Вселенная (в % от числа атомов)
Огромные скопления водорода дают свет, например это звезды и наше Солнце. А в звездах, в свою очередь, производятся самые разнообразные элементы. Почти все атомы кислорода, которые мы вдыхаем, углерода в нашей коже и типографской краске на этой странице были произведены в звездах примерно пять миллиардов лет назад, когда начала формироваться Земля. Так что мы все являемся звездной пылью, или ядерными отходами, потому что звезды также можно назвать ядерными печами, в которых главным видом топлива является водород, звездный свет является производимой звездами энергией, а разнообразные элементы – это остающийся "пепел".
Чтобы понять, насколько малы атомы, взгляните на точку в конце этого предложения. В ней содержится 100 миллиардов атомов углерода, это количество значительно больше, чем количество всех когда-то живших на Земле людей. Чтобы увидеть какие-то отдельные атомы невооруженным глазом, точку нужно увеличить до 100 метров.
Элементарные атомы углерода могут соединяться различными формами, в результате получаются алмазы, графит, сажа, уголь. Антиматерия также состоит из молекул и атомов. Атомы антиуглерода могут дать антиалмаз, причем такой же красивый и твердый, как алмаз. Антисажа будет такая же черная, как сажа, а антикнига будет такой же, как книга, которую вы держите в руках. Точки в антикниге тоже потребуется увеличивать до 100 метров, чтобы рассмотреть атомы антиуглерода. Если бы мы могли это сделать, то увидели бы, что эти мельчайшие частицы антиуглерода невозможно отличить от мельчайших частиц углерода. Так что даже на базовом уровне атомов материя и антиматерия выглядят одинаково. Источник их отличия и контраста находится внутри.
Атомы очень маленькие, но они не являются самыми маленькими вещами из известных. Если мы попадем внутрь атомов, то увидим, из чего они сделаны – и именно там, внутри и раскрывается разница между материей и антиматерией.
Каждый атом содержит лабиринт внутренней структуры. В центре находится ядро, в котором заключена основная масса атома. Если точку, напечатанную типографской краской в этой книге, нужно увеличить до 100 метров, чтобы увидеть атом, то если вы хотите увидеть атомное ядро, нужно увеличить ее до 10 000 километров. Это расстояние от одного полюса Земли до другого. То же самое можно сказать и про антиточки и антиатомы. И только если рассматривать их в таких мельчайших деталях, начинает вырисовываться различие между материей и антиматерией.
Если проследить глубокую связь пространства и времени и теорию относительности Эйнштейна с обманчивым и эфемерным миром неопределенности, который правит бал внутри атомов, то всплывает поразительная вещь: природа не может работать только с базовыми частицами материи, которые мы знаем. Для каждой субатомной частицы природа вынуждена создавать и отрицательный образ, зеркальное отражение, каждое из которых следует тем же строгим законам, что и обычные частицы. Знакомые нам частицы строят атомы и материю, а их противоположные версии точно так же создают структуры, которые, на первый взгляд, кажутся такими же, как нормальная, обычная материя, но фундаментально от нее отличаются.
Внутри атомов находятся вращающиеся электрические токи, мощные магнитные поля и электрические силы, которые что-то притягивают, а что-то отталкивают. Внутри атомов антиматерии эти токи, поля и силы также присутствуют, но их полярность меняется на противоположную: северные полюса становятся южными, а положительные заряды – отрицательными. Представьте нашу точку из книги и антиточку увеличенными до 100 метров, чтобы увидеть их отдельные атомы и антиатомы. Если поднести крошечный магнит к краям атома, а потом антиатома, то будет видно, что легкое отклонение влево в случае атома становится зеркальным отражением этого отклонения – вправо – у антиатома. Если что-то притягивается атомом, это будет отталкиваться антиатомом; если же атом что-то отвергал, то антиатом начнет его всасывать, а там, где раньше было безопасно, начинается аннигиляция.
Источником этих сил служит атомное ядро, которое электрически заряжено. У магнитов есть северный и южный полюса, что позволяет им притягивать и отталкивать друг друга, точно так же дело обстоит и с электрическими зарядами: одинаковые заряды отталкивают, а противоположные притягивают друг друга. В случае нормальной материи у атомного ядра положительный заряд. Электроны, крошечные легкие частички, которые находятся у внешних краев атомов, заряжены отрицательно. Атом простейшего элемента, водорода, состоит из одного электрона, который на некотором удалении вращается вокруг находящегося в центре ядра, которое в свою очередь состоит из одного протона.
Именно взаимное притяжение противоположных электрических зарядов заставляет отрицательно заряженные электроны вращаться по кругу вокруг положительно заряженного центрального ядра. Именно эти электрические и магнитные силы, которые работают глубоко внутри атомов, обеспечивают щупальца, с помощью которых молекулы и макроскопические структуры – кристаллы ткани, камни и живые существа – формируются и удерживаются, то есть являются единым целым.
Сила тяжести – это то, что правит галактиками, планетами и падающими яблоками, благодаря ей мы стоим ногами на Земле. Однако именно электрические и магнитные силы дают нам форму и строение. Они гораздо мощнее силы тяжести, но в материи притяжение и отталкивание положительных и отрицательных зарядов склонно уравновешивать друг друга, и остается одна доминирующая сила тяжести. Таким образом получается, что, хотя мощные электрические силы работают глубоко внутри атомов нашего тела, мы не особо их осознаем и сами не являемся электрически заряженными.
Тем не менее есть много подсказок, помогающих понять это внутреннее строение, которое проявляется в ситуациях, когда действие положительных и отрицательных зарядов не отменяется. Если электрический заряд не уравновешен, то появляются искры, примером может служить молния. Магнит может притянуть кусок металла, преодолевая силу тяжести и притяжение Земли, которая тянет вниз. Если говорить о больших масштабах, то электрические заряды в земном ядре превращают всю нашу планету в огромный магнит, что проявляется, когда маленькая стрелка компаса работает в соответствии с магнитным полем Земли, указывая на северный и южный магнитные полюсы.
Все это было уже известно в 1928 году, когда началась история антиматерии. Атомы – такие, как их понимали Поль Дирак, Карл Андерсон и Роберт Милликен, – стали главными игроками в первом акте саги об антиматерии. Они состояли из массивных протонов, положительные электрические заряды которых захватывали в ловушку отрицательно заряженные легкие электроны и устраивали с ними космический танец. Вооруженные этими знаниями, мы можем оценить идею антиматерии.
Для законов электричества и магнетизма, которые лежат в основе существования материи, не имеет значения, какие образцы материи несут отрицательный заряд, а какие – положительный. Если мы в какой-то ситуации заменили бы все положительные заряды на отрицательные, а отрицательные на положительные, то все получившиеся в результате силы были бы точно теми же, а построения, которые у них получаются, тоже не изменились бы. То есть, если представить, что все отрицательно заряженные электроны станут положительными, а протоны отрицательными, то внешне ничего не изменится.
Но мы уже знаем, что смена зарядов превращает то, что мы называем материей, в то, что мы называем антиматерией. Антиатом антиводорода будет состоять из антипротона с положительно заряженным позитроном у внешнего края. Поль Дирак, который первым предсказал существование такого зеркального образа материи, говорил об этой загадке в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году. Например, он считал случайностью то, что на Земле и, предположительно, во всей нашей Солнечной системе электроны заряжены отрицательно, а позитроны положительно. В других звездах все может быть наоборот, они вполне могут состоять из положительно заряженных электронов и отрицательно заряженных протонов.
Он говорил о симметрии положительного и отрицательного и считал, что вполне может оказаться так, что половина звезд относится к одному типу, а вторая половина – к другому. В наши дни мы называем это материей и антиматерией, но, глядя в ночное небо, не можем различить, где одна, а где другая.