08/10/2012

В первые мгновения существования вселенной материя взяла верх над антиматерией, своим зеркальным отражением. Возможно, скоро мы узнаем, почему это произошло.

Все культуры проявляли интерес к своим истокам. Современная физика утверждает, что пространство и время возникли в результате Большого взрыва (Big Bang), и случилось это 13,6 миллиарда лет назад. Наука не дает определенного ответа на вопрос о том, почему произошло это событие, однако наблюдения с помощью мощных телескопов и проведение соответствующих экспериментов в таких местах как ЦЕРН (CERN), то есть в расположенном около Женевы исследовательском центре по изучению элементарных частиц, предоставляют нам наглядную картину того, что произошло после взрыва. Нам известно, что такое материя – на самом деле она является результатом энергии, конвертированной в субстанциональные формы. Мы знаем, каким образом при образовавшихся во время Большого взрыва высоких температурах возникли основные зерна материи (seeds of matter) и как в течение эонов, то есть миллиардов лет, эти частицы создавали звездные галактики, в том числе Млечный путь и солнечную систему.

Здесь, на Земле, кластеры, состоящие из септиллионов атомов, обладают способностью мыслить, и хотя они пока не способны понять, что делает их – то есть нас – сознающими, они способны с восхищением взирать на вселенную и создавать приборы, с помощью которых можно изучать наши истоки в момент Большого взрыва. В результате удалось сделать удивительное открытие. Материя не является единственным детищем Большого взрыва – она родилась вместе со своим давно утерянным близнецом - антиматерией.

Материя и антиматерия – это инь и ян реальности. Когда ребенок на берегу моря выкапывает яму в сыром, твердом и плоском песке для того, чтобы построить песчаный замок, то в таком случае сам замок можно рассматривать как метафору материи, а яму – как метафору антиматерии. Когда энергия Большого взрыва сгустилась и превратилась в элементарные частицы, отпечаток в виде метафорической ямы, их антиматериальный близнец также был сформирован.

Все указывает на то, что именно так и произошло рождение материи, однако возникает парадокс. Трансмутация энергии излучения в материю и антиматерию, которая произошла в первые мгновения времени, не является поездкой в одном направлении. Если запустить этот процесс в обратном направлении, то встреча любой материальной субстанции со своим двойником (doppelgaender) приведет к взаимной аннигиляции; замок из песка великолепно заполнит собой вырытую яму. Когда антиматерия разрушает материю, содержавшаяся в них энергия высвобождается в виде излучения. В насыщенном котле юного мира подобного рода столкновения, вероятно, происходили очень часто, но новорожденные материалы не могли существовать долго. Тем не менее, вселенная выжила и, судя по всему, она состоит из материи, а не из антиматерии - в том числе это относится к тем привычным веществам, из которых состоит воздух, горные породы и живые существа.

Антиматерия реально существует. Ученые создали несколько тысяч атомов антиводорода, хотя ни один из них не просуществовал долго и был аннигилирован окружавшей его средой. Если бы вам удалось увидеть крупный кусок антиматерии, то вы бы не знали об этом; по своему внешнему виду она совершенно не отличается от обычной материи. Однако прикосновение к ней повлекло бы за собой смертельный исход, поскольку атомы вашей руки были бы полностью уничтожены, а все, что осталось бы после этого, было бы облучено возникшим гамма-излучением. Если бы в космосе находились крупные куски антиматерии, то их столкновение с любым межзвездным материалом привело бы к взаимному уничтожению, и в результате остались бы только соответствующие гамма-лучи. Однако такого рода сигналы не были зафиксированы, и это означает, что антиматериальные галактики не существуют.

Отсутствие антиматерии представляет собой величайший акт исчезновения в истории. Выжившая и существующая сегодня вселенная содержит остатки этой великой аннигиляции, произошедшей в результате столкновения антиматерии и материи, что было одним из первых событий после Большого взрыва. Последовавшая за этим интенсивная радиация – более слабое повторение Большого взрыва – остывала в течение миллиардов лет, и сегодня это фоновое излучение присутствует в традиционном космическом микроволновом фоновом излучении, температура которого всего на три градуса выше абсолютного нуля, то есть равняется минус 270 градусам по Цельсию. Астрономы измерили эту температуру, и, зная, с какой скоростью расширялась вселенная, они могут прокрутить события назад на своих компьютерах. Все это подтверждает, что примерно 13,6 миллиарда лет назад вселенная на самом деле была очень сильно раскалена, что приводило к образованию материи и антиматерии из излучаемой энергии. Наши наблюдения и эксперименты подтверждают эту теорию, но неясным остается один вопрос: как некоторая часть материи смогла пережить процесс великой аннигиляции?

Все, что мы видим, начиная от окружающего нас мира и до галактик, представляется нам остатками процесса творения еще большего масштаба. Может быть, произошла мутация сразу после Большого взрыва, и поэтому метафорический замок из песка уже не совсем точно вписывался в антиматериальную яму? Не является ли очевидная двойственность материи и антиматерии иллюзией? В настоящее время это самые сложные вопросы в космологии. Физики в восторге от того, что ключи к разгадке начинают появляться в результате экспериментов, проводимых в ЦЕРНе, где расположен ускоритель элементарных частиц – Большой адронный коллайдер (БАК).

Для того, чтобы попытаться понять антиматерию, давайте сначала совершим путешествие в обычную материю, из которой состоим и мы сами. Наши персональные характеристики закодированы в ДНК. Она представляет собой винтообразную спираль, состоящую из сложных молекул, которые, в свою очередь, сделаны из атомов, мельчайших частиц вещества, в том числе углерода, водорода или кислорода. И эти мельчайшие частицы все еще сохраняют характеристики самих веществ. 

Антиматерия также состоит из молекул и атомов, которые, на первый взгляд, ничем не отличаются от обычных. Из атомов антиуглерода получались бы столь же прекрасные и прочные антибриллианты, как и те, которые нам хорошо известны. Антисажа было бы такой же черной, как обычная сажа, а точки в антижурнале были бы такими же, как вы видите их здесь. Если бы эти точки в журнале можно было увеличить до 100 метров в диаметре, то мы смогли бы увидеть там отдельные атомы углерода. Если бы мы сделали то же самое с антижурналом, то мы бы обнаружили атомы антиуглерода, которые бы ничем не отличались от атомов углерода: даже на элементарном уровне атомов материя и антиматерия выглядят одинаково.

Атомы весьма малы по своим размерам, но они не являются самыми маленькими частицами, а для того, чтобы увидеть различия между материей и антиматерией, мы должны проникнуть внутрь атома. Каждый атом обладает внутренней структурой, похожей на лабиринт. В его центре находится плотное и компактное ядро, которое составляет всего лишь незначительную часть массы атома. 

Увеличения нашей чернильной точки до 100 метров достаточно для того, чтобы увидеть атом, но нам придется увеличить ее до размера Земли, если мы захотим увидеть ядро атома. То же самое можно сказать об антиточках и антиатомах. Однако состав атомов и антиатомов отличен.

Первые ключи к пониманию этого странного контрапункта появились не в результате эксперимента, а стали следствием прекрасной математической модели, открытой английским математиком Полем Дираком (Paul Dirac) в 1931 году. Дирак пытался соединить специальную теорию относительности Эйнштейна с эфемерным миром неопределенности, существующим внутри атомов. Четвертные, половинные или шестнадцатые ноты на нотном стане остаются просто символами до тех пор, пока их не интерпретирует маэстро, также и сухие формулы чудесным образом способны открывать гармонию в природе. Уравнение Дирака приводит к поразительному выводу: природа не может работать только с известными нам основными зернами материи. Для любого разнообразия субатомных частиц природа вынуждена допустить существование негативного образа, зеркального отражения, в котором действуют те же самые строгие законы, как и в мире обычных частиц. Простейшим примером этого служит открытый в 1932 году позитрон, представляющий собой позитивно заряженную античастицу обычно негативно заряженного электрона.

На высоте в тысячи метров над нашими головами потоки высоко заряженных субатомных частиц из космического пространства сталкиваются с верхними слоями атмосферы. Именно в этих «космических лучах» был впервые обнаружен позитрон. Этот позитрон не был инопланетным захватчиком, но был создан в атмосфере самим космическим излучением в тот момент, когда энергия, образовавшаяся в результате мощного столкновения, трансформировалась в новые частицы материи и антиматерии, преимущественно в электроны и позитроны.

Энергия, высвобождаемая в некоторых формах радиоактивности, также способна образовывать позитроны. Именно это и происходит в недрах солнца, которое во время превращения своего водородного горючего в гелий – благодаря ядерному синтезу – излучает позитроны. Столкновения с электронами внутри солнца аннигилирует эти позитроны, порождая при этом гамма-излучение - то есть свет, - обладающее очень большой энергией, и оно рассеивается до такой степени, что подъем на поверхность занимает многие тысячи веков. К этому времени излучение теряет большую часть своей энергии и превращается в солнечный свет, который мы можем наблюдать. Частично солнечные лучи представляют собой результат аннигиляции позитронов, имевшей место 100 тысяч лет назад. 

Здесь, на Земле, многие нестабильные ядерные изотопы могут производить позитроны так же легко, как они производят электроны. Главное практическое отличие между этими двумя вариантами состоит в том, что происходит после этого.

Электроны способны существовать в виде электрического тока, они могут присоединиться к танцам планетарных электронов в соседних атомах и позднее вызвать химическую реакцию, а также принимать участие в бесчисленном количестве приключений в будущем вселенной. В отличие от этого позитрон окружен материей, содержащей множество негативно заряженных электронов. Если не будет специально создана комбинация из электрических и магнитных полей для его удаления от материального окружения, то позитрон и находящийся вблизи него электрон взаимно аннигилируются в вспышке света. Это явление стало ключом для практического использования позитронов, особенно в медицинской диагностике.

Если пациент принимает внутрь жидкость со следами радиоактивных атомов, излучающих позитроны, то последующая аннигиляция этих позитронов внутри тела пациента может помочь поставить правильный диагноз и спасти ему жизнь. Если окружить голову пациента венцом из камер, фиксирующих результаты аннигиляции позитронов, то можно составить картину мозга. Эта техника называется позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ). Представляющие особый интерес изотопы, как правило, недолговечны, но их можно производить на небольших специальных ускорителях частиц, расположенных внутри медицинских центров или рядом с ними. Таким образом, сокровенное предсказание Дирака относительно атиматерии сегодня уже используется для спасения жизни.

Большие ускорители элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер (БАК), способны производить интенсивное излучение  частиц, обладающих мощным зарядом, и их столкновение с материальными целями стимулируют частицы, находящиеся в космических лучах. В результате подобного рода экспериментов были получены не только позитроны, но и антипротоны и антинейтроны – антиматериальные аналоги атомного ядра. Обычные частицы – электроны, протоны и нейтроны – создают атомы и материю, тогда как противоположные аналоги способны создавать структуры, которые, на первый взгляд, кажутся нормальной материей, но они обладают фундаментальными отличиями.

Внутри атомов мы можем обнаружить вихревые электрические потоки, мощные магнитные поля, а также электрические силы, притягивающие одни вещи и отталкивают другие. Внутри атомов антиматерии существуют идентичные потоки, поля и силы, но с обратной полярностью: северный полюс у них становится южным, а позитивные заряды – негативными. Такого рода изменение зарядов превращает то, что нам известно как материя, в то, что мы называем антиматерией. Если атомы состоят из отрицательно заряженных легких электронов, вращающихся на некотором удалении вокруг позитивно заряженного компактного центрального ядра, то антиатомы имеют свои отрицательно заряженные ядра, окруженные позитронами.

Кажется, что нет оснований для того, чтобы природа предпочла сделать выбор в пользу материи, а не антиматерии. Дирак так изложил эту загадку при получении им Нобелевской речи в 1933 году: «Мы должны рассматривать, скорее, как случайность то, что Земля (и, возможно, вся солнечная система) содержит большее количество негативных электронов и позитивных протонов. Но весьма вероятно, что на некоторых других звездах существует обратная картина».

Если мы посмотрим на ночное небо и постараемся увидеть эти звезды – некоторые из них состоят из материи, другие – из антиматерии, - то мы не сможем отличить их друг от друга. Однако мы способны сделать вывод о том, что они состоят из материи, хотя и опосредованным образом.

Когда звезды взрываются, их осколки и отдельные части выбрасываются в космическое пространство, и, если их притягивает магнитное поле нашей планеты, то они врезаются в верхние слои атмосферы в виде космических лучей. Если взрывается антизвезда, то она выбрасывает в космос антиэлементы, которые также будут существовать в виде космических лучей, по пока ученым не удалось зафиксировать какие-либо антиэлементы. Поиски антиматерии проводились с помощью экспериментов с воздушными шарами, поднимавшимися к краю земной атмосферы над южным полюсом, а также в космическом пространстве с использованием специальных детекторов для обнаружения частиц на спутниках. Никакой антиматерии обнаружить не удалось, тогда как было зафиксировано множество позитронов и антипротонов, возникающих при столкновениях в атмосфере.

Может быть, антиэлементы, извергаемые антизвездами, были уничтожены по пути? Это возможно, однако никаких подтверждений пока не обнаружено. При аннигиляции электронами позитронов в межзвездном пространстве должны образовываться вспышки гамма-излучений, а при аннигиляции антипротонов они также должны были бы себя обнаружить.

Факты убедительно свидетельствуют о том, что все вокруг нас состоит из материи. Однако существуют еще много неизученных пространств, где ведущее место может занимать антиматерия. Может быть, по мере того как вселенная расширялась и остывала после Большого взрыва, материя и антиматерия разделились и стали большими, независимыми друг об друга сферами?

Полностью удовлетворительная модель подобного рода вселенной пока еще не разработана, хотя это и представляется возможным. Большинство физиков полагают, что существует тонкое различие в поведении материи и антиматерии, что и позволяет некоторой материи пережить великую аннигиляцию.

Первоначальные данные о том, что материя и антиматерия не просто инь и ян, стали появляться в 1990-х годах в результате экспериментов, проводившихся на предшественнике БАК - на Большом электрон-позитронном коллайдере (БЭПК), в котором магниты направляли потоки электронов и позитронов в туннеле. Позитроны разгонялись по 27-километровому кругу, располагавшемуся под швейцарскими виноградниками, а магнитные поля направляли электроны и позитроны на один и тот же круговой маршрут, но в разном направлении. Небольшая полая труба в центре магнита создавала лучший вакуумом, чем в космическом пространстве, и это было нужно для того, чтобы вращавшиеся по кругу позитроны не сталкивались с потоками атомов воздуха и не разрушались от этого. В четырех точках небольшие импульсы электрической и магнитной энергии слегка отражали лучи для того, чтобы они пересеклись. Иногда позитрон и электрон сталкивались напрямую, что приводило к их взаимной аннигиляции в момент вспышки энергии.

Это был ключевой момент. В небольшом пространстве условия были сходны с теми, которые существовали в течение микросекунд после Большого взрыва. Ученые, наблюдая за тем, какие формы частиц возникают в результате подобной симуляции, поняли, каким образом энергия сначала была превращена в субстанцию во время Большого взрыва в первоначальной вселенной.

Исключительно сложные электронные приборы зафиксировали появление этих первозданных частиц материи и антиматерии. Результаты экспериментов подтвердили, что элементарные частицы материи и антиматерии формировались в совпадающих парах.

Эксперименты показали, что кварки являются основными зернами материи в том виде, в каком она нам известна. Существуют также экзотические формы материи, содержащие то, что мы называем странными, магическими или нижними кварками, которые редко существуют в свободном виде, а в основном возникают в особых условиях, в том числе в короткий момент во время Большого взрыва или непосредственно после него. Они нестабильны, и в результате их распада образуются стабильные формы, из которых сделана материя нашей вселенной. БЭПК воспроизводил эти условия, что давало возможность их изучать. Результаты показали, что, несмотря на первоначальное существование баланса между материей и антиматерией, образовавшиеся при распаде некоторых экзотических форм образцы антиматерии не полностью соответствуют своим близнецам, состоящим из материи. Это доказывает, что материя и антиматерия могут иметь незначительные различия, однако проведенные эксперименты, судя по всему, не способны объяснить причины масштабного доминирования сегодня стабильной материи.

Как показали эксперименты на БЭПК, в первые моменты существования вселенной, по истечении менее одной миллиардной секунды, вероятно, и возник дисбаланс между материей и антиматерией. БАК в ЦЕРНе способен воспроизводить условия, существовавшие в триллионные доли секунды после Большого взрыва. Если именно в эти мгновения антиматерия исчезла, то БАК поможет понять, как это произошло.

Для БАКа, если не для вселенной в целом, это только первые дни, но удивительные результаты уже начинают поступать. По мере накопления данных в ЦЕРНе возникнет более четкое представление о процессах, происходивших непосредственно после Большого взрыва. Тем не менее, причины возникновения Большого взрыва, судя по всему, остаются загадкой. Но, возможно, уже скоро будут получены ответы на вопрос о том, почему вселенной удалось выжить и эволюционировать.