Чтобы полететь к другим планетам, нужно много энергии. Знаменитый миллиардер и инженер Илон Маск говорит о полетах до Марса, но чтобы серьезно заняться, допустим, его колонизацией, нам нужны двигатели на более эффективном топливе, чем нынешнее химическое. Ведь летать предстоит туда и обратно довольно часто, а потому нужен такой ресурс, который бы при меньшем объеме давал больше энергии. Именно здесь нам на помощь может прийти антивещество, ведь при контакте антивещества с веществом, даже в небольших количествах, вся масса превращается в энергию. Для сравнения, при ядерном синтезе в энергию превращается только небольшая часть массы урана, и эффективность составляет всего 1%.
Есть только одна загвоздка - получить антивещество сложно. Сможем ли мы достать его достаточно для полетов? И, учитывая как легко можно устроить непреднамеренный взрыв - при одном лишь контакте с материей - как нам вообще с ним управляться? Давайте посмотрим, что говорят физики.
Место электрона пусто не бывает
Начать следует с того, что вообще такое антивещество. Это какая-то параллельная материя? Звучит как концепт из фантастического романа, но в терминах физики все объясняется вполне логично. Согласно ей, все вещество состоит аз атомов, а те, в свою очередь, из заряженных элементарных частиц. Частицы с отрицательным зарядом называются электроны, и они обращаются вокруг ядра. Ядро, в свою очередь состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов.
Эту модель усовершенствовал физик Поль Дирак в 1928 году, предсказав существование античастиц, а соответственно антиатомов, антиматерии, антилюдей и так далее. Как он это сделал? С помощью чистой математики. Дирак хотел примирить теорию относительности Эйнштейна с квантовой теорией Шрёдингера. Согласно квантовой теории, электрон может одновременно проявлять себя и как частица, и как волна. Однако математическое описание электрона в этих двух состояниях применимо только к медленно движущимся частицам, когда время более или менее постоянно. На высоких скоростях в дело вступает теория относительности, растягивая и удлиняя время в зависимости от наблюдателя, и уравнение Шрёдингера уже неприменимо.
Дирак в итоге вывел уравнение, которое давало решение, но в то же время казалось безумием. Согласно ему, получалось, что возможна отрицательная энергия у частиц. То есть, например, электрон может бесконечно долго испускать фотоны в электромагнитном поле, уходя в минус по энергии. Однако таких «авансов» мы не наблюдаем в реальности. Почему? Дирак для объяснения этого придумал концепцию, названную в его же честь «морем Дирака» (позже ее заменила квантовая теория поля). Он предположил, что все состояния частиц со знаком «минус» уже заняты, и представляют собой то самое невидимое море. Именно поэтому обычные частицы не «скатываются» в отрицательные состояния - просто некуда. Они как бы плавают на поверхности этого моря. Но если там появляется «дырка», то она и становится той самой античастицей. У нее отрицательный заряд по сравнению с электроном, но ведет она себя абсолютно так же. Когда электрон попадает в эту «дырку», как шар в лузу в бильярде, случается аннигиляция, высвобождая энергию.
Эта концепция так и осталась бы мудреной теорией, если бы спустя 5 лет другой физик, Карл Андерсон, не обнаружил ту самую античастицу для электрона экспериментально. Она была названа позитроном (поскольку, по сравнению с отрицательно заряженным электроном, имеет положительный заряд). Было установлено, что антивещество существует на самом деле. Теперь вопрос - как нам его получить?
Частицы - вдребезги
Ответ - на ускорителях частиц. Например, первый антипротон был получен в 1955 году на «Беватроне» в Калифорнии. Как и ожидалось, это был отрицательно заряженный протон. На сегодняшний день смогли создать даже порции целых атомов антиводорода на ускорителе в CERN в Лаборатории имени Ферми. Для этого приходится буквально совершать насилие над частицами. Ускоритель направляет пучок высокоэнергетических протонов на мишень. Магниты выделяют из потока антипротоны, их потом замедляют до низких скоростей и запускают на орбиту вокруг ядра позитрон по аналогии с электроном в обычном атоме. Если позитрон начинает обращаться, то получается антиатом. В 1995 году так создали аж девять атомов антиводорода.
В сущности, можно создавать антиатомы любых элементов. Однако все упирается в стоимость. Например, создание нескольких триллионных грамма антивещества вышло CERN в 2004 году в 20 млн. долларов. Грамм антивещества на сегодняшний день оценивается в 62.5 трлн. долларов. Усилий всей мировой экономики едва хватит, чтобы его произвести. Да и времени бы это заняло очень много - около 100 млрд лет работы ускорителя.
А что насчет энергии? Возможно, объемы значительно меньше грамма все-таки дают ощутимые результаты? Увы, этого сказать нельзя. В заявлении CERN говорится:
«Если бы мы могли собрать все произведенное нами антивещество и аннигилировать его с веществом, мы получили бы достаточно энергии, чтобы одна электрическая лампочка горела несколько минут».
Иными словами, хотя антиматерия - очень эффективный энергетический ресурс, его производство на данный момент очень нерентабельно. Вся надежда - на более совершенные ускорители частиц, которые бы удешевили процессы. Однако, кроме искусственных способов, есть также и естественный, чтобы достать этот ценный ресурс. Где? В космосе.
Антивещество вокруг Земли
Создатель водородной бомбы в СССР Андрей Сахаров рассуждал, что атомы современной Вселенной есть результат столкновения частиц и античастиц, которые образовались на заре Большого взрыва. Взаимно аннигилировав, они оставили после себя лишь небольшое количество вещества, которое и есть наша Вселенная (небольшое, конечно, по меркам взрыва. С нашей точки зрения, Вселенная просто огромна). Согласно этой логике, в мире должно присутствовать как вещество, так и антивещество. В таком случае, мы говорим уже не о граммах, а о весьма внушительном количестве. Остается только искать его в глубинах космоса.
Найти его можно по гамма-лучам с энергией 1.02 МэВ - такова энергия аннигиляции электрона и позитрона. Если из какого-то участка космоса придут такие сигналы, это будет звоночек - там может быть антивещество. В реальности его даже нашли - целый «фонтан» имеется недалеко от центра нашей галактики. Это, конечно, далеко, но вселяет надежду, что подобные источники есть и где-то еще. Вскоре так и оказалось. Он есть… прямо возле нашей планеты.
Для поисков антивещества в 2006 году на орбиту вывели спутник PAMELA, разработанный совместно Россией, Италией, Германией и Швецией. Результатом этого, кроме прочего, было обнаружение антипротонного пояса вокруг Земли. Антипротоны образуются после встречи космических лучей с атмосферой Земли. Хотя обычно античастицы аннигилируют, на такой высоте их концентрация мала, и они могут существовать долго. Потенциально, эти антипротоны можно было бы собирать как топливо для космических кораблей.
Корабли-бомбы
Согласно оценкам ученых, всего 30 мг антивещества питали бы космический корабль на пути от Земли к Плутону. На путь до Альфы Центавра было бы затрачено 17 г такого топлива. Допустим, мы его получим. Как же тогда создать такой двигатель, чтобы он был безопасным? Как мы помним, результатом контакта материи и антиматерии является взрыв, причем чем больше вещества, тем он мощнее. Меры безопасности на таком корабле должны быть самого высокого порядка.
Физик Джеральд Смит предлагает такой вариант двигателя на антивеществе. Для начала в ускорителе частиц надо получить антипротоны и заключить их в так называемую ловушку Пеннинга. Такая ловушка будет весить 100 кг, составляя жидкие азот и гелий. Внутри нее будет магнитное поле, способное удержать до триллиона антипротонов. Зачем нам азот и гелий? Они охлаждают температуру, а когда она низкая, длина волны у антипротона больше, чем у атомов в стенке контейнера. Поэтому при встрече со стенкой антивещество не взорвется, а просто отскочит.
Другой способ не взорваться - это предварительно ионизировать антивещество и превратить его в ионный газ. Затем следует поместить его в контейнер с магнитным полем, чтобы оно не дало антивеществу соприкасаться со стенками. Для работы двигателя нужно сделать процесс аннигиляции вещества и антивещества контролируемым. Иными словами, для полетов нам нужен управляемый взрыв. Тот же Джеральд Смит считает, что 4 мг позитронов будет достаточно для полета на Марс за несколько недель.
Учитывая, насколько разрушительно может быть антивещество, очень не хочется, чтобы, если мы его освоили, оно повторило судьбу атомной энергии и было бы использовано в рамках очередной доктрины сдерживания. Атомные бомбы уже держат человечество в постоянном страхе за свою судьбу. Почему бы, наконец, не направить научные открытия на исследование Вселенной?
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.