В современной физике антивещество определяется как материя, состоящая из античастиц — партнёров соответствующих частиц в «обычной» материи, и может рассматриваться как материя с обратным зарядом, чётностью и временем. Антиматерия возникает в таких природных процессах, как столкновения космических лучей и некоторые виды радиоактивного распада. В лабораторных экспериментах также было успешно получено несколько различных антиатомов.
На ускорителях учёные получали мизерное количество античастиц, однако в целом антиматерии за всё время экспериментов было получено всего несколько нанограммов. Макроскопическое количество антивещества никто ещё не получал — из-за высокой стоимости и сложности производства и хранения (так что до придуманного Дэном Брауном сценария ещё далеко).
Столкновение любой частицы с её античастицей приводит к их взаимной аннигиляции, порождая высокоэнергетические фотоны (гамма-лучи), нейтрино, а иногда и менее массивные пары частица-античастица. Большая часть общей энергии аннигиляции выходит в виде ионизирующего излучения. При наличии окружающей материи энергия этого излучения поглощается и преобразуется в другие формы энергии, такие как тепло или свет. Количество выделяемой энергии обычно пропорционально общей массе столкнувшихся материи и антиматерии, в соответствии с известным уравнением эквивалентности массы и энергии, E=mc2.
Античастицы связываются друг с другом, образуя антивещество, точно так же как обычные частицы связываются, образуя обычную материю. Например, позитрон (античастица электрона) и антипротон (античастица протона) могут образовать атом антиводорода. Ядра антигелия были получены искусственно, хотя и с трудом, и являются самыми сложными антиядрами из всех наблюдавшихся до сих пор. Физические принципы указывают на возможность существования сложных атомных ядер антиматерии, а также антиатомов, соответствующих известным химическим элементам.
Существуют убедительные доказательства того, что наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из обычной материи, а не из смеси материи и антиматерии. Эта асимметрия материи и антиматерии в видимой Вселенной является одной из величайших нерешённых проблем в физике. Процесс, в результате которого возникло это неравенство между частицами материи и антиматерии, называется бариогенезом.
Несмотря на то, что эксперименты с антиматерией проводятся уже почти 100 лет, до сих пор не было получено чёткого ответа на вопрос о её массе. Дело в том, что некоторые теоретики считали, что антиматерия может быть зеркальным отражением материи во всём, в том числе обладать и отрицательной массой. А вещество с отрицательной массой можно было бы использовать для создания варп-двигателя.
▍ Варп-двигатель
Варп-драйв или привод, обеспечивающий искривление пространства, — вымышленная сверхсветовая (быстрее скорости света) двигательная система космического корабля во многих научно-фантастических произведениях, прежде всего в «Звёздном пути», а также предмет постоянных исследований в области физики. Общая концепция «варп-двигателя» была представлена Джоном У. Кэмпбеллом в его романе 1957 года «Острова космоса» и популяризирована в сериале «Звёздный путь». Его ближайшим эквивалентом в реальной жизни является двигатель Алькубьерре, теоретическое решение полевых уравнений общей теории относительности.
Хотя сама идея варп-двигателя, выдвинутая в 1960-х годах, была крайне несерьёзной и лёгкой с точки зрения математики, физик по имени Мигель Алькубьерре, якобы забавлявшийся и занимавшийся прокрастинацией во время написания докторской диссертации, разработал несколько очень забавных деталей, которые могли бы привести к физически реалистичной версии варп-двигателя.
Алькубьерре понял, что если допустить существование отрицательной массы/энергии, то она сможет особым образом искривить пространство-время. Два типа массы/энергии, как положительную, так и отрицательную, можно свести в такую конфигурацию, что пространство «перед» космическим кораблём будет изгибаться и по сути сжиматься, в то время как пространство «за» космическим кораблём было бы противоположно изогнуто так, что оно бы расширялось, в то время как пространство между ними было бы плоским и пузырчатым, что позволило выжить кораблю внутри.
Если бы во Вселенной существовал какой-то тип отрицательной энергии, которой можно было управлять, то такой тип пространственного времени с искривлением, известный сейчас как метрика Алькубьерре, можно было создать в реальной жизни. Единственная проблема, конечно, заключается в том, что все известные частицы и поля, даже в теории, обладают только одним типом массы/энергии: положительным, и, следовательно, все они искривляют пространство-время одинаково. Для того чтобы варп-драйв был реализован физически, необходима некая «экзотическая материя» с отрицательной массой/энергией.
В отличие от некоторых других вымышленных технологий ускорения света, таких как прыжковый привод, варп-двигатель не позволяет мгновенно перемещаться между двумя точками, а скорее предполагает измеряемый промежуток времени, который относится к данной концепции. В отличие от гиперпространства, космические корабли на варп-скорости продолжают взаимодействовать с объектами в «обычном пространстве». Для постройки такого двигателя требовалось всего ничего – получить «отрицательную энергию» или вещество с отрицательной массой.
О чём-то вроде варп-двигателя люди мечтали ещё до появления общей теории относительности Эйнштейна: в XIX веке, когда математики начали играть с новыми типами геометрии, выходящими далеко за рамки воображения Евклида и его преемников. На протяжении большей части истории математики пространство могло содержать до трёх измерений, и каждое измерение могло быть правильно представлено набором декартовых «линий сетки», где параллельные линии всегда продолжались вечно и никогда не пересекались.
Ситуация начала меняться, когда математики примерно в одно и то же время стали рассматривать две новые возможности: что могут существовать «дополнительные» пространственные измерения, выходящие за рамки трёх известных нам, и что пространство может быть не плоским, а искривлённым.
Эти осознания привели к ряду немедленных глубоких последствий. Сумма углов треугольника могла оказаться меньше или больше 180°, в зависимости от того, было ли пространство отрицательно или положительно искривлено. Параллельные прямые могли не только вечно оставаться равноудалёнными, но и расходиться или сходиться в зависимости от того, было ли ваше пространство положительно или отрицательно искривлено.
Можно было даже представить себе крайние варианты искривления пространства-времени, в которых две точки, которые в обычном декартовом/евклидовом пространстве были бы расположены далеко друг от друга, слиплись бы друг с другом. Если бы это было так, это позволило почти мгновенно перемещаться между этими двумя, казалось бы, не связанными друг с другом точками одновременно, просто воспользовавшись «коротким путём», который стал возможен благодаря складке пространства. Этот короткий путь, «дыру» в пространстве, назвали «червоточиной».
Первым типом обнаруженного решения уравнений Эйнштейна была червоточина Шварцшильда, которая должна была присутствовать в метрике Шварцшильда, описывающей вечную чёрную дыру, но было установлено, что она слишком быстро разрушается, чтобы через неё можно было пройти с одного конца на другой. Считалось, что червоточины, которые можно пересекать в обоих направлениях, известные как проходимые червоточины, возможны только в том случае, если для их стабилизации можно использовать экзотическую материю с отрицательной плотностью энергии.
В 1916 году, через несколько месяцев после того, как Шварцшильд опубликовал своё решение, Людвиг Фламм обнаружил теоретическую возможность появления «моста» между двумя точками пространства – «червоточины», или туннеля, соединяющего две удалённые точки коротким путём. Это же заново обнаружили Альберт Эйнштейн и его коллега Натан Розен, которые опубликовали свой результат в 1935 году.
Правда, в 1962 году Джон Арчибальд Уилер и Роберт У. Фуллер опубликовали работу, в которой показали, что этот тип червоточин нестабилен, если он соединяет две части одной Вселенной, и что он будет сужаться слишком быстро, чтобы свет (или любая частица, движущаяся медленнее света), попадающий в него из одной внешней области, успел попасть в другую внешнюю область.
Согласно общей теории относительности, гравитационный коллапс достаточно компактной массы образует сингулярную чёрную дыру Шварцшильда. В теории гравитации Эйнштейна-Картана-Шиамы-Киббла, однако, она образует регулярный мост Эйнштейна-Розена – червоточину, соединяющую чёрную дыру на одном конце с белой дырой на другом. Белая дыра — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временной противоположностью чёрной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности, что и чёрные дыры. Физики в большинстве своём считают, что существование белых дыр в природе невозможно.
Хотя шварцшильдовские червоточины не проходимы в обоих направлениях, их существование вдохновило Кипа Торна на мысль о проходимых червоточинах, созданных путём затягивания «горла» шварцшильдовской червоточины экзотической материей (материей, обладающей отрицательной массой/энергией).
До недавнего времени многие физики и фантасты возлагали надежду на то, что антиматерия будет той самой экзотической материей, которая поможет нам построить искривляющий пространство космический корабль или удерживать червоточину для того, чтобы через неё можно было проскочить из одной точки пространства в другую.
▍ Куда падает антиматерия
Сообщение, недавно опубликованное в журнале Nature учёными, работающими в европейской лаборатории CERN, развеивает надежды фантастов: без сомнения, антиматерия падает вниз.
Для проведения эксперимента учёные поместили около 100 атомов антиводорода, созданных на фабрике антиматерии в ЦЕРН, в магнитный контейнер. Затем в течение 20 секунд они медленно отключали магниты и подсчитывали, сколько атомов ушло вверх, а сколько — вниз. Под действием силы гравитации больше атомов ушло вниз.
В ходе этого измерения коллаборация ALPHA обнаружила, что атомы антиводорода испытывают направленную вниз гравитационную силу, сравнимую с той, которую испытывают атомы водорода, — около 75% обычной гравитации. Погрешность измерения составила около 20%, что означает вероятность того, что материя и антиматерия испытывают одинаковую гравитационную силу. Исследователи использовали свои данные для количественной оценки возможности того, что их измерения всё ещё соответствуют тому, что антиматерия испытывает силу, направленную вверх, равную силе, противоположной гравитации, и они исключили эту возможность на уровне одной части на квадриллион. Антиматерия не падает вверх.
Этот результат согласуется с предсказаниями, сделанными с помощью общей теории относительности Эйнштейна, которая является ведущей научной теорией гравитации. В ОТО принцип слабой эквивалентности (ПСС) требует, чтобы все массы реагировали на гравитацию одинаково, независимо от их внутренней структуры.
Однако неопределённость в 20% недостаточна для точной проверки общей теории относительности. Учёные ALPHA уже занимаются усовершенствованием своего оборудования, рассчитывая, что в будущем измерения позволят сделать более точные заявления об эквивалентности материи и антиматерии. Хотя наиболее вероятно, что гравитация воздействует на материю и антиматерию одинаково, нынешние измерения не исключают, что между ними могут быть небольшие различия.
Этот результат — впечатляющее измерение, подтверждающее наше понимание законов природы, но он, несомненно, разочарует многих. Результат, опровергающий ожидания, потребовал бы серьёзной перестройки нашего понимания физики. По словам доктора Джеффри Хангста, представителя коллаборации ALPHA, «было бы гораздо круче, если бы антиматерия упала вверх». Увы, этого не произошло.
Кстати, из-за этого умерла и ещё одна мечта фантастов: искусственная гравитация, работающая без вращения и ускорения. Если бы антиматерия действительно оказывала отрицательное гравитационное воздействие, то, просто сделав пол космического корабля из обычной материи, а его потолок — из антиматерии, мы могли бы создать космический корабль с собственной встроенной автоматической системой искусственной гравитации. Но поскольку антиматерия ведёт себя с гравитацией также, как обычная, единственными вариантами создания искусственной гравитации на космическом корабле остаются либо постоянное линейное ускорение, либо вращение цилиндра вокруг своей оси: как в фильме «2001 год: Космическая одиссея» или как в цилиндре О'Нила.
Автор: Валерий Исаковский
