Определенные изотопы, которые представляют интерес для ученых и медиков, живут недолго (например, кислород-15, который используется для исследования кислородного метаболизма, живет всего две минуты). Поэтому их нужно готовить рядом с головой пациента. Их можно произвести, бомбардируя подходящие элементы протонами из маленького ускорителя.
Так что сегодня загадочное предсказание антиматерии Дираком используется для спасения жизней. Аннигиляция позитрона также используется для изучения материалов. Примером является аннигиляция в металлах, которая может выявить усталость металла гораздо быстрее, чем любая другая технология. Это используется для проверки турбинных лопаток в самолетах, в результате одновременно и лучше обеспечивается безопасность, и растет прибыль.
Ученые изучают химические свойства антиматерии, привязывая позитроны к обычным атомам. Электрон и протон формируют атомы водорода, поэтому электрон и позитрон могут формировать атом позитрония, который живет меньше одной миллионной доли секунды перед самоуничтожением. Молекулы позитрония уже были сформированы, идет обсуждение вопроса, могут ли плотные массы таких молекул сформировать основу лазера, работающего на гамма-лучах.
Так что античастицы в форме позитронов уже являются знакомыми и ежедневно используются. Они менее известны, чем электроны, просто потому, что их меньше, и поэтому их быстрее убивают. Как мы уже говорили выше, дневной свет – это конечный продукт позитронов, семена антиматерии, которые были произведены в солнечной печи сто тысяч лет назад, а свет для далекого будущего готовится позитронами, которые производятся прямо сейчас. Солнечный ядерный синтез эффективно превращает четыре протона в ядро гелия, плюс два позитрона и нейтрино. Позитроны аннигилируют для производства фотонов. Масса гелия меньше, чем сумма масс четырех протонов, а излишняя mc2 – это энергия, которая также появляется на поверхности в виде видимого света. Примерно 10 % видимого света возникло как аннигиляция позитронов.
Есть материя, например электрон, и есть антиматерия, например позитрон, а еще есть то, что не является ни материей, ни антиматерией. Самый известный пример последнего – электромагнитное излучение. Все электромагнитное излучение, от гамма-лучей до рентгеновских и от ультрафиолета до видимого света, инфракрасных лучей и радиоволн, состоит из фотонов с различной энергией. Материя и антиматерия могут уничтожить друг друга, а их аннигиляция оставляет не-вещество в форме фотонов. При соответствующих условиях эта последовательность может иметь место в обратном порядке, и фотоны превратятся в материю и антиматерию.
Чистая энергия, концепция, которую так любят ученые, в особенности говоря о естественных процессах, – это тоже не-вещество. Она может перейти из одной формы в другую, например быть электрической, химической или энергией движения, она может также превратиться в материю и антиматерию. Эйнштейн сказал нам, сколько вещества может конденсироваться из энергии, для этого есть формула E = mc2. Минимальное количество энергии для производства электрона и позитрона – это 2mc2: одной порции mc2 достаточно для производства стационарного электрона, а второй – позитрона. После появления, если они созданы стационарными, они почти точно сразу же уничтожат друг друга и высвободят энергию, которая на мгновение была поймана в ловушку внутри них. Чтобы дать позитрону шанс на выживание, нужно иметь больше энергии, чем этот минимум; «излишек» становится кинетической энергией, движением, так что после рождения электрон и позитрон понесутся прочь и сбегут друг от друга.
Шатьендранат Бозе (1894–1974) – индийский физик, один из создателей квантовой статистики
Фотон света является одним из более сотни известных примеров частиц, являющихся не-веществом. Они называются бозоны, или бозе-частицы, – в честь Шатьендраната Бозе, специалиста по математической физике. Термин был предложен Полем Дираком. Бозоны – это частицы, или квазичастицы с целым спином, они подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, которая допускает, что в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное количество одинаковых частиц. Различают элементарные и составные бозоны.
В отличие от них вещественные частицы, которые являются основными частями материи или антиматерии, называются фермионами (или ферми-частицами) в честь итальянского физика Энрико Ферми. Он разработал теорию бета-распада, открыл искусственную радиоактивность, вызываемую нейтронами, замедление нейтронов в веществе. Преуспел как в теоретической физике, так и в экспериментальной. Именно Ферми после того, как эмигрировал в США, построил первый ядерный реактор и первым осуществил в нем цепную ядерную реакцию в 1942 году. Он был удостоен Нобелевской премии в 1938 году за доказательство существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами.
Ядерной физикой Ферми стал заниматься в 1932 году и в 1934 году создал первую количественную теорию бета-распада, известную также как четырехфермионная теория слабого взаимодействия. Ее суть в том, что при бета-распаде в одной точке взаимодействуют четыре фермиона (протон, нейтрон, электрон и нейтрино). Эта теория стала прототипом современной теории слабых взаимодействий элементарных частиц. В 1939 году Ферми высказал мысль, что при делении ядра урана следует ожидать испускания быстрых нейтронов, и если число вылетевших нейтронов будет больше, чем число поглощенных, то тогда путь к цепной реакции будет открыт. Проведенный эксперимент подтвердил наличие быстрых нейтронов.
Ферми был одним из руководителей Манхэттенского проекта, в частности занимался первым испытанием бомбы в Аламогордо и являлся одним из научных консультантов президента Трумана по вопросам использования бомбы. В честь него названа уже упоминавшаяся в этой книге «Фермилаб» – Национальная ускорительная лаборатория (США).
Фермионы, названные в честь Энрико Ферми, – это частицы, или квазичастицы с полуцелым спином. К этой группе относятся электрон, протон, нейтрон, мюон, нейтрино, кварки и ряд других. Поведение фермионов описано в уравнении Дирака; бозоны следуют другим правилам. По сути Дираку повезло. Его целью было уравнение для частиц, имеющих массу, и решение проблемы положительной и отрицательной энергии. В 1928 году единственными известными частицами, имеющими массу, были электрон и протон. Кстати, оба являются фермионами. Другая идентифицированная частица, фотон, была бозоном, но без массы. Через двадцать лет после революции в науке, которую произвело уравнение Дирака, в космических лучах был открыт бозон с массой – пион. Если бы пион открыли к 1928 году, маловероятно, что Дирак стал бы так напряженно работать над своим уравнением, если бы вообще стал.
Вселенная построена из базовых частиц, которые оказываются пойманными в ловушку в бесконечном танце природными силами, самыми известными из них являются сила тяжести, а также электромагнитные силы. Они действуют на большие расстояния, по сути бесконечные, если сравнить с размерами атомов. Благодаря силе тяжести планеты остаются на своих орбитах, вращаясь вокруг Солнца, одновременно кружащиеся электрические потоки внутри Земли порождают магнитные поля, которые поворачивают маленькую стрелку компаса, направляя потерявшихся путников к дому. По крайней мере раньше было так. Сегодня люди скорее будут полагаться на систему GPS, но лежащий в основе принцип подобен использовавшемуся в старые добрые времена: связь со спутником посредством радиоволн, электромагнитной радиации, и это проявление все тех же вездесущих сил.
Энрико Ферми (1901–1954), один из создателей ядерной физики, в развитие которой он внес огромный вклад, и нейтронной физики, а также квантовой статистики
Если вы наблюдаете за магнитом, притягивающим кусок металла, или компасом, стрелка которого поворачивается к Северному полюсу, вы можете задуматься: что между ними общего? Какой агент тут действует? Происходящее в данном случае можно назвать «электромагнитным полем», но, по большому счету, это не объяснение. Мы просто придумали ярлык для странного явления, для действия через весьма существенное расстояние. Один из результатов работы Дирака – открытие того, что самим электромагнитным полем управляет квантовая теория. Фотоны – пучки электромагнитной радиации, подобные частицам, и они передают электромагнитную силу по мере того как перемещаются от одной заряженной частицы к другой. Двигающийся взад и вперед электрон в радиоантенне в Лондоне может вызвать подобную реакцию внутри вашего радиоприемника, стоящего у вас дома (а ваш дом может находиться очень далеко от Лондона), и передатчиком в данном случае будут электромагнитные волны – благодаря радиоволнам также происходит и движение фотонов. Движение в одной точке приводит к движению в другой; фотоны проходят по разделяющему две точки пространству; сила приходит к вам.
