Физика невозможного - Мичио Каку

Эта теория допускает существование небольших количеств антивещества, возникшего естественным образом. Если нам удастся обнаружить его запасы, стоимость производства топлива для двигателей на антивеществе резко упадет. В принципе искать «залежи» естественного антивещества должно быть несложно. Когда электрон встречается с позитроном, оба аннигилируют, излучая при этом гамма-кванты с энергией 1,02 МэВ или выше. Поэтому, просканировав небо в поисках гамма-лучей с такой энергией, можно безошибочно отыскать следы присутствия естественного антивещества.

В самом деле, доктор Уильям Пёрселл из Северо-Западного университета обнаружил «фонтаны» антивещества в галактике Млечный Путь, недалеко от ее центра. По всей видимости, там имеется поток антивещества, который при столкновении с обычным водородом порождает характерное гамма-излучение с энергией 1,02 МэВ. Если этот поток имеет естественное происхождение, то, возможно, во Вселенной существуют и другие «карманы» антивещества, которое не было уничтожено во время Большого взрыва.

Для более систематических поисков антивещества естественного происхождения в 2006 г. на орбиту был выведен спутник PAMELA, разработанный совместными усилиями России, Италии, Германии и Швеции и предназначенный для поисков сохранившихся участков антивещества. Предыдущие попытки такого рода ограничивались использованием высотных аэростатов и шаттлов, т. е. сбор данных продолжался не более недели. PAMELA же будет работать на орбите по крайней мере три года. «Это лучший детектор из всех, что были до сих пор, и мы будем пользоваться им долгое время», — говорит участник проекта Пьерджорджо Пикоцца из Римского университета.

Прибор разработан для регистрации космических лучей как от обычных источников, таких как сверхновые, так и от неожиданных и необычных, таких как звезды, состоящие целиком из антивещества. Говоря более конкретно, PAMELA будет искать след антигелия, который может возникать в недрах антизвезд. Сегодня большинство физиков уверены, что в результате Большого взрыва вещество и антивещество во Вселенной аннигилировали почти полностью, как и предположил в свое время Сахаров, но прибор PAMELA будет работать, исходя из другого предположения — что в этой аннигиляции не участвовали целые области Вселенной с преобладанием антивещества, где оно и сегодня существует в виде антизвезд.

Если антивещество в небольших количествах существует в открытом космосе, то не исключено, что можно будет «собирать» его и использовать в качестве топлива для звездолетов. Институт перспективных концепций NASA достаточно серьезно воспринимает идею сбора антивещества в космосе, о чем свидетельствует недавно выданный грант на пилотный проект по изучению этой идеи. «Упрощенно говоря, вам нужно создать сеть вроде рыболовной», — говорит Джеральд Джексон из компании НЬаг Technologies, принимающей в этом проекте активное участие.

Основой предполагаемого устройства для сбора антивещества служат три концентрические сферы, изготовленные из проволочной сетки. Внешняя сфера диаметром 16 км должна быть положительно заряжена; она будет отталкивать положительно заряженные протоны, но притягивать отрицательно заряженные антипротоны. Антипротоны, прошедшие через первую сферу, будут замедляться, проходя через вторую, и останавливаться на подходе к внутренней сфере диаметром 100 м. Там антипротоны будут захватываться магнитным полем и смешиваться с позитронами для получения антиводорода.

Согласно оценке Джексона, управляемая аннигиляция вещества и антивещества внутри космического корабля могла бы довести его под солнечным парусом до Плутона при расходе всего лишь в 30 мг антивещества. Чтобы долететь до Альфы Центавра, звездолету, по этим же расчетам, потребуется 17 г антивещества. В то же время Джексон утверждает, что между орбитами Венеры и Марса может присутствовать до 80 г антивещества, которое теоретически можно собрать при помощи такого космического зонда. Однако, принимая во внимание технические проблемы и стоимость запуска гигантского сборщика антивещества, можно предположить, что этот проект будет реализован не раньше конца XXI в., а то и позже.

Некоторые ученые мечтают получить антивещество из астероида, свободно дрейфующего в открытом космосе. (В серии комиксов «Флэш Гордон» когда-то фигурировал летящий по космосу зловещий астероид из антивещества, способный при встрече с любой планетой вызвать ужасающий взрыв.)

Если антивещества естественного происхождения в космосе не отыщется, нам придется ждать несколько десятилетий, а то и столетий, прежде чем мы на Земле сможем наладить производство существенных его количеств. Но если предположить, что технические проблемы производства антивещества решаемы, вероятность того, что когда-нибудь корабли с двигателями на антивеществе помчат нас к звездам, остается значительной.

Учитывая все, что нам на сегодняшний день известно об антивеществе, и предполагая дальнейшее развитие связанной с ним технологии, я бы определил ракетные корабли на антивеществе как невозможность I класса.

Что такое антивещество? Представляется странным, что природа без всяких видимых причин удвоила число элементарных частиц во вселенной. Как правило, природа очень экономна — но в отношении пары вещество-антивещество она, похоже, повела себя в высшей степени расточительно. Кроме того, возникает еще один вопрос: если существует антивещество, может быть, существуют и антивселенные?

Чтобы поискать ответы на эти вопросы, нам придется разобраться в истории самого антивещества. Открытие его относится еще к 1928 г., к новаторским работам Поля Дирака, одного из самых блестящих физиков двадцатого столетия. Он занимал лукасовскую кафедру в Кембриджском университете — ту самую, которую в свое время занимал Ньютон и которую в настоящее время занимает Стивен Хокинг. Дирак родился в 1902 г.; он был молодым человеком, высоким и жилистым, когда в 1925 г. разразилась квантовая революция. В этот момент Дирак изучал электротехнику, но волна интереса, разбуженного новой теорией, захватила его и навсегда изменила его жизнь.

Квантовая теория базируется на представлении о том, что частицу вроде электрона можно описать не только как точечный объект, но и как некую волну, отвечающую знаменитому волновому уравнению Шрё'дингера. (Волновая функция представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке.)

Но Дирак быстро понял, что уравнение Шрёдингера имеет серьезный недостаток. Оно описывает только медленно движущиеся электроны. На более высоких скоростях уравнение перестает действовать, так как не подчиняется законам относительности Альберта Эйнштейна — а ведь именно эти законы описывают поведение объектов на высоких, околосветовых скоростях.

Юному Дираку сразу захотелось так переформулировать уравнение Шрёдингера, чтобы попытаться включить в него и законы теории относительности. В 1928 г. молодой ученый предложил свой вариант уравнения Шрёдингера — достаточно радикальную его модификацию, которая в полной мере соответствовала теории относительности Эйнштейна. Ученый мир был потрясен. Дирак отыскал свое знаменитое релятивистское уравнение для электрона путем чисто математических манипуляций с высшими математическими объектами, известными как спиноры. Внезапно математическая диковинка оказалась центральной фигурой во всей Вселенной. [До Дирака многие физики были убеждены, что великие открытия в физике должны стоять на прочной базе экспериментальных данных, но Дирак выбрал противоположную стратегию. Для него чистая математика — если, конечно, она была достаточно красива — служила путеводной звездой на пути к великим открытиям. Он писал: «Красота уравнений важнее, чем их соответствие экспериментальным данным... представляется, что если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь здоровой интуицией, то ты на верном пути».)

Работая над новым уравнением для электрона, Дирак обнаружил, что прославленное уравнение Эйнштейна, Е = mc2, не совсем верно. Это уравнение верно лишь отчасти, несмотря на то что его можно увидеть повсюду: на рекламах Мэдисон-авеню и на детских футболках, в мультиках и на костюмах супергероев. Верное уравнение выглядит так: Е = ±mc2. (Минус возникает потому, что в процессе вывода нам приходится брать квадратный корень из определенной величины. А операция взятия квадратного корня всегда привносит в выражение неопределенность в знаке.)

Но физики не выносят отрицательной энергии. В физике существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря). А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, то перспектива появления отрицательной энергии чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак изобрел концепцию «моря Дирака». Он предположил, что все состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому электрон никак не может туда провалиться. Следовательно, Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гамма-квант превращается в электрон, а в море Дирака возникает дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.