• Из истории исследований.
• Фантастика и реальность.

История одного из самых захватывающих и многообещающих открытий в физике, которое волнует ученых и сегодня, началась почти сто лет назад со странного математического уравнения. Молодой французский физик Поль Дирак (Paul Dirac), сумевший в 1928 году вывести общее уравнение для описания движения элементарных частиц при помощи теории относительности, наткнулся на интересную особенность своего решения. Из него следовало, что помимо обычных элементарных частиц могут существовать и такие же частицы с обратным по знаку зарядом — своеобразные зеркальные отражения.

Подобное заявление было в диковинку для классической физики, но Дирака это не смутило — он считал, что предсказанные им античастицы вполне могут служить основанием для материи, подобной той, из которой построен наш мир, но с иными свойствами. Спустя четыре года американский физик Карл Андерсон, изучая взаимодействие частиц высоких энергий, прилетающих на Землю из космоса, с молекулами газа, обнаружил на фотопластинке следы, оставленные частицами, имеющими ту же массу, что и электрон, но заряженными положительно. Это был след антиэлектрона (позже названного позитроном), первой экспериментально открытой античастицы. Так началась история антиматерии.

Все наоборот
Следующие два десятка лет принесли открытие античастиц для оставшихся двух составных частей атома — протона и нейтрона. Для этого уже использовались не потоки лучей из космоса, а новые инструменты, способные ускорять элементарные частицы, придавая им огромную энергию. Теоретическая основа для создания таких инструментов, названных ускорителями частиц, была разработана еще в 30-х годах Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). Устроены они довольно просто: основная их часть — полая труба, на всем протяжении которой установлены электромагнитные катушки.

Впрыскивая в такую трубу пучок элементарных частиц и подавая напряжение на электромагниты, можно ускорять полет частиц, одновременно повышая их энергию. Затем путь преграждают металлической мишенью, сталкиваясь с которой частица распадается. В случае если энергия столкновения достаточно высока, можно надеяться на рождение новых элементарных частиц и соответствующих им античастиц. Именно так в 1955 г. были получены антипротоны, а в 1959 — антинейтроны. После этого ученым ставалось лишь попытаться объединить античастицы и получить первое антиядро, а потом и антиатом.

Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В простейшем случае ядро включает всего один нейтрон и один протон (атом дейтерия). В 1965 году одновременно европейскими (CERN — Европейский центр ядерных исследований) и американскими исследователями было получено ядро антидейтерия (включающее один антинейтрон и один антипротон), а затем, после 30-летней подготовительной работы, в той же лаборатории CERN, путем соединения антиэлектрона и антипротона были произведены первые девять атомов антиводорода. Достижение европейцев произвело настоящий фурор в научном мире: антиводород, в силу чрезвычайной простоты своего строения, обещал стать для изучения антиматерии столь же важным, каким является водород для изучения материи обычной. К этому времени антиматерией начали серьезно интересоваться не только те, кто жаждал новых знаний об устройстве нашего мира, но и чистые практики — намеревавшиеся заставить антиматерию работать на пользу человека.

Практиканты антимира
Задуматься над использованием антиматерии в практических целях заставляет простой факт: как следует из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2, масса является концентрированной формой энергии. Иначе говоря, максимальное количество энергии, которое мы можем получить от какого-либо тела, мы получим, лишь преобразовав его целиком в излучение. Этого чрезвычайно просто добиться при помощи антиматерии — столкнув атом с антиатомом (процесс называется аннигиляцией). В этом случае один килограмм вещества (хотя бы того же водорода) способен дать в миллиарды раз больше энергии, чем при обычном сгорании. Казалось бы, все энергетические проблемы человечества решаются одним махом!

К сожалению, не все так просто. Дело в том, что для производства какого-то количества антиматерии (или просто — антивещества) необходимо затратить энергию не меньше той, которое способно это количество дать при аннигиляции. Черпать же антивещество из природных источников мы не можем за неимением последних. Поэтому использовать антиматерию на электростанциях в качестве идеального топлива не получится. Однако если такое крайне малое количество такого топлива способно стать источником гигантского количества энергии, будучи само весьма компактным, то почему бы не использовать его в космонавтике? Идея эта, впервые высказанная фантастами (вспомните звездолет Enterprise из сериала «СтарТрэк»), получила самую живую поддержку со стороны научной общественности. Конечно, сделать все согласно сценарию фантастического фильма не выйдет. Во-первых, мешает очень маленькая производительность нынешних генераторов антивещества: все они представляют собой уже известные нам ускорители частиц, и лучшие из них способны синтезировать лишь миллиардную долю грамма антиматерии в год. КПД такого генератора фантастически низок (0.00000001%), в результате чего приблизительная стоимость грамма измеряется триллионами долларов. Вторая по важности проблема заключается в необходимости полностью изолировать такое топливо от всех окружающих предметов — иначе после заправки в излучение превратятся не только топливные баки, но и сам звездолет вместе с его пассажирами.

Пристегните ремни
Тем не менее, решения обеих проблем отыскались довольно быстро. Для хранения антивещества предложили использовать вакуумную камеру, помещенную в замкнутый кокон из управляемых электромагнитных полей. Решение не самое дешевое, но главное, что прототипы таких хранилищ уже имеются — к примеру, в американском проекте Mark I несколько миллиардов антипротонов хранились в течение недели. С недостатком антивещества и его дороговизной решено бороться еще проще: дефицитная антиматерия может играть лишь роль запала, инициирующего реакции, протекающие в мощных атомных двигателях.

В это же время астрономы продолжают поиски островов антиматерии во Вселенной. Идея Дирака о возможном существовании целых миров, составленных из антивещества, подверглась некоторой правке: сегодня ученые склоняются к мысли, что на антиматерию приходится в лучшем случае лишь около миллионной доли типичных звездных систем вроде нашей галактики. И обнаружить их — дело чести. Пока такие поиски, ведущиеся с помощью детекторов частиц высоких энергий, вынесенных за атмосферу (как это было, к примеру, в проекте AMS в 1998) успехом не увенчались, но ученые намерены продолжить их, разместив детекторы на борту Международной космической станции уже в 2004 году.

Ну а пока одни мечтают о межзвездных перелетах и антимирах, другие активно используют антиматерию в своей ежедневной практике. К примеру, медики выявляют очаги заболевания внутри человеческого тела при помощи т.н. PET-сканирования (позитронно-эмиссионная томография), рисующего точнейшую карту кровеносных сосудов на основе излучения, остающегося после аннигиляции электрон-позитронных пар. А в некоторых перспективных разработках, ведущихся в том числе и российскими учеными, планируется использовать пучки античастиц для уничтожения раковых опухолей.