ГАНС КЛЕФФЕ, Две загадки физики

Гениальный создатель теории относи­тельности Альберт Эйнштейн еще не­сколько десятков лет тому назад заду­мался над загадкой природы, которая заключается в следующем: если поме­стить на одну чашу воображаемых весов все частицы, несущие положительный электрический заряд, а на другую ча­шу— все имеющиеся на земле частицы с отрицательным зарядом, то обнаружит­ся поразительная разница в весе этих двух чаш. Общий вес частиц с положи­тельным электрическим зарядом в 1 836 раз превышает вес частиц с отри­цательным зарядом, что противоречит за­кону абсолютного равновесия, существую­щему в природе. Эйнштейн занялся изу­чением неизвестного до той поры явле­ния: «Где скрываются недостающие ча­стицы с отрицательным зарядом?»

Эйнштейн не сумел объяснить это яв­ление. Уже после его смерти в ядерной физике были совершены сенсационные открытия, которые сделали эту проблему удивительно интересной. Мы должны за­ранее оговориться, что, несмотря на эти открытия, проблема все еще продолжает оставаться открытой, и, наверное, понадобится еще нема­ло времени, чтобы разрешить ее.

Кроме того, в физике существует еще одна проблема. 30 июня 1908 года часть огром­ного лесного массива, простирающегося в бассейне реки Подкаменной Тунгуски (в Сибири), неожиданно оказалась уничтоженной в ре­зультате исключительно сильного взрыва. 

Гигантские отблески зарева были видны в радиусе 600 километров, а грохот взрыва люди слышали на расстоянии до 1000 ки­лометров. По всей вероятности, на землю упал метеорит. Но этот метеорит сущест­венным образом отличался от всех дотоле известных метеоритов. На месте его па­дения не удалось обнаружить ни одного осколка. Отсюда вторая загадка: «Куда пропал Тунгусский метеорит?»

Но самое удивительное то, что две за­гадки, о которых мы рассказали, по-ви­димому, тесно связаны друг с другом и что одна из них представляет собой ключ к разгадке другой.

Тем, кто уже давно с нетерпением ждет ответа на вопрос, каким же обра­зом эти две тайны связаны друг с дру­гом, придется еще известное время по­дождать. Ибо прежде чем объяснить эти явления — в той мере, в какой это вооб­ще возможно в настоящее время, — не­обходимо рассмотреть целый ряд част­ных вопросов.

Что такое „элементарные частицы"?

Атомы, как явствует из самого их на­звания, — мельчайшие неделимые ча­стицы вещества. Однако это определение, доставшееся нам от древних греков, в настоящее время уже устарело, по­скольку установлено, что атомы можно разложить на еще более мелкие, так называемые элементарные частицы. Ато­мы образуются из трех видов стабильных (то есть относительно долговечных) эле­ментарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые два вида частиц образуют ядро атома, а последние — его оболочку. В ядре каждого атома содержится столько протонов, сколько электронов имеется на оболочке. Протоны и электроны имеют совершенно равные по величине заряды, с той лишь разницей, что у протонов заряд положительный, а у электронов отрицательный. Однако каждый протон приблизительно в 1 836 раз тяжелее электрона. Этим и объясняется та большая разница в весе между части­цами с положительным и отрицательным электрическим зарядом. Помимо этого, в ядре атома содержатся еще и нейтро­ны, которые как бы удерживают прото­ны. Они обладают примерно таким же весом, что и протоны, но не имеют элек­трического заряда.

До тех пор, пока эти три вида элемен­тарных частиц считались единственными, строение вселенной с точки зрения фи­зики представлялось очень простым. Но тем временем было открыто свыше 30 различных видов элементарных ча­стиц, в большинстве своем нестабильных (то есть недолговечных), которые на про­тяжении небольшого промежутка време­ни— самопроизвольно или в результате столкновения с другими частицами — пре­терпевают изменения. При определенных условиях из «обычного» атомного ядра можно извлечь не только его «обычные» компоненты — протоны и нейтроны,— но и сотни других, качественно отличных частиц.

Однако они еще не были достаточно изучены, когда в 1928 году английский физик Дирак обнаружил чрезвычайно ин­тересную категорию элементарных ча­стиц — так называемые античастицы. Прежде всего, само это открытие было сделано поразительным образом: Дирак пришел к нему не экспериментальным путем. Вывод о существовании таких ан­тичастиц он сделал в результате чисто теоретических умозаключений «за зеле­ным сукном» Дирак решил, что если оп­ределенные физические законы имеют всеобщее распространение, то у электро­нов должны существовать «антиподы» с такой же ничтожно малой массой, но не с отрицательным, а с положительным зарядом.

Через четыре года частицы, существо­вание которых предсказывал Дирак, были действительно открыты. Они были обна­ружены в космических лучах и названы позитронами. В 1934 году их удалось по лучить опытным путем в лаборатории. По­зитроны можно было бы назвать анти­электронами, поскольку фактически они представляют собой «антиподы» электро­нов. Здесь следует отметить еще одно интересное явление: при столкновении электрона и позитрона оба они превра­щаются в один из видов материи — элек­тромагнитное поле, а именно в гамма-лучи. После этого электроны и позитроны уже нельзя обнаружить в виде частиц. Но они не исчезают, а превращаются в электромагнитное поле, которое не­трудно обнаружить.

Они также встречаются парами!

Вслед за позитронами было открыто много других в высшей степени неста­бильных элементарных частиц, которые преобразуются в другие частицы за одну миллионную и даже одну десятимилли­ардную долю секунды. Одну категорию этих элементарных частиц назвали мезо­нами. Это название говорит о том, что они занимают промежуточное положение между легкими элементарными частица­ми, такими, например, как электроны и позитроны, и тяжелыми частицами, таки­ми, как протоны и нейтроны. Их масса в 207 — 966 раз больше массы электрона (а масса протона в 1 836 раз больше мас­сы электрона). У мезонов также суще­ствуют парные частицы, одна из которых, как и в паре электрон — позитрон, являет­ся античастицей. Есть положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны, точно так же как положительные, отри­цательные и нейтральные мю- и тау-ме-зоны (названные буквами греческого алфавита для обозначения различных ви­дов мезонов). Партнеры в этой паре до­полняют друг друга не только своим электрическим зарядом, но и в других отношениях. Среди гиперонов, элемен­тарных частиц еще более тяжелых, чем протоны и нейтроны, известны гипероны «сигма» — одни с отрицательным зарядом, другие с положительным.

Развивая эту мысль дальше, легко «предположить», что у всех элементар­ных частиц имеются «антиподы» в виде античастиц. Исходя из этого, физики так- же предположили существование подоб­ных античастиц. Они продолжали свои исследования, пытаясь прежде всего об­наружить «антиподы» основных компонен­тов атомного ядра — протонов и нейтро­нов, имеющих такое большое значение для нашей вселенной. Но обнаружить ан­типротоны и антинейтроны в окружающей нас природе, по-видимому, не удастся. Ибо, как видно на примере позитрона (антиэлектрона) и электрона, столкнове­ние античастицы с соответствующей «обычной» частицей влечет за собой пол­ное превращение, сопровождающееся сильным излучением энергии. Таким об­разом, если бы на земном шаре и в ок­ружающем его районе космического про­странства и находились антипротоны и антинейтроны, го они не могли бы долго просуществовать, будучи не в состоянии избежать столкновения с бесчисленными «обычными» частицами. Но если антипро­тоны и антинейтроны действительно пред­ставляют одну из форм бытия материи, то, следовательно, их можно получить искусственным путем!

Цель— производство антивещества!

Сегодня мы уже можем констатировать, что производство антивещества возмож­но, хотя и является нелегким делом. Для этого требуется придать протонам гро­мадные энергии, а затем столкнуть их с атомными ядрами. После этого среди обломков разрушенных таким образом ядер, среди множества других элемен­тарных частиц можно обнаружить и пару частиц протон—антипротон. Производство таких антипротонов в Советском Союзе и США связано с постройкой гигантских ускорителей частиц, требующей милли­ардных расходов (см. «Молодежь мира» №7 за 1958 год). В 1955 году впервые удалось получить антипротоны. Это было достигнуто следующим образом: протоны с большой скоростью устремлялись к медной пластинке. В результате этого процесса от пластинки вместе с другими частицами отделялись и антипротоны. Ра­зумеется, «только вместе с другими», так как на 60 тысяч пи-мезонов приходилось всего 2 антипротона!

Размышления „криминалиста"

А теперь с проницательностью настоя­щего криминалиста попытаемся устано­вить взаимосвязь между этими достиже­ниями ядерной физики и нашими загад­ками. Будем размышлять так.

Если антипротоны, антинейтроны и по­зитроны (то есть антиэлектроны) пред­ставляют собой форму бытия материи, то, очевидно, могут существовать и ан­тиатомы, состоящие из антипротонов, ан­тинейтронов и антипозитронов, а не из «обычных» протонов, нейтронов и элек­тронов. А что, если в других областях космоса существуют звезды из антиато­мов? В этих мирах общая масса частиц с отрицательным электрическим зарядом в отличие от нашей Галактики будет в 1 836 раз тяжелее общей массы частиц с положительным электрическим зарядом! Так вот где кроется разгадка «проблемы Эйнштейна»; в этом случае общая масса космического вещества, помещенная на две чаши весов — на одну частицы с положительным, а на другую с отрицатель­ным электрическим зарядом, — будет уравновешиваться!

Представим себе, что кусок вещества из такого мира, построенного из анти­атомов, утром 30 июня 1908 года упал в районе Тунгуски; тогда мы могли бы подшить в наше «досье» и этот «загадоч­ный случай», так как нам теперь извест­но, что столкновение антивещества с «обычным» веществом приводит к взры­вам огромной мощности, сопровождаю­щимся большим выделением энергии. Для того чтобы вызвать разрушения, вы­званные Тунгусским метеоритом, доста­точно совсем маленького кусочка антивещества. В то же время подобный ме­теорит из антивещества мог бы служить доказательством существования в прош­лом или настоящем в других областях космоса звезд из антивещества.

Но это лишь теоретические рассужде­ния. Способна ли материя существовать в форме античастиц, это нам пока еще не известно. То, что эти античастицы мо­гут образовывать антиатомы, об этом мы также можем только предполагать. До­казать же существование звездных ми­ров, состоящих из антивещества, не представляется возможным — мы можем лишь считать это вероятным, но даже и это предположение нельзя считать достаточ­но правдоподобным, поскольку, согласно подсчетам, в окружающей нас природе на 10 миллионов атомов приходится всего лишь один антиатом. Однако эта теория, как и многие другие проблемы ядерной физики, до сих пор еще не разработана в достаточной степени, а посему она не может доказать прямо противоположно­го, а именно: невозможность существования миров из антиатомов. Фотографи­ческие пластинки, доставленные на раке­тах на очень большую высоту, зафикси­ровали следы, весьма напоминающие ядро природного антиатома кремния.

Таким образом, поставленная здесь про­блема еще не может быть решена. «Глаз» — спектроскоп, который обычно позволяет астрофизикам изучать строение отдаленных звезд с поразительной точ­ностью, — к сожалению, оказывается «незрячим», когда дело касается разницы между веществом и антивеществом. Если бы на других планетах и существовали люди из антивещества, то по своему об­разу мышления и поведению они ничем бы не отличались от обычных людей

Разница между веществом и антивеще­ством становится очевидной лишь при изучении элементарных частиц с помощью определенных физических способов. В то же время это свидетельствует о том, что антивещество вовсе не представляет собой нематериальной субстанции. Скорее всего оно отличается от вещества, зани­мающего господствующее положение в на­шей Галактике, лишь определенными фи­зическими свойствами своих частиц.

ГАНС КЛЕФФЕ