Всего за 220 руб. Купить полную версию
* **
Что происходит, когда кварк встречается с антикварком? Мощная сила, удерживающая кварки и антикварки по три, также может притянуть и единичный кварк к антикварку. Многие частицы, которые встречаются в космических лучах и ускорителях, например пионы и странные каоны, – это крошечные пучки кварка и антикварка. Такая комбинация не является ни материей, ни антиматерией, но содержит образцы каждой, кварк материи и антикварк антиматерии. Если кварк и антикварк заключены в миниатюрной вселенной, которая простирается только на одну тысячную часть миллиардной части метра, они практически мгновенно встретятся и уничтожат друг друга. Поэтому пион и каон живут только очень короткое время.
Эксперименты показали, что случается, когда протон встречается с антипротоном. Иногда они просто плывут друг к другу, иногда на скорости врезаются друг в друга, и конечный продукт варьируется. Чем больше скорость, на которой происходит столкновение, тем больше их энергия, тем больше пионов или гамма-лучей создается при взрыве. В процессе экспериментов ученые узнали, чего ожидать, если кто-то с успехом создаст источник энергии на основе антиматерии, или бомбу, или если в нашу атмосферу прилетит антикамень из космоса. Мы уже поняли достаточно, чтобы предсказать возможные результаты.
Эксперименты показали, что аннигиляция не происходит мгновенно. Вместо этого протон и антипротон немного "танцуют", как бы ухаживая друг за другом, и только потом происходит их окончательное судьбоносное слияние. Представьте протоны в куске материи, когда приближается антипротон. Положительный заряд протона создает электрическое поле, которое распространяется в пространстве в масштабах атомов. Эти расстояния составляют примерно десять миллиардных метра и кажутся нам крошечными, но при этом они примерно в десять тысяч раз больше, чем размер и самого протона, и самого антипротона. Если антипротон приближается к протону относительно медленно, то он окажется в ловушке из-за противоположных зарядов и начнет вращаться по орбите вокруг протона подобно тому, как делает электрон в обычном атоме. Изначально эта орбита далеко, но по мере того как антипротон станет терять свою энергию, он будет переходить с внешних орбит на внутренние и при этом эмитировать гамма-лучи. Именно эти гамма-лучи можно уловить, а их энергию измерить. Это подобно тормозным следам автомобиля на месте аварии, по которым можно определить последовательность событий.
Наконец, антипротон оказывается на близко расположенной орбите и в радиусе действия мощной силы, сопротивляться которой не могут ни протоны, ни антипротоны. Описанный танец мог продолжаться в течение одной сотой доли секунды, но, как только частица попадает под действие мощной силы, конец наступает практически мгновенно. Новость о катастрофе идет со скоростью света через протон и антипротон, и они исчезают за менее чем миллиардную долю миллиардной доли секунды, оставив после себя гамма-лучи и пионы. Потом они тоже исчезают: пионы, состоящие из кварка и антикварка, живут очень недолго, они саморазрушаются, тоже превращаясь в гамма-лучи, или в электроны, позитроны и нейтрино, и все они несут энергию аннигиляции.
Аннигиляция дает уникальную возможность – высвобождение энергии из материи. Что это? Благо или зло? В нашем материальном мире антиматерия разрушает все. Если мы хотим, чтобы антиматерия приносила пользу, мы должны научиться ее сдерживать и удерживать вне любой материи и так долго, как нужно перед тем, как захотим ее использовать. Теперь расскажем о решении этой проблемы.
Хранение антиматерии
Проблема хранения энергии касается не только антиматерии. Мы знаем, как хранить нефть и газ. Но сейчас по всему миру идет активное развитие альтернативной энергетики, изучаются возможности использования солнечных батарей и ветрогенераторов. Электричество, произведенное этими источниками энергии, уже используется, хотя, конечно, до освещения и отапливания домов только с помощью энергии солнца, силы ветра и антиматерии еще очень далеко.
Но энергетические комплексы для выработки энергии из альтернативных источников уже есть – например, они работают в небольших изолированных поселках в разных странах мира. Если тянуть на сотни километров линии от электростанции, потери окажутся неоправданно большими. Поэтому в таких уголках активно строят солнечные и ветряные электростанции.
В США стоимость киловатта в регионах с большим количеством солнца составляет семь центов. Конечно, на юге эффективность солнечных батарей всегда будет выше. В некоторых регионах такие установки выбирают, руководствуясь заботой об окружающей среде. Иногда солнце и ветер используют во взаимодействии с электросетью.
Теоретически эффективность преобразования солнечной энергии может достигать 86 % (антиматерии – 100 %). Правда, КПД нынешних солнечных батарей в массовом производстве составляет всего 18 %, но это все равно выгодно. А какую выгоду может дать использование антиматерии?
Век нефти закончится не из-за дефицита нефти, а из-за того, что появляются новые технологии, одной из которых может стать антиматерия. На сегодняшний день способ преобразования солнечной энергии уже достиг уровня, когда он начинает конкурировать с имеющимися старыми источниками электроэнергии, включая АЭС
Не так давно было предложено решение проблемы хранения энергии, выработанной солнечной батареей. Американский изобретатель Илон Маск представил литий-ионные аккумуляторы. Возможно, это изобретение изменит расклад сил в мировой энергетике.
А что же с антиматерией, которая определенно может быть более эффективна, чем солнце и ветер? Решение вопроса хранения вещества, которое разрушает все, предложил Бруно Тушек, австрийский физик, который занимался физикой ускорителей и создал первый в мире электрон-позитронный коллайдер. В его коллайдере пучки частиц и античастиц вращаются в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Поскольку антиматерия разрушит любой материальный предмет, ее следует держать в клетке, не имеющей стен. Решение – вакуум, который лучше открытого космоса с магнитными и электрическими полями. В нем должны быть заключены античастицы, позитроны или антипротоны, как циркулирующие пучки.
Этот эффект был достигнут в лабораториях, занимающихся физикой частиц, например в ЦЕРН, где использовалось кольцо магнитов протяженностью 27 километров, где в течение многих недель пучки позитронов направляли сквозь вакуумную трубку. Эти позитроны двигались со скоростью света и жили столько времени, сколько времени не касались стенок трубки благодаря подпитывающему магниты электричеству или пока не сталкивались со случайными атомами газа внутри трубки.
Об этом эксперименте мы поговорим ниже, а сейчас нас интересует, как хранить антиматерию, как ее транспортировать и использовать в реальности. Определенно, непрактично строить 27-километровые круги магнитов и тем более перевозить их с места на место. И в этом нет необходимости. Огромное кольцо было вершиной научных достижений, разработанное специально для производства и управления пучками антиматерии, на скорости, максимально приближенной к естественному пределу скорости – 300 000 километров в секунду. Но начальная идея и технология появились гораздо раньше сооружения кольца магнитов, в 1960 году, и принадлежит упомянутому Бруно Тушеку. Хотя в то время ни он сам, ни кто-то другой не могли предвидеть, что это может быть решением вопроса хранения антиматерии.
Во время Второй мировой войны Тушек работал над радаром в Гамбурге. Одним из его коллег был норвежец Рольф Видероэ (1902–1996), занимавшийся физикой ускорителей. Какое-то время Видероэ работал в ЦЕРН – известном центре ускорителей. Он первым предложил идею создания бетатрона (1923) и в 1926 году сконструировал его, однако помешали ошибки в расчете удержания и фокусировки пучка. Тем не менее другие ученые использовали наработки и на их основе Дональд Керст запустил первый в мире бетатрон в 1940 году. Сам Видероэ участвовал в разработке и создании нескольких бетатронов, циклотронов, синхротронов, накопителей, ему принадлежит несколько патентов на методы ускорения частиц. До сих пор основная идея Видероэ остается принципом, лежащим в основе современных ускорителей.
Затем последовали эксперименты американского физика Эрнеста Орландо Лоуренса (1901–1958), который выдвинул идею и построил циклотрон – первый в мире циклический ускоритель – ускоритель протонов, в котором частота ускоряющего электрического поля и магнитное поле постоянны во времени, а частицы движутся по плоской развертывающейся спирали. Лоуренс предложил многократное прохождение частицами ускоряющего зазора с относительно небольшим напряжением. Для замыкания орбиты использовалось постоянное магнитное поле, для ускорения частиц – локализованное высокочастотное электрическое поле с амплитудой в несколько киловольт. Для нерелятивистских частиц частота обращения не зависит от скорости, поэтому частица, многократно проходя через ускоряющий зазор и увеличивая свою скорость и радиус вращения, все равно приходит в ускоряющий зазор в нужной фазе с электрическим полем. За это Лоуренс был удостоен Нобелевской премии в 1939 году (а патент получил еще в 1934 году). Вообще он построил несколько циклотронов, каждый раз совершенствуя предыдущий. Лоуренс оставил после себя труды по ядерной физике, ее применении в биологии и медицине и был участником создания атомной бомбы. Можно сказать, что благодаря циклотрону Лоуренса появилась современная физика высоких энергий.