Текст книги "Нереальная реальность-2"

Глава 15. Антивещество

Окружающий нас мир практически полностью состоит из вещества. Однако, точно установлено, что антивещество также существует.

Впервые учёные смогли синтезировать антиводород в лаборатории CERN в 1995 году. В дальнейшем, он был получен в значительном количестве и сейчас его свойства детально изучаются.

Технология получения антивещества заключается в направлении на материальную мишень потока высокоэнергетических частиц. Среди раздробленных «осколков» появляются антипротоны. Их, при помощи мощных магнитов, отделяют от обычного вещества. Затем антипротоны смешивают с антиэлектронами, получая в результате атомы антиводорода.

Сильное и электромагнитное взаимодействия, определяющие структуру материи абсолютно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Поэтому структура вещества почти идентична структуре антивещества. Отличие в том, что античастицы имеют противоположный заряд по отношению к обычным частицам. Частицы, не обладающие зарядом, например, фотон и гравитон, служат античастицами сами себе.

Вся масса материи и антиматерии при взаимодействии превращается в энергию. Такая реакция называется аннигиляцией. Звезда, состоящая наполовину из вещества и наполовину из антивещества, в один миг исчезла бы в гигантском взрыве.

При аннигиляции килограмма материи и килограмма антиматерии выделяется около 1,8×10¹⁷ Джоуль энергии. Примерно столько же энергии выделяется при взрыве самой крупной ядерной бомбы.

Огромный энергетический потенциал аннигиляции может быть использован на практике. Например, при строительстве принципиально новых двигателей космических кораблей. Сами по себе двигатели на антивеществе не представляют собой ничего особенно сложного с инженерной точки зрения. Однако, в настоящий момент их создание очень дорогостоящее. Появление в будущем ускорителей, специально предназначенных для промышленного производства антивещества, позволит снизить его себестоимость до вполне приемлемого уровня. Тогда станет реальным освоение дальнего космоса.

Возможно, антивещество существует в природе в естественном состоянии, но на чрезвычайно далёких от нас расстояниях. Мы не наблюдаем в космосе масштабных аннигиляций частиц и античастиц, потому что современная Вселенная огромна. Однако, в ранней Вселенной с её невообразимой плотностью и сверхмалыми расстояниями, невозможно представить себе материю и антиматерию, изолированную в разных областях пространства. Более логичной представляется гипотеза об их полной и неизбежной аннигиляции. Однако, мы с вами существуем. Значит, при рождении мира материя «выиграла битву за жизнь» у антиматерии.

Расчёты показывают, что в то время на каждые 1 000 000 000 антипротонов приходилось всего 1 000 000 001 протонов. Удивительно, но весь существующий мир, все галактики, звёзды, планеты, все материальные создания, включая нас с вами – результат изначального дисбаланса в соотношении один к миллиарду.

Но самое странное не то, что эта асимметрия столь ничтожна, а то, откуда вообще взялась разница между числом барионов и числом антибарионов. Почему изначально их количество не было равным?

Если материя преобладала в первичном веществе Вселенной по факту, то это автоматически придаёт изначальным условиям Большого Взрыва фундаментально искусственный статус.

Если же отношение материи к антиматерии было строго симметричным, то в какой-то момент по неизвестной причине должно было произойти нарушение сохранения барионного числа.

Кроме того, мы знаем, что Природа очень экономна. Возникает вопрос – для чего без всяких видимых причин наряду с веществом существует антивещество? Ведь создав антиматерию, Природа, по непонятным для нас мотивам, в два раза увеличила число элементарных частиц во Вселенной. Зачем?

Попробуем разобраться в этих сложных вопросах.

Состояние, имеющее барионное число ноль, характеризуется полной симметрией, то есть абсолютно равным количеством вещества и антивещества. Возможно, таковы были изначальные условия после Большого Взрыва.

В современной Вселенной барионное число больше нуля. Это асимметричная ситуация, при которой количество протонов превышает количество антипротонов. Означает ли подобное состояние, что положительное барионное число является абсолютным, то есть вечным? Или симметрия могла быть нарушена самим фактом рождения Вселенной?

Предположим существование на начальном этапе эволюции Космоса гипотетического балансирующего поля, способного в одинаковой мере взаимодействовать как с частицами, так и с античастицами, а также порождать их. Колеблясь, поле отдаёт частицам часть своей энергии. Общая энергия поля при этом каждый раз чуть-чуть уменьшается.

В момент зарождения Вселенной плотность её энергии была чрезвычайно велика. Балансирующее поле, таким образом, также обладало огромной энергией, которая, однако, сразу же стала уменьшаться, поскольку передавалась частицам и античастицам. То есть колебания этого поля постепенно «затухали» со временем, стремясь к минимуму. Наконец, когда вся энергия была передана материи, поле естественным образом исчезло.

Вышесказанное сложно понять неспециалисту, поэтому снова приходится прибегать к аналогии.

Представьте себе шарик, который без какого-либо внешнего воздействия перекатывается по ровной полированной ямке вверх-вниз, вверх-вниз, всё ниже и ниже опускаясь ко дну, чтобы там навсегда остановиться, «застыть».

Образно говоря, когда шарик катится по правой стороне ямки, то отдаёт энергию условным «правочастицам», а когда по левой стороне – «левочастицам».

Замерев на дне, шарик перестаёт наделять частицы энергией.

Тогда чуть-чуть больше энергии получат частицы той половины ямки, которую шарик преодолел последней, прежде чем навсегда остановиться на дне.

Если вообразить, что ямка – это парабола, а шарик – это поле, то в реальном мире частицы рождались при движении поля по левой ветви параболы, а античастицы по правой.

Однажды возникнув, поле начинает двигаться вниз, порождая частицы, проходит минимум (дно) и затем начинает подниматься вверх по правой части параболы, порождая античастицы. Но подняться у него получается уже чуть ниже аналогичной точки на левой стороне, поскольку в пути часть своей энергии поле успело отдать частицам.

Соответственно, когда начинается движение обратно к минимуму потенциальной энергии, число античастиц, порождённых полем, уже чуть меньше числа частиц.

Поскольку эти колебания продолжаются достаточно долго, число частиц всегда будет превышать число античастиц.

Разумеется, если бы Вселенная «родилась» на правой части условной параболы, мы состояли бы из античастиц. Но называли бы их частицами. А все фундаментальные законы нашего Мироздания остались бы неизменными.

Особенно важно, что в этом варианте ни частицы, ни античастицы не имеют никакого изначально заложенного искусственного преимущества. Просто так случилось, что поле последним колебанием перед «застыванием» наделило энергией именно частицу материи, а не антиматерии. Поэтому мы живём в мире вещества, случайно возникшем на левой части параболы, а симметрия была нарушена самим фактом зарождения Космоса.

Но, по-прежнему остаётся фундаментальная загадка. Совершенно непонятно почему зарождение произошло на левой (или, на правой, что, как мы убедились, не принципиально) стороне?

Ведь логика подсказывает, что любое зарождение более вероятно в минимуме потенциала, то есть на дне ямы. Правда, если бы случилось самое ожидаемое, то никакого движения поля просто бы не было. Оно всегда находилось бы в состоянии покоя. Частицы и античастицы не появились бы, а сегодняшнее пространство Вселенной было бы абсолютно пустым.

Есть ещё одна гипотеза, предложенная Фрэнком Вилчеком2121
  Вилчек Фрэнк – американский физик-теоретик.


[Закрыть], которая объясняет каким образом может быть нарушено барионное число. Оно основано на теории чёрных дыр.

Как известно, чёрная дыра является весьма скрытным объектом. Но кое-что о ней всё же можно узнать. Внешний наблюдатель может измерить такие свойства чёрной дыры, как масса, электрический заряд и угловой момент. Как видим, барионное число в этот список не попадает.

Здесь начинается самое интересное. Предположим, что у нас есть звезда, состоящая из материи, и антизвезда, состоящая из антиматерии. У них одинаковые масса, электрический заряд и угловой момент. Но, у звезды барионное число положительное, а у антизвезды отрицательное.

Из теории следует, что чёрная дыра, образовавшаяся при коллапсе звезды, будет абсолютно неотличима для внешнего наблюдателя от чёрной дыры, образовавшейся при коллапсе антизвезды. Таким образом, внешний наблюдатель не имеет никаких математических способов приписать конкретной чёрной дыре барионное число. Вы никак не сможете достоверно установить, из чего «сделана» чёрная дыра – из вещества или из антивещества. Следовательно, невозможно быть полностью уверенным в том, что барионное число во Вселенной сохраняется.

Есть ещё один интересный нюанс.

Мы точно знаем, что вещество и антивещество не могут сосуществовать, будучи однородно перемешанными. Это неизбежно приведёт к их взаимной аннигиляции. А что, если материя и антиматерия просто разделены огромными расстояниями в пространстве, изолированы друг от друга в безбрежной пустоте космоса?

Может, в целом во Вселенной антивещества совсем не меньше, чем вещества. Просто мы живём в космическом регионе, где властвует материя. В этом сценарии все ныне существующие автономные «острова» антиматерии должны были неизбежно начать формироваться на стадии инфляции. Только в этот период эволюции Вселенной существовала возможность быстро и эффективно растянуть пространство на огромные размеры.

Млечный Путь наверняка состоит из материи. Наблюдаемые высокоэнергетические частицы, прилетающие из космоса, также являются материей. Всё намного сложнее, когда речь идёт о галактиках, удалённых от нас на космологические расстояния в сотни миллионов световых лет. Как ни странно, наблюдая их, мы не сможем дать однозначный ответ на вопрос из чего они состоят – из материи или антиматерии.

Современная аппаратура детектирует кванты электромагнитного излучения, доходящие до нас от отдалённых галактик, то есть фотоны. Причём это не только видимый свет, но и космические лучи, и радиоволны. Проблема в том, что фотон является античастицей самому себе.

Поэтому для наблюдателя, свет, испущенный галактикой из вещества, абсолютно идентичен свету, испущенному галактикой из антивещества. Соответствие полное, вплоть до мельчайших деталей.

На удалённом расстоянии нет никакой возможности отличить по фотону материю от антиматерии. Задачу можно решить, если построить нейтринный телескоп. В отличие от фотона, нейтрино имеет античастицу антинейтрино. Поэтому детектирование по нейтрино смогло бы однозначно прояснить ситуацию. А пока что не верьте тому, кто будет утверждать, что мы совершенно точно живём в материальном мире. Наш космос вполне может быть чудом уцелевшим компактным регионом вещества в антивселенной.

Впрочем, есть ещё более захватывающий дух вариант.

Учёным давно известна одна интересная особенность уравнений Максвелла для света. Они допускают два решения. Одно нормальное, и одно «ненормальное», в котором луч света является «опережающей волной», приходящей из будущего в прошлое. Совершенно непонятно, что бы это значило.

Математика знает много парадоксов и можно было бы отнестись к этому факту, как к очередному «чудачеству» цифр. Беда в том, что уравнения Максвелла – слишком важная опора в фундаменте современной физики, поэтому игнорировать их решения нельзя. Даже если эти решения допускают существование световых волн, путешествующих во времени. Но и подступиться к разгадке парадокса очень сложно.

Дело в том, что наличие «опережающих волн» теоретически позволяет послать сообщение из будущего в прошлое и, тем самым, изменить ход истории. А это противоречит принципу причинности, ещё более незыблемому столпу науки, чем максвелловские уравнения. Все эти факты только придают дополнительную интригу проблеме.

Красивую идею её решения предложил Ричард Фейнман. Используя уравнения Дирака2222
  Дирак Поль Адриен Морис – британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики.


[Закрыть], он попробовал изменить направление времени на обратное в этой базовой математической формуле и получил удивительный результат. Выяснилось, что электрон, движущийся в прошлое, одновременно является позитроном, движущимся в будущее.

Это поразительный вывод.

Известно, что позитрон является античастицей электрона. Следовательно, исходя из этой логики, антивещество – это обычное вещество, но движущееся в прошлое.

При столкновении электрона и позитрона они взаимно аннигилируют с образованием гамма-кванта и выбросом энергии. При изменении заряда позитрона на противоположный, он превращается в электрон, движущийся назад во времени. Это выглядит так, будто электрон двигался нормально, в будущее, но затем резко развернулся во времени, выбросив определённое количество энергии. То есть, в реальности никакой аннигиляции позитрона и электрона нет, а есть момент разворота элементарной частицы во времени.

В этой концепции становится понятным, почему мы думаем, что у каждой частицы обязательно есть партнёр – античастица. Однако, это поверхностное впечатление. На самом деле их нет, просто частицы способны двигаться в прошлое и это кажется нам проявлением антивещества.

Более того, само традиционное понятие вещества следует откорректировать. Какое бы количество материи и антиматерии мы не столкнули между собой, весь колоссальный взрыв в результате аннигиляции триллионов электронов и позитронов при ближайшем рассмотрении оказывается одним электроном, совершившим молниеносные скачки туда-обратно во времени триллионы раз подряд.

То есть, каким бы огромным не был «кусок вещества», он может состоять всего из одного электрона, «скачущего» во времени. Кстати, такое предположение хорошо объясняет, почему в физике невозможно различить электроны. Все они кажутся абсолютно одинаковыми.

Если эти догадки верны, то во всей Вселенной может существовать всего один-единственный электрон, который перемещается во времени.

Тогда Большой Взрыв – крайне простое событие. Его результатом должно было стать появление на свет единственной элементарной частицы. Правда, очень особенной, способной путешествовать во времени.

В таком мире электрон рано или поздно доживёт до тепловой смерти Вселенной. Но лишь затем, чтобы, совершив виток во времени, вернуться в самое начало – к моменту нового Большого Взрыва. И породит иную реальность.

Поразительно, если весь наблюдаемый нами космос с кажущимся потрясающим разнообразием, вся природа, вся материя, включая нас с вами, является лишь историей о путешествиях во времени одинокого электрона.

Глава 16. Тёмная материя

Обычное вещество содержит протоны и нейтроны. Из них состоят звёзды, планеты и люди. Вплоть до конца XX века учёные были уверены, что вся материя Вселенной образована примерно из ста химических элементов периодической таблицы Менделеева. Однако, исследования, проведённые в открытом космосе научными аппаратами последнего поколения, кардинально поменяли картину Мироздания. Выяснилось, что поведение галактик невозможно объяснить только с учётом их видимой массы.

Массивные структуры искривляют свет, и современные приборы способны это зафиксировать по степени оптического искажения. Таким образом, можно увидеть недоступное человеческому глазу.

Определив, как искривляются лучи света, проходящие через галактики, а также скорость вращения галактических скоплений, удалось установить, что космическим объектам, участвующим в гравитационном взаимодействии, существенно не достаёт массы.

Наблюдаемого гравитационного притяжения явно недостаточно – все галактики должны были давно разбежаться друг от друга. Но что-то, какая-то загадочная субстанция удерживает их вместе, в единых скоплениях.

Стало понятно, что подавляющая часть космоса наполнена загадочным неизлучающим, невидимым веществом неизвестного происхождения – тёмной материей. Её доля в общем составе Вселенной составляет 23%.

Настоящий шок вызвал точно подтвержденный сейчас результат, согласно которому вся видимая нами материя, включая планеты и звёзды, составляет каких-то 4% от полной плотности всего вещества в космосе. Причём это, в основном, водород и гелий, а доля тяжёлых элементов не превышает 0.03%.

В нашей Галактике тёмной материи в пять раз больше привычного нам вещества. Звёзды являются редкими светлыми островками в огромном океане тёмной материи.

Астрономы установили, что внешние края диска Млечного Пути сильно искривлены. Самым достоверным объяснением этого факта является тёмная материя и вот почему.

Согласно убедительным астрофизическим моделям у нашей огромной Галактики должно быть тысячи маленьких галактик-спутников. Но их нет, реально наблюдается всего около тридцати. Такое расхождение объяснимо, если предположить, что тёмная материя простирается в пространстве не равномерно, а собирается в плотные гигантские облака. Именно по этой причине может быть искривлён диск Млечного Пути.

В галактиках тёмная материя распределена сферически. Больше всего её в центре, а по мере удаления от него, плотность тёмного вещества уменьшается как квадрат расстояния от центра. Это важное наблюдение, поскольку такое распределение материи соответствует современным научным представлениям о ранних этапах формирования звёздных скоплений.

Тёмную материю невозможно увидеть в телескоп и очень сложно «уловить» другими методами, потому что она свободно проникает сквозь обычную материю. Миллиарды её частиц незаметно пронизывают ваше тело ежесекундно.

При всём этом, тёмная материя очень стабильная субстанция. Её частицы не должны распадаться на более легкие составляющие, иначе все они давно бы уже исчезли за прошедшие с момента Большого Взрыва миллиарды лет. Возможно, тёмное вещество оберегает пока что неизвестный науке закон сохранения по аналогии с законом сохранения заряда, который не позволяет распасться электрону.

Кстати, ничего «тёмного» в тёмной материи нет. Наоборот, её правильнее было бы называть прозрачной, потому что свет свободно проходит сквозь неё.

Вся известная нам материя либо испускает, либо отражает свет. Материя, которую невозможно увидеть, является кардинально иной формой вещества. По большому счету, в самом факте существования тёмной материи ничего странного нет. Все объекты в космосе не обязаны быть ярче земных. Это ниоткуда не следует. По некоторым данным существуют галактики вообще без звёзд, состоящие исключительно из тёмной материи. Например, есть достойный кандидат – космический объект UGC10214. Может быть, «тёмных» галактик значительно больше, чем видимых. Просто пока что мы не способны их наблюдать.

В любом случае, факт остается фактом: галактики, звёзды, планеты, да и мы с вами состоим совсем не из главного вещества во Вселенной. Как бы неприятно это ни звучало для нас, необходимо признать, что обычная материя не более, чем прилипала на поверхности чего-то более глобального, значимого и важного, отвечающего за движение объектов в Космосе.

Что же это за могущественная сила?

Тёмная материя не излучает и не отражает электромагнитные волны. Эта субстанция состоит из очень тяжёлых частиц, проявляющих себя через гравитацию и, возможно, через слабое ядерное взаимодействие. Надёжными кандидатами на эту роль могут быть микроскопические объекты, способные проникать сквозь достаточно плотную материю, практически не оставляя при этом следов.

Первое напрашивающееся объяснение заключается в том, что тёмная материя является обычном веществом, но очень плохо видимым с дальних расстояний. Это могут быть галактики с пониженной яркостью, чёрные дыры, карликовые, нейтронные звёзды и тому подобные объекты.

Я считаю эту гипотезу маловероятной. Если бы масштабные структуры тёмной материи состояли из известных атомов или частиц, мы почти наверняка уже обнаружили некоторые из них современной чувствительной аппаратурой. В космосе есть весьма специфические материальные образования, но это явно не тёмная материя.

Вторая версия предполагает, что тёмная материя состоит из нейтрино. В каждом кубическом метре пространства содержится 55 миллионов нейтрино. Недавно точно установлено, что эти частицы имеют массу. Но, согласно произведённым расчётам, общая масса всех нейтрино во Вселенной примерно в сто раз меньше необходимой.

Нейтрино, скорее всего, слишком лёгкие, чтобы стать главным кандидатом на роль тёмной материи. Минус этой гипотезы также в том, что тёмная материя имеет свойство скапливаться в галактиках. А нейтрино слишком подвижная частица, чтобы организованно собираться в кучу. Возможно, что нейтрино составляет лишь часть так называемого горячего невидимого вещества.

Наконец, высказываются предположения, что хорошими кандидатами на роль частиц тёмной материи могут стать так называемые суперсимметричные частицы. Например, партнёры фотона – фотино, бозона Хиггса – хиггсино, Z-бозона – зино.

Теоретически они способны проникать сквозь большую массу материи, включая звёзды и планеты практически без малейшего влияния на их движение. Чтобы претендовать на роль частиц тёмной материи, суперсимметричные партнёры должны быть очень массивными, до тысячи масс протона. Это приемлемые параметры для их экспериментального обнаружения на разрабатываемых моделях новых ускорителей частиц. То есть, суперсимметричных партнёров, возможно, откроют и изучат уже в ближайшие годы.

Однако, большинство физиков считает, что основными претендентами на роль «кирпичиков» тёмной материи являются вимпы (от английского wimp —weakly interacting massive particle).

Это слабо взаимодействующие массивные нейтральные частицы, не способные сконцентрироваться в сложные структуры. Когда вимп сталкивается с обычной частицей, их контакт приводит к выделению определённого типа излучения, которое можно зафиксировать даже имеющейся аппаратурой. Правда, их поиски осложнены тем, что тёмная материя может иметь несколько видов с разными характерными свойствами.

Предположительно вимпы образовались на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, практически сразу после Большого Взрыва. Главные кандидаты на эту роль – нейтралино и аксион, частица с чрезвычайно малой массой и очень слабым взаимодействием.

Если вимпы существуют, то каждую секунду вас принизывает 1 000 000 000 000 таких частиц. К счастью, они в принципе не способны столкнуться с молекулами вашего тела. Вимпы, в отличие от нейтрино, условно причисляют к холодной форме тёмного вещества. Это тяжёлые и медленные частицы. Нейтрино, наоборот, лёгкие и быстрые.

Как видите, даже беглый анализ показывает, что единой позиции у учёных нет. Во всех гипотезах слишком много допущений, поэтому, возможно, надо что-то менять в самом подходе к проблеме.

Какая-то часть скрытой массы вполне может оказаться плохо различимыми обычными небесными телами, ещё одна – вимпами, третья – нейтрино, партнёрами бозонов или другими видами всё ещё не открытых элементарных частиц.

Однако, в целом, тёмная материя – это нечто принципиально иное. Я предполагаю, что мы имеем дело с совершенно особым видом вещества, которое по какой-то причине очень слабо взаимодействует с привычными нам химическими элементами.

Некоторые физики даже допускают, что существование тёмной материи ставит под сомнение правильность законов Ньютона о гравитации и теории относительности Эйнштейна. Но, я думаю, что не всё так кардинально.

Возможно, для разгадки свойств тёмной материи надо смотреть в космос не «сейчас», а в далёкое прошлое. Всё говорит за то, что тёмная материя играла заглавную роль в формировании масштабных космических структур.

Изначально образовались массивные гравитационные «сгустки» тёмной материи и лишь затем вокруг них стало скапливаться обычное видимое вещество протогалактик. «Сгустки» формировались в ходе самых первых флуктуаций тяжёлых частиц. Процесс происходил практически сразу после Большого Взрыва, то есть задолго до образования обычных атомов.

Таким образом, тёмная материя была колыбелью для конденсации вещества. Без её участия Вселенная просто не приобрела бы современный вид.

Когда через 300 000 лет после Большого Взрыва, в космосе стали формироваться первые лёгкие атомные ядра, Вселенная уже настолько расширилась, что гравитация была не способна сдержать кинетическую энергию разлетающегося во все стороны вещества. Галактики не должны были появиться в мире нашей физики.

И вот тут на выручку пришла тёмная материя, став необходимым сдерживающим фактором. Она первой сконцентрировалась вокруг будущих ядер галактик. Здесь пригодилось её свойство жёсткой нейтральности. Протогалактики скрытой массы остались стабильными и не разлетелись в силу того, что тёмная материя не взаимодействовала с энергетическим излучением.

Таким образом, когда возникли атомы обычного вещества, в космосе уже существовали масштабные структуры «сгустков» скрытой массы, к которым было комфортно гравитационно «прилипнуть».

Такой взгляд на проблему объясняет почему первые галактики сформировались «всего лишь» через миллиард лет после Большого Взрыва. Помогла тёмная материя, выступившая своеобразным катализатором объединения. Обычное вещество за это время просто не успело бы сконденсироваться в достаточно плотные и компактные облака.

Роль тёмной материи станет ещё более значимой по мере старения Космоса. Время, которое необходимо тёмной материи для активного взаимодействия пока что не наступило, поскольку превышает современный возраст Вселенной. Поэтому сегодня она весьма инертна. Однако, в отдалённом будущем именно частицы тёмной материи станут основным источником энергии в Космосе.