Оппенгеймер, согласно расхожей фразе, стал разрушителем миров. И это у него еще не было ускорителя частиц. Ведь есть вещи пострашнее, чем ядерная бомба.
Антивещество – одно из самых удивительных и малоизученных явлений в мире. По мере развития науки и технологий наш взгляд на антивещество стало яснее, и, похоже, это самый мощный известный человечеству накопитель энергии. На текущем этапе понимания фундаментальной физики, можно даже утверждать, что антивещество – это максимально возможный "энергоноситель" во Вселенной.
Разномастные фантасты часто рассматривают идею использования антивещества для межзвездных путешествий. Дэн Браун, в своем бестселлере Ангелы и демоны, популяризировал идею использования оного в качестве взрывчатки, которая может уничтожить целый город. Однако это не просто фантастические вымыслы. Ученые действительно имеют возможность производства антиматерии - причем этой технологии уже больше полувека.
Так что же мешает нам использовать это удивительное "топливо" для создания ракет нового поколения или, например, для производства электростанций, способных запитывать целые города? И почему, несмотря на такой потенциал, антивещество, к счастью для нас, не стало причиной глобальной катастрофы?
Для начала, напомним, что же такое антиматерия. Представьте себе обычные элементарные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, которые составляют атомы всего вещества вокруг нас. Теперь вообразите, что у каждой из этих частиц есть "зеркальный двойник" с противоположными свойствами. Например, вместо электрона с отрицательным зарядом существует позитрон с положительным зарядом. Эти зеркальные двойники и называются античастицами.
Собрав вместе эти античастицы, мы получим "зеркальное отображение" обычного вещества - мы называем его антивещество или антиматерия. В гипотетическом мире антивещества, где оно бы являлось единственной материей, оно вело бы себя так же, как и привычное нам обычное вещество. Но поскольку мы живем в мире нашей, "обычной" материи, существует одна критически важная особенность: при контакте античастиц с обычными частицами происходит аннигиляция.
Аннигиляция - это процесс, при котором частицы и античастицы притягиваются друг к другу из-за их противоположных зарядов. Когда они сталкиваются, они полностью уничтожают друг друга, высвобождая при этом огромное количество энергии. Этот процесс естественен и не требует каких-либо внешних стимулов для своего начала.
Аннигиляция антивещества с обычным веществом – это процесс такой мощи, что сложно представить его масштабы. Чтобы понять эту мощь, нужно заглянуть в глубины фундаментальной физики.
Известная формула Альберта Эйнштейна, l e=mc² l – стоит в основе этого явления, обозначая прямую связь между массой и энергией. Она гласит: масса и энергия – примерно одно и то же. Именно так, масса является лишь эквивалентом заложенной в материю энергии. Когда античастица и частица встречаются и аннигилируют, их общая масса превращается в чистый поток энергии в виде электромагнитного излучения и фотонов. Это объясняется тем, что при аннигиляции вся масса частицы и античастицы преобразуется в энергию, в соответствии с этим законом Вселенной, отображенным в формуле.
На практике это превращение приобретает поразительные масштабы. Один грамм любого вещества, будь то обычное или антиматерия, в теории сдержит в себе 90 тераджоулей энергии. В качестве сравнения, взрыв атомной бомбы в Хиросиме высвободил примерно 63 тераджоуля энергии. То есть даже небольшое количество антивещества, исчисляемое граммами, может привести к катастрофическим последствиям, сравнимым с ядерными взрывами. Именно поэтому антиматерия так ценна и опасна одновременно. В нашем окружении, наполненном обычным веществом, любой контакт этих двух видов материи приведет к мгновенной реакции аннигиляции. Это делает хранение и использование антивещества крайне сложным и рискованным процессом.
Рассмотрим вопрос производства антивещества. Для начала, стоит отметить важный момент: создание антиматерии всегда будет "убыточным" в плане баланса энергии. Это означает, что независимо от метода производства, на создание антиматерии потребуется гораздо больше энергии, чем она способна выделить при аннигиляции.
Ускорители частиц, которые пригодны для этих целей– это огромные установки, в которых элементарные частицы, например протоны, разгоняются до близких к световым скоростям. Затем эти разогнанные частицы "бомбардируют" специальные мишени. В результате этого столкновения возникает огромное количество различных элементарных частиц, в том числе и античастиц. Процесс создания новых частиц при таком столкновении исключительно хаотичен. Среди множества высвободившихся компонентов лишь незначительная доля – это античастицы, которые нам и нужны.
Представьте себе взрыв, после которого в воздухе летают разнообразные фрагменты и среди них нам нужно выловить какие-то определенные. Именно так ученым и приходится действовать, отбирая нужные античастицы из общего "коктейля", появившегося в результате бомбардировки мишеней. И хотя ученые научились создавать антиматерию таким образом, делать это в больших количествах невероятно сложно и затратно. Оценки ученых из ЦЕРН (европейская организация по ядерным исследованиям) говорят о том, что для создания всего 1 грамма антивещества, вся мировая энергетика должна была бы работать на это без перерыва целый год. Это подчеркивает, насколько велика цена антивещества в энергетическом эквиваленте.
Но производство – лишь вершина айсберга. Даже при условии, что у нас есть технология для создания антивещества, вопрос его безопасного хранения стоит не менее остро.
Вспомним историю с нитроглицерином. Когда этот взрывчатый материал был впервые создан, исследователи быстро осознали, что он может взорваться от самого незначительного воздействия - удара или тряски. Антивещество в этом контексте представляет собой угрозу совершенно другого порядка. Оно не просто детонирует, оно аннигилирует при контакте с любым веществом, высвобождая при этом колоссальное количество энергии - и его попросту невозможно хранить в емкостях из обычных материалов.
Таким образом, для хранения антивещества потребуется совершенно особый контейнер. Вакуум внутри должен быть абсолютным, чтобы исключить контакт с любыми частицами. Далее, внутри контейнера должно создаваться магнитное поле такой силы, чтобы антивещество "левитировало", не прикасаясь к стенкам контейнера. При этом всем, оборудование должно работать на сверхнизких температурах, чтобы предотвратить нагрев антиматерии и сохранить её стабильность.
Даже если у нас будет самая передовая техника для обеспечения таких условий, останется одна из самых критических проблем – обеспечение постоянным источником электроэнергии. Любой сбой, даже кратковременное отключение питания, может привести к катастрофе. В таком разрезе, можно сказать, что антивещество, несмотря на свои уникальные свойства и потенциал, остается чрезмерно опасным, и неудивительно, что многие ученые считают его использование в реальных условиях чистой утопией.
В завершение разговора об этом феномене, следует сделать ряд выводов. Да, антивещество, безусловно, является уникальным и весьма привлекательным объектом изучения в мире фундаментальной физики. С его помощью, ученые на ускорителях частиц получают важную информацию о структуре материи, открывая новые факты и уточнения в понимании физики мира.
Однако, взгляд на антивещество как на потенциальное "сверхтопливо будущего" стоит воспринимать с большим скепсисом. Сегодня человек и так освоил практически все доступные источники энергоносителей на планете, "раскочегарив" мировую энергетику по максимуму. Но даже если бы глобальная энергетика выросла еще в 10 или 100 раз - этого едва ли будет достаточно для практического производства и использования антиматерии. Помимо этого, такая технология входит в прямое противоречие с безопасностью в планетарных масштабах. Никто не захочет находиться рядом с пороховой бочкой, которая имеет потенциал ядерной бомбы, и при этом является самой нестабильной взрывчаткой из всех возможных.
А без доступа к антиматерии, фотонные ракеты из фантастики, лишь безделушка: