Вселенная в электроне

Открытие античастиц принадлежит к числу тех сравнительно немногих научных достижений, которые приобретают самую широкую известность. Воображение людей поражает сама возможность полной трансформации вещества в излучение.

Когда хотят сказать о предельной степени разрушения чего-либо, часто используют глагол «испепелить». При аннигиляции электрона с позитроном не остается даже пепла. Все вещество — целиком, без остатка — превращается в электромагнитное поле и уносится в пространство. Взрыв атомной или водородной бомбы освобождает лишь несколько процентов запасенной в веществе энергии, при аннигиляции происходит стопроцентное освобождение энергии.

Антипартнера имеет не только электрон. Они есть у всех элементарных частиц. У протона есть антипротон, у нейтрона — антинейтрон и так далее. Это похоже на то, как в мире живых существ есть особи противоположного пола — мужские и женские. Правда, некоторые частицы — например фотон или нейтральный пи-мезон — в одном лице совмещают должность частицы и античастицы. Однако таких «двуполых» частиц мало. Как правило, частица и античастица сильно различаются по своим свойствам. У них противоположные электрические заряды, а если частица нейтральная — например как нейтрон, — то противоположными оказываются другие ее характеристики, в частности, направление вращения. Получается так, что природа отражена в своеобразном зеркале: с одной стороны — частицы, с другой, в «Зазеркалье», — античастицы. И все абсолютно симметрично. Две половинки — мир и антимир! В одном случае атомы построены из электронов, протонов и нейтронов, в другом — из позитронов, антипротонов и антинейтронов.

У писателя И. А. Ефремова есть фантастический рассказ о том, как в далеком космосе встретились посланцы двух биологических рас — одной, живущей на основе кислорода, и другой, основанной на фторе. Все очень похоже, но газ жизни одной расы — смертельный, разъедающий яд для другой. Даже их дыхание опасно друг для друга. То же самое было бы для существ, построенных из вещества и антивещества. Все физические законы, все краски их миров совершенно одинаковы; только от условия зависит, что назвать миром, а что — антимиром. Но при соприкосновении — аннигиляция, взрыв!

Правда, полное излучение вещества происходит не всегда. Так при аннигиляции нуклона с антинуклоном «сгорает» лишь часть вещества, другая его часть остается в виде мезонных осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц — электрона и позитрона. Это самое мощное энерговыделение, которое мы умеем осуществлять в лабораторных условиях. Недаром писатели-фантасты часто используют антивещество в качестве горючего для звездолетов будущего. Килограммовый слиток такого вещества даст столько же энергии, сколько можно получить из нефтяного озера глубиной в несколько метров и диаметром около километра. Это означает, что всего несколько килограммов антивещества способны заменить все горючее, которое сжигается на Земле за год.

Конечно, эти килограммы антивещества надо еще изготовить — синтезировать из антипротонов и антинейтронов, а это очень сложная и энергоемкая задача. Пока ученые научились изготавливать лишь самые простые антиядра, состоящие из двух и трех античастиц: антидейтрон, антитритон и легкий изотоп антигелия. Несколько лет назад этот изотоп был получен в опытах на ускорителе протонов, построенном под Москвой, вблизи Серпухова. Синтез тяжелых антиядер — исключительно трудная задача. Правда, трудности здесь технического порядка, никаких принципиальных препятствий на этом пути нет. Возможно, что когда-нибудь изготовление антиядер станет такой же отраслью большой индустрии, как в наши дни производство кюрия и других трансурановых элементов.

Перейдем теперь на соседнюю аллею — к лептонам. Первыми мы встречаем здесь три почти одинаковые частицы: электроны, π-мезон, и τ-мезон. Различаются они лишь своей массой (мю-мезон в двести с лишним раз тяжелее электрона, тау-мезон — еще более тяжелая частица) да еще тем, что, в отличие от электрона, мю- и тау- мезоны радиоактивные, они распадаются на электрон и нейтрино. Правильнее было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами. До сих пор до конца неясно, зачем потребовалось природе несколько различающихся по весу «изданий» электронов.

Рядом с клетками электроноподобных частиц, как собачки у ног их хозяев, устроились три нейтрино. Их так и называют: нейтрино электронное, нейтрино мюонное и тау-нейтрино. Каждое из них рождается только вместе со своим хозяином, сопровождает его в реакциях и на соседей не обращает никакого внимания.

Масса нейтрино равна нулю. Все они, как фотон, «бестелесные» и никогда не стоят на месте. Их скорость всегда равна скорости света. Хотя в газетах сообщалось, что точными экспериментами у нейтрино обнаружена маленькая масса, контрольные опыты этого пока не подтвердили. Можно сказать, что нейтрино — это «черный свет». Сочетание противоречивое, но в физике бывает и не такое!

Когда семейство лептонов состояло всего из трех частиц — безмассового нейтрино, электрона, весящего почти в две тысячи раз меньше протона, и его «антибрата» позитрона, фамилия «лептоны» была точной характеристикой этих частиц. Однако после открытия мезонов мю- и тау-, которые в сотни раз тяжелее электрона, легкими их можно называть лишь условно. Названия «лептон» и «адрон» теперь стали чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо»- и «сильновзаимодействующий». (Все лептоны взаимодействуют значительно слабее адронов.) Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от примелькавшихся выражений.

Продолжение осмотра — переулок монстров

Все клетки здесь пустые. Их обитателей еще только предстоит поймать. В разных странах этим занимаются большие отряды физиков, вооруженные самой совершенной техникой. Хотя клетки пусты, на каждой из них висит составленная теоретиками табличка с описанием веса, размеров и повадок чудовищ.

Вот над одной из клеток с толстыми прутьями крупная надпись: «Магнитный монополь». И ниже красными буквами: «Осторожно! Частица-убийца!!»

Это изолированный магнитный полюс. Южный без северного или северный без южного. Расчеты показывают, что такой полюс, находясь рядом с протоном, будет сливаться с ним в единую очень неустойчивую систему, которая практически мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И среди осколков распада опять присутствует монополь, готовый к следующему «убийству» нового протона и так далее. Монополи разрушают (лучше сказать — разъедают) окружающее их вещество.

Но существуют ли в природе такие страшные частицы? Ведь хорошо известно, что, разрезав магнит, нельзя получить двух кусков с разными магнитными зарядами, каждый из кусков снова оказывается магнитом с двумя полюсами. Наверное, каждый из нас не раз проделывал подобный опыт. Даже в школьной «Физике» написано, что электричество имеет источники — заряды, а магнитных зарядов нет; магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися.

Все это так. Окружающее нас атомарное вещество действительно состоит лишь из электрических зарядов. Но может быть, частицы с магнитным зарядом удастся изготовить искусственно, например, с помощью ускорителей, как создают сегодня атомы антивещества? Или, возможно, такие частицы существуют где-то в далеком космосе, и нам следует иметь в запасе какие-то средства защиты на случай, если кусок магнитного вещества вдруг вторгнется в нашу родную Солнечную систему?

Впрочем, магнитные монополи могли бы сослужить нам хорошую службу. При разрушении протонов выделяется огромная энергия, и, будь в нашем распоряжении килограмм монополей, удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно «поперчить» его щепоткой монополей. Это был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии! А хранить монополи можно было бы в «магнитных бутылках» — специальных ловушках, магнитное поле которых имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения с окружающим веществом.