Антивещество

С точки зрения налогоплательщика современная физика от повседневной жизни «страшно далека», и не в последнюю очередь из-за необычайной сложности решаемых ею задач. Физики в то же время нуждаются в деньгах – к примеру, для строительства новых ускорителей, – и в этой ситуации налогоплательщики, вполне естественно, ожидают доступного рассказа о том, чем эти ускорители будут обществу полезны. По этой причине и сами физики, и научные журналисты должны постоянно рассказывать о своих достижениях и делать это в максимально привлекательной форме. Одной из самых привлекательных тем для популяризации возможностей современной физики становятся, в частности, космические исследования. Рассказывая, например, о свойствах чёрных дыр, мы естественным образом переходим к рассказу о невероятных возможностях Большого адронного коллайдера.

Отличной возможностью обсудить достижения современной физики стало открытие, сделанное астрономами в апреле 2007 г. Им удалось обнаружить существование двух планет, вращающихся вокруг красного карлика Gliese, находящегося на расстоянии двух десятков световых лет от Солнца. Среди экспертов весьма распространена точка зрения, согласно которой на этих планетах вполне может существовать жизнь. Ожидается, что и Европейское космическое агентство ESA и американское NASA включат эти планеты в число объектов исследования для будущих космических экспедиций. В этой ситуации научное сообщество начинает активное обсуждение возможных способов достичь планетную систему звезды Gliese, и в 2007 г. в специальном выпуске, посвящённом 50-летию запуска первого спутника, журнал New Scientist посвятил этому вопросу отдельную статью.

Расстояние в 20 св. лет превышает расстояние от Земли до Солнца в миллион раз. Можно ли его преодолеть? Обычные ракеты на химическом топливе для этой цели, безусловно, не подходят. Самый «быстрый» из находящихся в настоящее время в космосе космических аппаратов, «Вояджер-1», движется за пределы Солнечной системы со скоростью всего лишь 17?км/с. С такой скоростью он долетел бы до Gliese только через 350 000 лет.

На 90% меньше времени занял бы полёт с использованием энергии ядерного деления, но и 30 000 лет является столь же гипотетическим числом...

Вспомним, однако, про столь любимые фантастами космические «парусники». Ускорение космического корабля, движимого парусом, который улавливает летящие со стороны Солнца фотоны, будет, хотя и небольшим, однако практически неизменным во времени. Эксперты из американской компании Pioneer Astronautics подсчитали, что вполне реально изготовить парус, с помощью которого космический аппарат сможет достичь скорости 3000 км/c. Заметим, что в последнее время благодаря появлению нанотехнологий у этого проекта обозначились реальные перспективы. Действительно, только нанотехнологии могут обеспечить необходимую парусу сверхвысокую прочность и одновременно небольшую собственную массу, а также устойчивость к высокотемпературным воздействиям. Для изготовления такого паруса исключительно перспективны углеродные нанотрубки с металлическим покрытием, – изготовленный на их основе сверхлёгкий парус толщиной несколько нанометров мог бы приближаться к Солнцу без риска расплавиться. Однако вряд ли человечество будет обладать соответствующими технологиями раньше, чем через три десятилетия.

У космического парусника есть одно неоспоримое преимущество: он практически не нуждается в запасах топлива. В то же время есть ещё один способ передвижения в межзвёздном пространстве, при котором расходуется крайне незначительное количество топлива. Мы имеем в виду гипотетический вариант использования энергии аннигиляции. Напомним, что при аннигиляции – реакции соединения вещества и антивещества – энергии на единицу массы выделяется в 1000 раз больше, чем в процессе деления ядер, и в 100 раз больше, чем при ядерном синтезе. Наиболее распространена аннигиляция электрона и позитрона: частица (электрон) и античастица (позитрон) исчезают, а из точки их столкновения вылетают два гамма-кванта. В процессе аннигиляции высвобождается вся «запасённая» в веществе энергия, как и предсказывает известная формула Эйнштейна E = mc2.

Впервые о возможном существовании античастиц заявили физики-теоретики. Эту гипотезу сформулировал в 1928 г. англичанин Поль Дирак. При этом он никак не мог предполагать, что его гипотеза так быстро будет подтверждена в эксперименте. Прошло всего-навсего три года, и в 1931 г. Карл Андерсон, сотрудник лаборатории Милликена в Калифорнийском технологическом институте (США), исследуя в сильном магнитном поле треки космических лучей, обнаружил следы неизвестной положительно заряженной частицы. Немедленно были проведены дополнительные исследования и установлено, что неизвестная частица идентична электрону во всем, кроме знака заряда, т.е. является его античастицей. Так Андерсон, сам того не ожидая, подтвердил экспериментально гипотезу Дирака.

Получить античастицы искусственным путём оказалось существенно сложнее, только после появления достаточно мощных ускорителей элементарных частиц эта задача была успешно решена. Именно в ходе экспериментов на ускорителе О.Чемберлен и Э.Сегре получили первый антипротон. Это произошло в 1955 г. Добытое с такими трудами антивещество нужно было, однако, как-то сохранить. В результате физики научились удерживать античастицы с помощью специальных ловушек, используя для этого сложные геометрические конфигурации электрических и магнитных полей. Нобелевский комитет не оставил без внимания исследования антивещества: и Дирак, и Андерсон, и Чемберлен с Сегре в разные годы стали лауреатами самой престижной в мире научной награды.

Что же касается двигателя, работающего на энергии аннигиляции, то его возможная конструкция была весьма подробно исследована в США в рамках известной программы стратегической оборонной инициативы (СОИ). Хранятся атомы антивещества в электромагнитной ловушке и подаются в специальную камеру посредством магнитного поля. В этой камере антивещество взаимодействует с обычным веществом, в результате чего возникает поток фотонов гамма-излучения. Переносимый этими фотонами импульс достаточно велик, и его можно использовать непосредственно для разгона космического корабля. К примеру, поток фотонов можно направить на парус, о котором мы говорили выше. Если же в камере происходит аннигиляция протонов и антипротонов, то там образуются не только фотоны, но разные заряженные частицы большой массы, например мезоны. Они также могут быть использованы для разгона корабля. Управлять же их движением можно с помощью магнитного поля.

Эксперты NASA произвели соответствующие расчёты: использующий энергию антивещества космический корабль массой 100 т сможет достичь скорости 100 000 км/с. Чтобы долететь до планетной системы звезды Gliese, потребуется 60 лет, – этот срок уже вполне доступен человеческому воображению. Столь продолжительный полёт возможен, однако, лишь если мы располагаем достаточным количеством антивещества. Эту проблему вполне мог бы решить профессор Леонардо Ветру, сумевший не только получить, но и сохранить 500 нг антивещества – втайне от директора ЦЕРНа – в контейнере специальной конструкции. Профессора Ветру, а также определение антивещества как жидкой плазмы, состоящей из миллионов позитронов, придумал американский писатель Дэн Браун. Сюжет его известного романа «Ангелы и Демоны» построен на том, что упомянутый выше контейнер похищают у профессора члены секты иллюминатов. Профессор убит, а контейнер иллюминаты закладывают под собор Святого Петра как месть католической церкви за многолетние гонения на науку.

До возможностей профессора Ветру современной физике весьма далеко. Приблизительные оценки показывают, что «добытое» при помощи ускорителей антивещество будет стоить 60 000 долл. за нанограмм. К 2020 г., по самым оптимистичным прогнозам, мы сможем «произвести» 39 нг антивещества. Накапливая антивещество с такой скоростью, мы будем располагать первым граммом через миллиард лет...

Есть, однако, и альтернативные способы добычи антивещества. Известно, что его частицы образуются в межзвёздном пространстве естественным путём – при взаимодействии космического излучения высокой энергии с межзвёздными газовыми облаками. Дж.Бикфорд (США) оценил интенсивность такого взаимодействия: по его подсчётам, в течение 1 ч наша Солнечная система пополняется приблизительно 3,6 т антивещества. Античастицы появляются и в более близкой к нам области пространства, когда космическое излучение взаимодействует с атмосферой Земли или с атмосферами газовых гигантов Юпитера и Сатурна. При движении в магнитных полях этих планет, заряженные античастицы образуют радиационные пояса, похожие на окружающие Землю радиационные пояса Ван Алена.

Пусть в нашем распоряжении имеется космический корабль, на борту которого есть мощный источник магнитного поля, и пусть этот корабль движется по орбите вокруг Юпитера. В этом случае магнитное поле корабля будет «захватывать» антипротоны, встречающиеся на его пути… Однако пока электромагниты достаточной для этого мощности мы изготавливать не умеем. Но даже если бы и умели, то таким образом на околоземной орбите нам удалось бы собрать за год всего несколько нанограммов антипротонов. Эффективнее протекал бы процесс сбора антивещества в окрестностях Сатурна, но даже там за год нам не удалось бы получить больше трети миллиграмма антивещества. Такими темпами на получение 1 г антивещества ушло бы несколько тысяч лет!

Мы приходим к неутешительному выводу: возможности современной физики не позволяют обсуждать тему двигателей на антивеществе даже как отдалённую перспективу исследований космоса. Однако эксперты, а вместе с ними и научные журналисты, продолжают внимательно следить за происходящим в физических лабораториях. Все мы помним, какими неожиданностями наполнена история науки XX столетия. Помним мы и о том, насколько грандиозными в некоторых случаях были последствия этих открытий – и для физики, и для всего человечества.