Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Закрытие раздела "Электронный архив журнала" с 1 июля 2017 г.
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
 Самое интересное 
Самые яркие статьи за все годы существования журнала. Пока выложены только статьи 2007-2010 годов, но мы работаем над продолжением этого.
Антимиры напоминают о себе

Александр Волков

Высоко в небе над Ватиканом возникла искра размером с булавочную головку… Такого белого и чистого света людям Земли видеть еще не доводилось. (Дэн Браун, «Ангелы и демоны»)

Мир антивещества – это своего рода Зазеркалье, «параллельный мир», необычайно похожий на наш мир, мир вещества, и в то же время очень отличающийся от него. Антивещество наделено почти теми же характеристиками, что и вещество. Лишь отдельные их свойства разнятся, но они, словно пропасть, разделяют два этих мира. Так, античастицы имеют точно такую же массу, такой же спин, такую же продолжительность жизни, как и их двойники, но их заряды, например, противоположны.

В 1931 году первым предположил существование античастиц английский физик Поль Дирак, а уже год спустя антиэлектроны (позитроны) были экспериментально обнаружены американским физиком Карлом Андерсоном (подробнее об открытии антивещества смотрите «З–С», 2/06). На протяжении двух десятилетий, с 1955 по 1973 год, американские и советские ученые, а также исследователи, работающие в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), открывали все новые античастицы: антипротоны, антинейтроны, а также ядра антидейтерия, антитрития, антигелия-3. Но затем наступило затишье. Исследования застопорились. Вопросы же все накапливались…

Мир, сотканный из крох

Особый интерес антивещество неизменно вызывало у физиков-теоретиков, которые стремились понять, почему сразу после Большого Взрыва все вещество, составляющее нашу Вселенную, не уничтожилось, встретившись с антивеществом. Ведь всякий раз, как только частицы вещества вступают в контакт со своими антиподами, они аннигилируют – самоуничтожаются, испуская поток электромагнитного излучения.

Этот феномен – аннигиляция – является самым эффективным источником энергии, который нам известен. Ведь при контакте вещества с антивеществом вся его масса покоя преобразуется в «чистую» энергию. Так, при аннигиляции одного килограмма антивещества выделяется 1,8 х 1017 джоулей энергии. Такое же количество энергии образуется при взрыве 43 мегатонн тринитротолуола. Примерно столько же энергии выделилось при взрыве крупнейшей водородной бомбы, «Царь-бомбы» (ее испытание состоялось 30 октября 1961 года, а расчетная мощность составила 51,5 мегатонны).

Впрочем, воспользоваться этим источником энергии практически невозможно. Ведь в мире, окружающем нас, нет места антивеществу. Оно давно исчезло. Все оно превратилось в лучистую энергию еще в раннюю эпоху существования Вселенной. Предполагается, что сразу после Большого Взрыва возникло примерно поровну и вещества, и антивещества. У каждой частицы имелся свой «зеркальный двойник» – античастица. Поэтому, пытаясь объяснить, почему видимый нами мир все-таки существует, ученые предположили, что вещества во Вселенной изначально было чуть больше – примерно на миллиардную долю больше! – чем антивещества, и именно благодаря этой асимметрии крошечная толика его сохранилась. Из немногих уцелевших крох постепенно и возник весь этот огромный, удивительный мир. Причину фундаментального нарушения симметрии ученые давно стремятся понять.

В последнее время антивещество все чаще появляется в научных лабораториях. В его исследовании наблюдается заметный прогресс. Физики научились не только изготавливать антивещество, но и накапливать его и проделывать над ним различные манипуляции. Сейчас готовится целый ряд хитроумных проектов, призванных ответить на некоторые фундаментальные вопросы, волнующие ученых. Почему антивещества изначально было меньше, чем вещества? Почему в нашем мироздании возникла эта поразительная асимметрия?

Ответы на эти вопросы, думается, можно найти, тщательно изучив свойства антивещества. Ученые полагают, что античастицы не только по знаку заряда, но и по некоторым другим характеристикам должны чуть-чуть отличаться от обычного вещества. Но это еще надо доказать! Возможно, дальнейшие эксперименты на Большом адронном коллайдере и других крупнейших ускорителях мира помогут разрешить загадку антивещества, хотя, быть может, окончательно все прояснится лишь в рамках теории струн или теории суперсимметрии.

Антирекорд 2011 года

Вплоть до 2010 года самыми тяжелыми известными нам образованиями, состоящими из античастиц, оставались атомные ядра антигелия-3 (впервые они были обнаружены в 1969 году в Протвино советскими физиками под руководством Ю.Д. Прокошкина). В их состав входят соответственно два антипротона и один антинейтрон.

Но два года назад в эксперименте, проведенном на ускорителе RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Аптоне, под Нью-Йорком, было получено антивещество нового типа. Во время этого эксперимента ионы золота разгонялись почти до световой скорости и сталкивались друг с другом. По мере того, как возникшая при этом кварк-глюонная плазма остывала, образовывались нейтроны, протоны и их антиподы. Это, в конце концов, и привело к появлению антигипертритона. Это образование состоит из антипротона, антинейтрона и антигиперона.

Впрочем, антирекорд недолго принадлежал антигипертритону. В прошлом году исследователям, работавшим на том же ускорителе RHIC, удалось обнаружить антигелий-4. Его поиск оказался сложнее пресловутых исканий иголки в стоге сена. Всего в ходе эксперимента было зарегистрировано 18 атомных ядер этого антивещества, состоящих, соответственно, из двух антипротонов и двух антинейтронов. Ради того, чтобы их обнаружить, физикам пришлось пронаблюдать примерно за миллиардом столкновений ионов золота.

Вероятно, антигелий-4 еще долго будет оставаться самым тяжелым атомом антивещества, известным науке. Ведь получить антилитий-6 – следующий химический элемент в этом перечне, опрокинутом в минус-бесконечность, невероятно трудно. По расчетам специалистов, работающих на RHIC, для выполнения поставленной задачи надо произвести в миллион раз больше столкновений атомных ядер, чем было при получении антигелия-4. Это превосходит возможности и ускорителя RHIC, и Большого адронного коллайдера.

И все-таки цель очень заманчива. Если накопить достаточно большое количество атомов антилития, то в нашем распоряжении впервые окажется антивещество, которое при комнатной температуре будет пребывать в твердом состоянии.

А можно ли когда-нибудь сконструировать более тяжелые антиатомы или антимолекулы? Или даже создать «периодическую таблицу химических антиэлементов» по примеру таблицы Менделеева?

Главная проблема в том, что любой антиатом надо кропотливо собирать из субатомарных античастиц. Например, для изготовления антидейтерия следует для начала получить антипротон и антинейтрон, а затем соединить их друг с другом. Однако антинейт-рон – электрически нейтральная частица, а потому им нельзя манипулировать с помощью электромагнитного поля. В таком случае нужно располагать большим количеством антинейтронов, и тогда, может быть, удастся соединить хотя бы одну из миллиона этих античастиц с антипротоном.

И так – для каждого антиатома!

Поэтому многие специалисты настроены скептично, когда речь заходит о производстве тяжелых атомных антиядер. Так, Фрэнк Клоуз из Оксфордского университета отмечает: «На это, может быть, уйдет миллион лет, если, конечно, человечество доживет до этого времени».

У ученых больше надежды на то, что тяжелые антиатомы удастся обнаружить в потоке космического излучения. Возможно, где-нибудь в отдаленной области Вселенной и существуют антизвезды или облака антивещества, сохранившиеся со времен Большого Взрыва. Оттуда в сторону нашей Галактики устремляются античастицы, и некоторые из них достигают Солнечной системы, оказываясь в окрестности Земли. Впрочем, многим исследователям эта гипотеза кажется ошибочной. Ведь, начиная с 1998 года, ведется поиск атомов антигелия в космическом излучении, но выявить их так и не удалось.

Оружие ангелов и демонов

Европейские исследователи не отстают от своих американских коллег. Ведущие позиции в изучении антивещества занимает ЦЕРН. Именно здесь разжились порцией античастиц для своей бомбы персонажи романа Дэна Брауна «Ангелы и демоны», задумавшие взорвать Ватикан.

На самом деле, накапливать антивещество невероятно трудно, ведь оно не должно вступать в контакт с веществом. Изготовить же четверть грамма этой субстанции и начинить ей бомбу – это из области (пока еще) ненаучной фантастики.

Даже, если собрать все антивещество, полученное в лабораториях ЦЕРН за последние сорок лет, в сумме наберется не более 10 миллиардных долей грамма. В случае, – продолжим нашу умозрительную игру, – если бы все это антивещество одновременно вступило в контакт с веществом, то эффект от аннигиляции оказался бы не опаснее вспышки пламени от спички, чиркнувшей по коробку. Этой энергии было бы недостаточно даже для того, чтобы в течение пары минут освещать комнату с помощью лампочки накаливания. Где уж там зарево над Ватиканом, «растекающееся во все стороны море огня»?!

Как признают сами исследователи, при современных технологиях им понадобились бы миллиарды лет, чтобы накопить антивещество в количестве, достаточном для бомбы, описанной Дэном Брауном. Расчеты показывают, что при нынешнем уровне производства антивещества в ЦЕРН потребуется ждать в десять тысяч раз дольше, чем существует наша Вселенная (а это, ни много ни мало, – почти 14 миллиардов лет), чтобы изготовить такое количество (анти)взрывчатки, которое произвело бы эффект, сравнимый с взрывом атомной бомбы. К тому же любая бомба стоила бы гораздо дешевле, чем горстка антивещества. Ведь речь идет, несомненно, о самом дорогом веществе на Земле.

Несколько лет назад физик Джеральд Смит скрупулезно подсчитал себестоимость позитронов. Выяснилось, что всего 10 миллиграммов этой диковинной субстанции обошлись бы покупателю в четверть миллиарда долларов. Изготовление антиводорода, состоящего из отрицательно заряженного антипротона и положительно заряженного позитрона, – еще более дорогая операция. Сотрудники ЦЕРН оценили стоимость производства всего одной миллиардной доли грамма в несколько сотен миллионов евро.

Антиводород у полюса холода

Мы говорим об антиатомах как о чем-то само собой разумеющемся. Между тем, первые антиатомы были получены в ЦЕРН сравнительно недавно – в 1995 году (руководил экспериментом немецкий физик Вальтер Элерт). Это были девять атомов антиводорода. Два года спустя тот же эксперимент повторили в стенах Национальной лаборатории Ферми (США). Там зарегистрировали 66 атомов антиводорода. Со временем их производство было поставлено в ЦЕРН на поток.

В 2000 году вступил в строй Antiproton Decelerator, «антипротонный замедлитель». Речь идет об огромном накопительном кольце (длина его окружности составляет 180 метров). Попавшие сюда антипротоны стремительно замедляют свое движение. Достигается это благодаря различным экранам из электрических полей, а также облаку из нескольких миллионов электронов. Понятно, что антипротоны и электроны не могут уничтожить друг друга, поскольку не являются непосредственными антиподами, но они мешают друг другу двигаться.

В минувшем десятилетии Antiproton Decelerator регулярно использовался как источник антипротонов для многочисленных экспериментов (ACE, AEGIS, ALPHA, ASACUSA, ATHENA и ATRAP). В этом перечне следует выделить эксперимент ACE (Antiproton Cell Experiment). В нем исследовались методы борьбы с онкологическими заболеваниями при помощи античастиц. Во всех остальных проектах изучался антиводород: методы его изготовления, охлаждения и накопления, а также характеристики этого вещества.

Для физиков-теоретиков производство антиводорода – не самоцель. Эксперименты, проводимые с ним, открывают перед учеными новые возможности анализа и изучения законов природы.

Уже в 2002 году в рамках проектов ATHENA и ATRAP ежесекундно изготавливалось до ста атомов антиводорода. Всего во время эксперимента ATHENA только в 2002 году было получено около 50 тысяч атомов этого антиэлемента.

В этом и других экспериментах антипротоны, полученные на установке Antiproton Decelerator, соединяются с позитронами, возникающими при бета-распаде радиоактивного натрия-22. Их слияние происходит в магнитной ловушке, которая защищает частицы от встречи с обычным веществом и последующей аннигиляции. Однако так можно экранировать лишь электрически заряженные частицы. Как только антипротон и позитрон соединятся, образуя атом антиводорода, эта нейтральная частица без труда выскользнет из клетки магнитных силовых линий, в которую ее заточили.

Исследователи ищут способы как можно дольше удерживать антиатомы, не давая им самоуничтожиться.

И это удается – при достаточно сильном охлаждении, то есть быстром понижении их энергии, замедлении их движения. Для этого ученые придумали один хитрый трюк.

Антипротоны и электроны заряжены отрицательно, поэтому те и другие частицы можно поместить в одну и ту же «электромагнитную клетку». Эти частицы постоянно сталкиваются друг с другом, теряя при этом скорость. Уже через минуту внутри «клетки» воцаряется равновесие. При этом температура здесь понижается до 4 кельвин (это примерно 269 градусов ниже нуля по шкале Цельсия). Энергия антипротонов уменьшается примерно в 100 тысяч раз. Удерживаемые электромагнитным полем, эти сверхохлажденные частицы парят, не соприкасаясь со стенками аппарата.

Между тем, в минувшем году удалось охладить антипротоны до рекордно низкой температуры – до 3,5 кельвин. Это было сделано по методу адиабатическрго охлаждения. Суть его в том, что при расширении газа его температура снижается. В эксперименте ATRAP «газ» состоял из антипротонного облака. Его расширение можно было контролировать, постепенно ослабляя электрическое поле, ограждающее антивещество. По мере расширения облака его температура понижалась. Оценивая этот метод, специалисты, работающие в ЦЕРН, отмечают: «Просто удивительно, что физические методы, предложенные более ста лет назад, когда люди не знали ни о каком антивеществе, оказываются так нужны и сегодня, на передовом фронте исследований».

Тысяча секунд из жизни антивещества

Используя подобные методы, ученые весьма искусно манипулируют антивеществом. Это наглядно продемонстрировал осуществленный в 2010–2011 годах проект ALPHA. Его участники удерживали в ловушке 309 атомов антиводорода на протяжении 1000 секунд – примерно в 10 тысяч раз (!) дольше, чем до тех пор. Этот эксперимент открыл новые возможности изучения антивещества.

В рамках проекта ALPHA началось первое детальное исследование свойств антиводорода. Оно призвано выявить принципиальные различия между веществом и антивеществом. Возможно, это даст ответ на вопрос, давно волнующий и физиков, и космологов: «Почему во Вселенной гораздо больше вещества, чем антивещества?»

Хотя антиводород невозможно удержать с помощью экрана из электрических полей, однако он имеет собственный момент количества движения – спин, а значит и магнитный момент. Поэтому при очень низкой температуре его можно запереть в специально созданную магнитную ловушку.

На первом этапе эксперимента исследователи поместили антивещество в эту ловушку на 0,17 секунды, чтобы отсортировать отдельные антипротоны. Затем магнитное поле отключили, после чего антиатомы улетучились, аннигилировав при контакте с окружающим веществом. Эти вспышки излучения доказывали, что в ходе опыта возник антиводород.

В конце 2010 года во время этого эксперимента впервые удалось обнаружить 38 антиатомов. В последующих опытах было зарегистрировано в десятки раз больше атомов антиводорода. В таком количестве антивещество уже можно использовать для различных исследований. В принципе, можно было бы повторить с ним все те эксперименты, которые физики в свое время проделывали с водородом. Если поведение водорода и антиводорода будет заметно разниться, это станет сенсацией. Так, очень важно знать, совпадают ли спектры излучения этих двух веществ. Даже если различие между ними будет чрезвычайно мало, это может поколебать Стандартную модель физики.

Спектральный анализ антивещества, в самом деле, возможен, как явствует из статьи, опубликованной в начале этого года на страницах Nature. Речь идет о работе датских исследователей (руководитель – Джеффри Хангст). В рамках эксперимента ALPHA они получили антиводород. Затем с помощью электрических и магнитных полей заперли его в цилиндрическую ловушку и подвергли облучению, варьируя частоту микроволн.

В однородном магнитном поле спины позитронов ориентированы параллельно или антипараллельно силовым линиям. Атомы антиводорода с параллельно направленными спинами улетучиваются из ловушки и аннигилируют, а атомы, чьи спины позитронов направлены навстречу силовым линиям, остаются в ней.

Однако в определенном диапазоне частоты микроволнового излучения менялось направление спина этих позитронов. Это удавалось заметить потому, что атомы тут же выскальзывали из магнитной ловушки и аннигилировали, вступая в контакт с атомами обычного вещества. Светочувствительные детекторы, окружавшие ловушку, регистрировали эти события, отмечая появление фотонов.

Таким образом, датские физики впервые сумели измерить частоту перехода с одного энергетического уровня антиводорода на другой. Она оказалась равна 1420,4 мегагерц. У водорода точно такой же показатель.

Теперь руководители проекта ALPHA намерены выяснить методом лазерной спектроскопии, действительно ли спектральные линии водорода и антиводорода совпадают. Эта тождественность вытекает из так называемой теоремы CPT, считающейся одной из основ современной физики. Согласно ей, уравнения квантовой теории поля не меняются, если одновременно провести три преобразования: заменить частицы античастицами, а пространственные и временные координаты частиц заменить их зеркальными отражениями. Если удастся выявить хотя бы крохотные нарушения этой важнейшей теоремы, то впору усомниться и в частной теории относительности Эйнштейна.

Мюоны Тэватрона

В 2010 году важные результаты были получены и на Тэватроне в Национальной лаборатории Ферми в рамках эксперимента DZero. Здесь сталкивали протоны и антипротоны при энергии 1,96 тераэлектронвольт. Детектор регистрировал количество частиц и античастиц, возникавших после этой коллизии. По теории, тех и других должно быть поровну. Однако при распаде так называемого нейтрального В-мезона – промежуточной частицы, возникающей лишь на короткие мгновения, – были выявлены важные различия.

Как выяснилось, мюонов – своего рода сверхтяжелых электронов (во всех известных взаимодействиях мюоны участвуют точно так же, как электроны, отличаясь от них только массой) – образовалось примерно на 1 % больше, чем антимюонов. Эта асимметрия слишком велика, чтобы объяснить ее Стандартной моделью физики – традиционной теорией, описывающей элементарные частицы и их поведение. Таким образом, сотрудники лаборатории Ферми зафиксировали аномалию, которая указывает на нарушение теоремы CPT. Вероятность случайной ошибки крайне мала: 0,005 %.

Как отмечают эксперты, если это нарушение симметрии подтвердится и в других экспериментах, это означает, что существуют какие-то не известные пока нам законы природы. (Подробнее об экспериментах в лаборатории Ферми – в статье «Нарушение симметрии»).

А дальше?

Теория – теорией, а практика – практикой. По мнению ученых, уже сейчас антивеществу можно найти применение. Например, использовать его для анализа процессов обмена веществ, в том числе для локализации раковых опухолей. В принципе, оно пригодится и в борьбе против рака. Начиная с 2003 года, сотрудники ЦЕРН в рамках проекта ACE исследуют биологическое действие антипротонов. Как показывают эксперименты, антипротонные лучи в четыре раза эффективнее уничтожают раковые клетки, нежели лучи протонные. При этом пациенты получают гораздо меньшую дозу облучения, чем при традиционной терапии. Впрочем, клиническое применение этого метода возможно лишь в следующем десятилетии.

В принципе, исследование антивещества только начинается. В ЦЕРН решено построить более мощный замедлитель антипротонов – ELENA (Extra Low Energy Antiproton Ring). В нем скорость антипротонов уменьшится в пять раз. Строительство этого замедлителя начнется в следующем году и будет завершено в 2016 году.

«В 1995 году нам удалось получить лишь несколько атомов антиводорода, которые двигались почти со световой скоростью, а их температура в 100 тысяч раз превосходила температуру, царящую в центре Солнца. Теперь мы можем получать антиводород, охлажденный почти до абсолютного нуля, причем располагаем им в куда большем количестве», – отмечает Вальтер Элерт, описывая прогресс, достигнутый за последние годы. Конечно, из антивещества не будут изготавливать бомбы наподобие той, что описана в романе «Ангелы и демоны», и, тем не менее, его изучение принесет нам еще немало неожиданностей. Мир антивещества – поистине удивительный мир.

ЗС 11/2012

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source