Этот правый, левый мир

Глава 21. Античастицы

Теоретические представления о строении материи, подобно маятнику, колеблются от простых воззрений к сложным и обратно. Древние греки представляли себе все вещества как комбинации четырех элементарных типов материи: земли, воздуха, огня и воды. Потребовалось около двух тысячелетий, чтобы развитие химии привело к необходимости отличать около восьмидесяти различных элементов — веществ, состоящих из атомов определенного сорта. Эти атомы и были «элементарными» частицами до начала настоящего столетия, когда представления о строении материи снова не качнулись, подобно маятнику, к простоте. В начале тридцатых годов различие между атомами было весьма изящно объяснено в рамках модели, включающей только три (а не четыре, как у Аристотеля) вида элементарных частиц: протоны, нейтроны и электроны.

Затем маятник снова качнулся: к настоящему времени физики обнаружили от 30 до 100 различных элементарных частиц. Это число неопределенно потому, что неясно, какие частицы нужно называть «элементарными», а какие — различными состояниями одной и той же частицы. Такая вновь обнаруженная сложность семейства элементарных частиц заставляет физиков стремиться упростить ее подобно тому, как на основании боровской модели строения атома и ее последующего развития удалось объяснить периодическую таблицу элементов.

Писатель Сноу сравнивает известные в настоящее время элементарные частицы с коллекцией загадочных оттисков, а физик Р. Оппенгеймер добавляет, что они «вызывающе непонятны».

Никто не может предсказать, когда маятник наших представлений снова качнется к простоте.

Некоторые физики, занимающиеся проблемой элементарных частиц, считают, что в недалеком будущем на основе небольшого числа простых математических предположений удастся создать стройную новую теорию, объясняющую свойства элементарных частиц. Поразительный успех в этом направлении был независимо достигнут в 1961 году М. Гелл-Манном в Калифорнийском технологическом институте и Ю. Нееманом, полковником израильской армии, внезапно решившим стать физиком. Они предложили прекрасную схему классификации элементарных частиц, которая теперь носит название «восьмеричного пути» (по аналогии с буддийским религиозным термином), поскольку в ней каждой частице приписывается восемь квантовых чисел для восьми различных сохраняющихся величин[43]. Эти квантовые числа оказываются связанными друг с другом посредством симметрии простых групповых структур, известных в математике под названием «групп Ли» (по имени норвежского математика Софуса Ли). Восьмеричная картина была в 1964 году блестяще подтверждена сообщением об открытии в Брукхэйвенской национальной лаборатории новой частицы, получившей название «омега-минус». Многие свойства этой частицы были предсказаны именно в рамках восьмеричной гипотезы — поистине замечательный пример значения теории групп (привлеченной в квантовую механику Вигнером) для понимания свойств новых частиц. Пользуясь метафорой доктора Сноу, восьмеричный путь можно сравнить с той схемой, по которой нужно наклеить на альбомную страницу на первый взгляд совершенно случайные почтовые марки, чтобы составить приятный для глаза симметричный узор цветов и изображений. Частицы не столь уж «вызывающе непонятны», если их правильно классифицировать! Другие физики, занимающиеся проблемой элементарных частиц, не так оптимистичны. Одни из них предвидят замедление «качаний маятника» и склонны думать, что настоящая теория частиц не будет сформулирована до тех пор, пока не будет накоплено много новых данных. Они опасаются, что эти новые сведения будет нелегко получить. Даже если восьмеричный путь классификации элементарных частиц окажется столь же успешным, каким в свое время была периодическая система элементов, понадобятся еще десятилетия, чтобы сама эта классификация была полностью объяснена основными законами природы.

Прекратит ли когда-нибудь наш маятник свое движение? Или имеется бесконечное число уровней микроструктуры, подобно игрушечным матрешкам, вложенным одна в другую? Эдвард Теллер в 1962 году писал: «Нет необходимости приписывать электрону внутреннюю структуру... — и добавлял: — пока». Известное «трио» — протон, нейтрон и электрон — не было твердо установлено до 1932 года, когда Джеймс Чедвик в Кэвендишской лаборатории в Кембридже наконец уловил нейтрон[44]. О существовании этой частицы подозревали задолго до этого, и физики облегченно вздохнули, когда нейтрон был наконец обнаружен. Однако не прошло и года, как их самоуспокоенности был нанесен тяжелый удар. Карл Д. Андерсон в Калифорнийском технологическом институте, просматривая траекторию космических частиц, сфотографированных в камере Вильсона, обнаружил след частицы, которая должна была быть электроном, но почему-то искривила свою траекторию в магнитном поле не так, как это следовало бы электрону, а как раз наоборот. Проанализировав всевозможные объяснения обнаруженной аномалии, Андерсон пришел к выводу, что рассматриваемый трек мог быть образован только электроном, имеющим положительный заряд. Он дал этой частице название позитрон, и оно так и закрепилось.

Позитрон был первой из обнаруженных античастиц. К настоящему времени каждая элементарная частица имеет соответствующую ей античастицу. Такие две частицы в точности подобны друг другу, за тем лишь исключением, что знак некоторой сохраняющейся величины (описываемой положительным или отрицательным квантовым числом) у них противоположен. Если частица заряжена, античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака. Если она обладает магнитным моментом, ее античастица имеет магнитный момент противоположного знака, K-мезон и анти-K-мезон не имеют ни заряда, ни магнитного момента, но отличаются знаком еще одного квантового числа, называемого странностью. Иными словами, все сохраняющиеся величины имеют у античастиц обратные знаки, и при соединении частицы и античастицы воедино эти величины уничтожаются — превращаются в фотоны или мезоны. Для фотона и нейтрального пи-мезона античастица совпадает с частицей.

До открытия Андерсона большинство физиков не верили в существование античастиц. Лишь Поль Адриан Морис Дирак, один из наиболее плодовитых физиков-теоретиков, предложил «дырочную» теорию частиц, которая предсказывала существование античастиц. Невозможно объяснить теорию Дирака без привлечения сложных выражений из высшей математики, но очень грубое представление о ней можно получить, вспомнив о существовании популярной «игры в 15», состоящей в последовательном передвижении квадратиков с нанесенными на них цифрами до тех пор, пока не будет достигнуто заданное их расположение[45]. Подобно тому как эти маленькие квадратики, совершая дискретные «квантовые скачки», переходят из одного положения в другое, одновременно перемещается и свободное место, то есть «дырка» в расположении квадратиков. Она тоже переходит из одного подозрения в соседнее, ведя себя так же, как любой из квадратиков. Фактически в теории этой игры «дырка» трактуется как нечто перемещающееся среди квадратиков.

Связь между «игрой в 15» и теорией Дирака состоит в следующем. Теория Дирака предполагает, что пустое пространство — вакуум — на самом деле не пусто, а представляет собой обширное компактное скопление, «море» частиц отрицательной массы. (Отрицательная инертная масса частицы означает, что под действием некоторой силы частица начинает двигаться не по направлению действия силы, а против него.) При некоторых условиях какая-то частица может быть вырвана из своего обычного положения и поднята, так сказать, «над уровнем моря» частиц. При этом происходит «рождение пары» электронов с положительной инертной массой. Один из них — обычный электрон с отрицательным зарядом. Другой — «дырка», оставшаяся «ниже уровня моря». Эта дырка реальна в том же смысле, в каком реален движущийся пузырек воздуха в жидкости или «дырка» в рассмотренной игре[46]. По теории Дирака, она ведет себя как электрон с положительным зарядом. Как писал Дирак в 1931 году, это может быть «частица нового типа, неизвестная экспериментальной физике, имеющая ту же массу, что и электрон, но обладающая противоположным зарядом. Такую частицу можно назвать антиэлектроном».

«Этот антиэлектрон, — продолжал Дирак, — недолго существует в нашем мире. Некоторое время он „движется“ (поскольку кругом движутся другие, не наблюдаемые нами частицы „моря“), затем в дырку попадает электрон и происходит „аннигиляция“ пары. Обе частицы „уничтожают“ друг друга и исчезают из поля зрения». «Аналогичным образом, — рассуждает Дирак, — протоны также могут иметь свое „море“ плотно упакованных частиц. При некоторых обстоятельствах частицы могут выбиваться из этого „моря“ и становиться обычными протонами, оставляя незаполненными „дырки“, несущие отрицательный заряд и ведущие себя подобно антипротонам».

И все это — в 1931 году! Был ли Андерсон знаком с замечательной теорией Дирака? Нет, не был. Более того, когда Андерсон после своего открытия прочитал работу Дирака, он признался, что не смог понять ее до конца. Поэтому можно считать, что Андерсон проявил не меньше научной проницательности и смелости, чем Дирак, предложивший столь необычную теорию. В самом деле, не имея никакого теоретического объяснения, глядя лишь на свой фотоснимок трека, он осмелился заключить, что наблюдаемое явление не может быть объяснено никакой из существовавших теорий: это должен был быть след положительного электрона.

Другие физики, не теряя времени, принялись проверять открытие Андерсона. В течение нескольких месяцев во многих лабораториях при бомбардировке атомных ядер гамма-квантами были получены электрон-позитронные пары. Как и предсказывал Дирак, позитрон оказался короткоживущим. При первом же столкновении с электроном (а вокруг него их более чем достаточно) происходит аннигиляция пары. Позже было установлено, что перед аннигиляцией обе частицы некоторое время вращаются относительно общего центра, образуя на мгновение «атом» вещества, называемого физиками позитронием. Короткий танец смерти — и конец! Обе частицы исчезают, оставив два или три гамма-кванта в зависимости от того, вращались ли частицы с параллельно (северные полюса направлены одинаково) или антипараллельно (северные полюса направлены противоположно) направленными магнитными осями.

Как мы видели, теория Дирака предсказывает также существование антипротонов. Эта частица может возникнуть лишь одновременно с протоном и исчезает, встретив его снова. Экспериментально антипротон был обнаружен лишь в 1955 году, двадцать три года спустя после открытия антиэлектрона. Для его обнаружения группа физиков Калифорнийского университета в Беркли использовала мощный ускоритель, называемый бэватроном[47]. Обнаруженная пара протон — антипротон вела себя именно так, как предсказывал Дирак.

Год спустя та же группа физиков в Беркли впервые зарегистрировала антинейтрон. Хотя нейтрон и не имеет электрического заряда, он обладает спином и магнитным моментом, вокруг нейтрона существует магнитное поле, и именно по направлению этого поля нейтрон отличается от антинейтрона.

После 1956 года физики установили, что каждая элементарная частица, за двумя уже упоминавшимися исключениями (фотон и пи-мезон), имеет своего «близнеца» — античастицу. Как только стало очевидным, что три частицы, образующие обычное вещество, — протон, нейтрон и электрон — имеют свои античастицы, физики сказали себе: «А почему бы не существовать антивеществу?» Атом антиводорода имел бы в качестве ядра антипротон, вокруг которого вращался бы позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом. Простейший изотоп антиводорода — антидейтерий — имел бы такую же структуру, за исключением того, что антиядро содержало бы еще и антинейтрон[48]. Аналогично построены все другие элементы антивещества. Каждый антиатом был бы копией обычного атома, но состоял бы не из обычных, а из античастиц. Далее, нет причин, препятствующих антиатомам соединяться в антимолекулы, образуя антиэлементы и антисоединения, являющиеся точными копиями тех, которые нам известны. Антивода, например, представляла бы собой соединение двух атомов антиводорода с одним атомом антикислорода.

Сейчас, когда пишутся эти строки, еще никому не удалось открыть или создать в лаборатории хотя бы один антиатом антивещества, но физики не видят теоретических причин, по которым антивещество не могло бы существовать. Конечно, при соприкосновении крупиц антиматерии с обычной материей произошел бы немедленный взрыв. Этот взрыв был бы много сильнее взрывов атомных и водородных бомб, поскольку при взрывах бомб лишь часть их массы преобразуется в энергию. При соединении же материи с антиматерией фактически вся масса переходит в энергию. Сначала будет происходить рождение пи-мезонов и других частиц, затем эти частицы немедленно превратятся в нейтрино и фотоны, разлетающиеся со скоростью света. Это был бы взрыв максимально возможной силы.

Наука пока еще не нашла способа, которым можно было бы разбить вдребезги наш земной шар. Имеется много мыслимых путей для уничтожения всей жизни на планете, но еще не удавалось найти столь мощный источник энергии, который мог бы уничтожить всю Землю. Если бы удалось получить в достаточных количествах антивещество, оно и было бы таким источником. (Чтобы избежать взрыва, антивещество нужно было бы хранить в вакууме, строжайше изолировав от контакта с материей.) Не являются ли астероиды, мириады которых вращаются по орбите между Марсом и Юпитером, остатками планеты, где ученые умели получать антивещество? Может быть, природа распространяет жизнь на миллионы планет в надежде, что хоть где-нибудь появятся разумные существа, способные постигать тайны строения материи, не отправляясь при этом на тот свет. Планета, которая находилась сразу за Марсом, не выдержала проверки. Теперь на пороге великого испытания Земля.

Все это давно уже стало материалом для научной фантастики. Как только физики предсказали существование антиматерии, писатели-фантасты начали обыгрывать эту тему. (Сначала они называли ее «противоземной» материей, но термин этот не прижился.) Юноша встречает девушку из антимира: они целуются — взрыв и т. п. Очевидно, наша Галактика должна состоять целиком из обычной материи, но имеются и другие галактики, отделенные от нашей невообразимо большими расстояниями. Может быть, некоторые из них состоят из антиматерии? На этот вопрос нельзя ответить, изучая свет, который они посылают к нам, так как квант света фотон неотличим от своей античастицы. Любые же античастицы, вылетевшие к нам с такой антигалактики, неминуемо будут перехвачены и аннигилируют задолго до того, как приблизятся к Земле (исключение, возможно, составляют антинейтрино, с которыми мы познакомимся в гл. 23).

В созвездии Лебедя наблюдаются две галактики, которые, видимо, проходят одна сквозь другую и посылают при этом радиосигналы очень большой мощности. Некоторые астрономы склонны думать, что здесь имеет место столкновение галактики и антигалактики, — другие так не считают. Выдвигалось предположение, что на Землю могут время от времени падать метеориты, состоящие из антивещества, подобные тому загадочному объекту, который взорвался в Сибири 30 июня 1908 года, вызвав чудовищные разрушения без всякого следа метеоритных осколков. Это предположение кажется маловероятным, поскольку все метеориты приходят из нашей же Галактики и поэтому должны состоять из обычной материи.

Возможность создания небольших количеств антиматерии как горючего для межпланетных кораблей рассматривается учеными совершенно серьезно, хотя в настоящее время никто не имеет представления о том, как приступить к этому практически. Естественно, что это было бы одно из лучших мыслимых видов горючего. Например, антижелезо можно было бы намагнитить и с помощью магнитного поля хранить в вакууме, а затем с помощью какого-либо искусного приема по частям вводить в соприкосновение с обычным железом.

В 1956 году в газете «Сан-Франциско кроникл» была помещена речь Эдварда Теллера, в которой известный физик коснулся проблемы антивещества и упомянул, в частности, то обстоятельство, что при контакте с обычным веществом оно взрывается. Эта речь вдохновила Гарольда Фурса из Радиационной лаборатории Лоуренса на создание поэмы «Опасности современной жизни», напечатанной 10 октября 1956 года в журнале «Нью-Йоркер»:

Упражнение 15. Как мы узнаем в гл. 23, в настоящее время считается, что переход к антиматерии, кроме обращения знака заряда и направления магнитных осей, предполагает еще и перемену понятий «правого» и «левого». Попробуйте, исходя из этого, дать возможные толкования фразы: «Их правые руки встретились».

Ответом Теллера на поэму явилось следующее занимательное письмо, появившееся в «Нью-Йоркере» 15 декабря 1956 года:

Существенно понимать, что само по себе открытие античастиц никоим образом не нарушает закона четности. Как мы видели, различие северного в южного полюсов магнита никак не способствовало решению Озма-проблемы, то есть никак не свидетельствовало в пользу того, что природа отдает предпочтение правому или левому. Точно так же никакой право-левой асимметрии не следует из различия положительных и отрицательных зарядов. Подобно полюсам магнита, термины «положительный заряд» и «отрицательный заряд» обозначают просто два состояния электричества. В настоящее время принято считать, что магнитные силы вызываются движением электрических зарядов, и мы видели, как направление вращения этих зарядов объясняет различие между двумя полюсами магнита. Почему электричество должно находиться именно в двух состояниях—положительном и отрицательном,—остается полнейшей загадкой. Физики вынуждены просто принять это как факт.

Различие зарядов устанавливается с помощью того обстоятельства, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Все известные элементарные частицы имеют либо отрицательный заряд (в количестве одной элементарной единицы), либо положительный заряд (в том же количестве), либо вообще не имеют заряда. (В квантовой механике заряд частицы описывается квантовым числом, принимающим три значения: +1, —1, 0.) Никто не знает, что кроется за этими обозначениями. Но мы хотим отметить, что здесь нет никаких указаний на нарушение лево-правой симметрии.

Если рассмотреть и электрические заряды и магнитные оси одновременно, то можно изобразить частицу и ее античастицу таким образом, что одна из них будет зеркальным отображением другой. В качестве примера на рис. 59 показаны электрон и позитрон, а на рис. 60 — протон и антипротон. Отметим, что на рисунках показаны лишь символические модели; истинная картина может быть правильно выражена лишь на языке волновых функций квантовой механики. Тем не менее, как и в случае структурных диаграмм молекул, представляющих по существу просто схему межатомных химических связей, такие условные рисунки весьма полезны и зачастую помогают выяснению существа проблемы.

Глядя на эти диаграммы, невольно думаешь: а не являются ли античастицы действительно зеркальными изображениями реальных частиц? В самом деле, единственная разница между правой и левой частицами на каждом рисунке, кроме зеркальной сопряженности их структур, состоит в том, что одна из них заряжена положительно, а другая — отрицательно. Не связано ли (пока неизвестно, как именно) различие между положительным и отрицательным зарядами с какой-либо асимметрией пространственной структуры самой частицы? Не выявят ли будущие исследования структуры электрона (о которой мы, как говорил Теллер, не имеем «все еще» никаких сведений) пространственную асимметрию? Ведь установили же исследования химиков в прошлом столетии, что «оптические изомеры» Пастера являются зеркальными отображениями друг друга! Вспомним, как коллеги Вант Гоффа презрительно отзывались о его работах в этом направлении, как о «жалких спекулятивных рассуждениях».

Пастер и Вант Гофф обладали глубокой интуицией и той вдумчивостью, которая сродни проницательности Канта, усомнившегося в идеальности своего слуха. Как могут быть два предмета совершенно одинаковыми во всех отношениях и вместе с тем в чем-то различаться? Именно почему электрон и позитрон совершенно подобны и все же различаются знаком заряда? Рассматривая приведенные выше диаграммы, можно дать такой ответ: они действительно одинаковы и все-таки «что-то не так».

Даже после открытия античастиц физики не принимали всерьез гипотезу о том, что античастицы могут действительно быть зеркальным отображением некой неизвестной асимметричной структуры. Причина такого скептицизма проста: если бы в строении частиц существовала некая пространственная асимметрия, то она, безусловно, проявлялась бы в том, что четность каким-нибудь способом нарушалась. Иначе говоря, тогда можно было бы осуществить эксперимент, в котором асимметрия частиц приводила бы к какому-то измеримому (а не символическому или схематическому) асимметричному пространственному распределению, то есть существовало бы измеримое различие правого и левого. Таких экспериментов тогда не существовало. Четность всегда сохранялась.

Затем в промежутке между 1954 и 1956 годами создалась любопытная ситуация с двумя частицами, называвшимися в то время тета-мезон и тау-мезон. Занимательную историю о том, как эта «загадка тета-тау» привела к падению закона сохранения четности, мы узнаем в следующей главе.