашим опытом в реальном мире. Пытаясь понять эти законы и их последствия, наука натолкнулась на неизбежность существования антиматерии.

Законы движения Ньютона управляют поведением видимых вещей, в которых бесчисленные миллиарды атомов действуют согласованно, эти законы предсказывают, как будут ударяться друг о друга бильярдные шары. Но дело обстоит совсем не так, когда речь заходит об отдельных атомах и составляющих их частицах, которые занимают мир неопределенности, в котором есть только относительный шанс того, что все будет происходить так, как предсказано. В то время, как бильярдные шары отскакивают друг от друга определенным образом, некоторые атомы будут разлетаться в некоторых направлениях больше, чем другие, в некоторых местах окажется много атомов (как в густонаселенных районах), а в других их будет мало (как в пустыне).

Поведение отдельных атомов может казаться случайным, будто они действуют наугад, но в действительности это не так. Атомы показывают действие законов квантовой механики, которые предсказывают вероятность, что определенный атом сделает то или это. Я не могу предсказать, подбрасывая монетку, что выпадет – орел или решка, тем не менее, если я подброшу миллион монеток, то могу быть уверен, что результат окажется близок к 1:1, и чем больше я подброшу монет, тем большая уверенность в этом результате у меня появится. Точно так же дело обстоит и с атомами. Фундаментальные законы квантовой механики относятся к каждому отдельному атому. Я не могу с уверенностью предсказать, как отдельный атом отреагирует на удар, что получится в результате – орел или решка (если рассуждать метафорически), но когда задействованы миллионы атомов, случайное выпадение орла или решки постепенно выравнивается. Когда задействованы большие количества атомов, начинают работать законы Ньютона.

Законы Ньютона предсказывают, что движение шаров, сделанных из материи, будет идентично движению шаров из антиматерии: миллиарды атомов ведут себя так, как будут вести себя и антиатомы. Однако именно внутри отдельных атомов заключается биполярная природа материи, и именно так правят квантовые законы. Если соединить квантовые законы с теорией относительности Эйнштейна, становится ясно: одной формы материи недостаточно. Акт созидания во время Большого взрыва должен был привести к двум уравновешенным вариантам.

Атомы часто описывают как миниатюрные солнечные системы, а электроны – как планеты, которые кружатся вокруг ядра-солнца: нечто маленькое вращается вокруг чего-то большого в центре. Однако с тех пор, как была предложена эта картина, начались споры.

Земле требуется год для того, чтобы обойти вокруг Солнца, и она вращается так уже свыше четырех миллиардов лет. Сравните это с электроном в атоме водорода, который очевидно обходит находящийся в центре протон примерно за одну сотую скорости света и каждую секунду совершает около триллиона вращений. Можно выразить это и по-другому: за одну миллионную долю секунды электрон оборачивается вокруг находящегося в центре протона большее количество раз, чем Земля совершила оборотов вокруг Солнца за всю историю своего существования.

Эти идеи начали появляться в начале ХХ столетия, и существовала теория, что электрон может эмитировать такое электромагнитное излучение, что оно сразу же будет направлено в ядро в виде вспышки света. Но как тогда атомам выжить? Как они вообще смогли бы существовать?

Ответ дала квантовая теория. Когда речь идет о расстояниях, меньших миллионной доли миллиметра (это масштабы атомов), не следует руководствоваться опытом жизни в реальном мире. Он не может подсказать нам, что происходит.

Макс Планк (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики

В 1900 году Макс Планк показал, что световые волны эмитируются в микроскопических «квантах» энергии, известных как фотоны. В 1905 году Эйнштейн показал, что свет в них остается, путешествуя в пространстве. Это послужило началом квантовой теории, идеи о том, что у частиц могут быть обманчивые и переменные свойства, они не тут и не там, а «наиболее вероятно, здесь, но может, и там». В квантовой механике определенность заменяется вероятностью, она то увеличивается, то уменьшается. Успехом было объяснение того, как выживают атомы.

Квантовые волны можно представить в виде волн, накатывающих на кусок веревки. Представьте веревку, свернутую в лассо, на многослойной петле представьте цифры, как на часах. Если самая большая волна наблюдается в двенадцать, а спадает в шесть часов, то следующий пик получается в двенадцать. Однако если самая большая волна накатывает в двенадцать, а спад наблюдается в пять, то следующий пик будет в десять, и двенадцать уже не соответствует ритму волны. В 1912 году датский физик Нильс Бор понял, что эти волны электронов, циркулирующие в атомах, должны также идеально подходить каждой петле. Электроны не могут отправляться куда хотят, но могут двигаться теми путями, под которые идеально подстраиваются их волны. В частности, они не могут двигаться по спирали, подойти к ядру и разрушить его. Атом стабилен.

Нильс Бор (1885–1962) – датский физик-теоретик, создатель первой квантовой теории атома

Квантовые волны также объяснили тайну, которой было два века от роду: атомные спектры. Относительно просто вытрясти свет из атомов и заставить показать их уникальные спектры. Это можно сделать, добавив какой-то элемент, например, натрий к огню, и смотреть на свет сквозь призму или дифракционную решетку, в результате чего свет разделяется на составляющие его цвета-компоненты. Получится серия ярких линий, в случае натрия будут две особенно яркие желто-оранжевые. Это знакомый нам цвет уличных фонарей. Если мы возьмем пары ртути, то цвет будет голубовато-зеленым, у звезд – розовый, что объясняется способностью водорода эмитировать видимый свет с дальнего конца красной полосы радуги. Эти красивые цвета требовали объяснения. Благодаря чему они получаются? Почему они варьируются у разных элементов? Теперь мы знаем, что они являются результатом квантовых движений электронов внутри атомов.

Свет излучается, только когда электрон переходит с одного пути на другой (с одной петли на другую). Если изначальный путь принимал только электроны с высокой энергией, а электрон переместился на путь, где энергия ниже, разницу между двумя энергиями забирает фотон света, который излучается. Общая энергия остается той же самой, просто она перераспределяется. Таким образом, у фотонов могут быть конкретные количества энергии – определяемые «прыжками», которые может совершить электрон. Наши глаза видят разные ценности энергий фотонов как разные цвета. В результате излучаемый свет дает спектр цветов, который является уникальным для каждого атомного элемента. Именно благодаря этим цветовым «автографам» можно сказать, какой атомный элемент присутствует в космосе, когда космос направляет на нас свои лучи. Эти цветовые модели являются видимым доказательством того, что квантовые волны упорядоченной случайности правят в субатомном мире фундаментальных частиц.