Связь между «игрой в 15» и теорией Дирака состоит в следующем. Теория Дирака предполагает, что пустое пространство — вакуум — на самом деле не пусто, а представляет собой обширное компактное скопление, «море» частиц отрицательной массы. (Отрицательная инертная масса частицы означает, что под действием некоторой силы частица начинает двигаться не по направлению действия силы, а против него.) При некоторых условиях какая-то частица может быть вырвана из своего обычного положения и поднята, так сказать, «над уровнем моря» частиц. При этом происходит «рождение пары» электронов с положительной инертной массой. Один из них — обычный электрон с отрицательным зарядом. Другой — «дырка», оставшаяся «ниже уровня моря». Эта дырка реальна в том же смысле, в каком реален движущийся пузырек воздуха в жидкости или «дырка» в рассмотренной игре. По теории Дирака, она ведет себя как электрон с положительным зарядом. Как писал Дирак в 1931 году, это может быть «частица нового типа, неизвестная экспериментальной физике, имеющая ту же массу, что и электрон, но обладающая противоположным зарядом. Такую частицу можно назвать антиэлектроном».
«Этот антиэлектрон, — продолжал Дирак, — недолго существует в нашем мире. Некоторое время он „движется“ (поскольку кругом движутся другие, не наблюдаемые нами частицы „моря“), затем в дырку попадает электрон и происходит „аннигиляция“ пары. Обе частицы „уничтожают“ друг друга и исчезают из поля зрения». «Аналогичным образом, — рассуждает Дирак, — протоны также могут иметь свое „море“ плотно упакованных частиц. При некоторых обстоятельствах частицы могут выбиваться из этого „моря“ и становиться обычными протонами, оставляя незаполненными „дырки“, несущие отрицательный заряд и ведущие себя подобно антипротонам».
И все это — в 1931 году! Был ли Андерсон знаком с замечательной теорией Дирака? Нет, не был. Более того, когда Андерсон после своего открытия прочитал работу Дирака, он признался, что не смог понять ее до конца. Поэтому можно считать, что Андерсон проявил не меньше научной проницательности и смелости, чем Дирак, предложивший столь необычную теорию. В самом деле, не имея никакого теоретического объяснения, глядя лишь на свой фотоснимок трека, он осмелился заключить, что наблюдаемое явление не может быть объяснено никакой из существовавших теорий: это должен был быть след положительного электрона.
Другие физики, не теряя времени, принялись проверять открытие Андерсона. В течение нескольких месяцев во многих лабораториях при бомбардировке атомных ядер гамма-квантами были получены электрон-позитронные пары. Как и предсказывал Дирак, позитрон оказался короткоживущим. При первом же столкновении с электроном (а вокруг него их более чем достаточно) происходит аннигиляция пары. Позже было установлено, что перед аннигиляцией обе частицы некоторое время вращаются относительно общего центра, образуя на мгновение «атом» вещества, называемого физиками позитронием. Короткий танец смерти — и конец! Обе частицы исчезают, оставив два или три гамма-кванта в зависимости от того, вращались ли частицы с параллельно (северные полюса направлены одинаково) или антипараллельно (северные полюса направлены противоположно) направленными магнитными осями.
Как мы видели, теория Дирака предсказывает также существование антипротонов. Эта частица может возникнуть лишь одновременно с протоном и исчезает, встретив его снова. Экспериментально антипротон был обнаружен лишь в 1955 году, двадцать три года спустя после открытия антиэлектрона. Для его обнаружения группа физиков Калифорнийского университета в Беркли использовала мощный ускоритель, называемый бэватроном. Обнаруженная пара протон — антипротон вела себя именно так, как предсказывал Дирак.
Год спустя та же группа физиков в Беркли впервые зарегистрировала антинейтрон. Хотя нейтрон и не имеет электрического заряда, он обладает спином и магнитным моментом, вокруг нейтрона существует магнитное поле, и именно по направлению этого поля нейтрон отличается от антинейтрона.
После 1956 года физики установили, что каждая элементарная частица, за двумя уже упоминавшимися исключениями (фотон и пи-мезон), имеет своего «близнеца» — античастицу. Как только стало очевидным, что три частицы, образующие обычное вещество, — протон, нейтрон и электрон — имеют свои античастицы, физики сказали себе: «А почему бы не существовать антивеществу?» Атом антиводорода имел бы в качестве ядра антипротон, вокруг которого вращался бы позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом. Простейший изотоп антиводорода — антидейтерий — имел бы такую же структуру, за исключением того, что антиядро содержало бы еще и антинейтрон. Аналогично построены все другие элементы антивещества. Каждый антиатом был бы копией обычного атома, но состоял бы не из обычных, а из античастиц. Далее, нет причин, препятствующих антиатомам соединяться в антимолекулы, образуя антиэлементы и антисоединения, являющиеся точными копиями тех, которые нам известны. Антивода, например, представляла бы собой соединение двух атомов антиводорода с одним атомом антикислорода.
Сейчас, когда пишутся эти строки, еще никому не удалось открыть или создать в лаборатории хотя бы один антиатом антивещества, но физики не видят теоретических причин, по которым антивещество не могло бы существовать. Конечно, при соприкосновении крупиц антиматерии с обычной материей произошел бы немедленный взрыв. Этот взрыв был бы много сильнее взрывов атомных и водородных бомб, поскольку при взрывах бомб лишь часть их массы преобразуется в энергию. При соединении же материи с антиматерией фактически вся масса переходит в энергию. Сначала будет происходить рождение пи-мезонов и других частиц, затем эти частицы немедленно превратятся в нейтрино и фотоны, разлетающиеся со скоростью света. Это был бы взрыв максимально возможной силы.
Наука пока еще не нашла способа, которым можно было бы разбить вдребезги наш земной шар. Имеется много мыслимых путей для уничтожения всей жизни на планете, но еще не удавалось найти столь мощный источник энергии, который мог бы уничтожить всю Землю. Если бы удалось получить в достаточных количествах антивещество, оно и было бы таким источником. (Чтобы избежать взрыва, антивещество нужно было бы хранить в вакууме, строжайше изолировав от контакта с материей.) Не являются ли астероиды, мириады которых вращаются по орбите между Марсом и Юпитером, остатками планеты, где ученые умели получать антивещество? Может быть, природа распространяет жизнь на миллионы планет в надежде, что хоть где-нибудь появятся разумные существа, способные постигать тайны строения материи, не отправляясь при этом на тот свет. Планета, которая находилась сразу за Марсом, не выдержала проверки. Теперь на пороге великого испытания Земля.
Все это давно уже стало материалом для научной фантастики. Как только физики предсказали существование антиматерии, писатели-фантасты начали обыгрывать эту тему. (Сначала они называли ее «противоземной» материей, но термин этот не прижился.) Юноша встречает девушку из антимира: они целуются — взрыв и т. п. Очевидно, наша Галактика должна состоять целиком из обычной материи, но имеются и другие галактики, отделенные от нашей невообразимо большими расстояниями. Может быть, некоторые из них состоят из антиматерии? На этот вопрос нельзя ответить, изучая свет, который они посылают к нам, так как квант света фотон неотличим от своей античастицы. Любые же античастицы, вылетевшие к нам с такой антигалактики, неминуемо будут перехвачены и аннигилируют задолго до того, как приблизятся к Земле (исключение, возможно, составляют антинейтрино, с которыми мы познакомимся в гл. 23).
В созвездии Лебедя наблюдаются две галактики, которые, видимо, проходят одна сквозь другую и посылают при этом радиосигналы очень большой мощности. Некоторые астрономы склонны думать, что здесь имеет место столкновение галактики и антигалактики, — другие так не считают. Выдвигалось предположение, что на Землю могут время от времени падать метеориты, состоящие из антивещества, подобные тому загадочному объекту, который взорвался в Сибири 30 июня 1908 года, вызвав чудовищные разрушения без всякого следа метеоритных осколков. Это предположение кажется маловероятным, поскольку все метеориты приходят из нашей же Галактики и поэтому должны состоять из обычной материи.
Возможность создания небольших количеств антиматерии как горючего для межпланетных кораблей рассматривается учеными совершенно серьезно, хотя в настоящее время никто не имеет представления о том, как приступить к этому практически. Естественно, что это было бы одно из лучших мыслимых видов горючего. Например, антижелезо можно было бы намагнитить и с помощью магнитного поля хранить в вакууме, а затем с помощью какого-либо искусного приема по частям вводить в соприкосновение с обычным железом.
В 1956 году в газете «Сан-Франциско кроникл» была помещена речь Эдварда Теллера, в которой известный физик коснулся проблемы антивещества и упомянул, в частности, то обстоятельство, что при контакте с обычным веществом оно взрывается. Эта речь вдохновила Гарольда Фурса из Радиационной лаборатории Лоуренса на создание поэмы «Опасности современной жизни», напечатанной 10 октября 1956 года в журнале «Нью-Йоркер»:
В далеком уголке Вселенной
Был мир, темный и звездный.
Там, на клочке антивещества
Жил доктор Эдвард Антителлер.
Вдали от источников опасностей
(Какими для него были соприкосновения
с обычным веществом)
Он жил, ни о чем не заботясь,
Со своими антисемейством и антидрузьями.
Однажды утром, гуляя по берегу моря,
Он заметил огромный контейнер.
На нем были три буквы: КАЭ.
Оттуда шагнул пришелец с Земли.
Крик радости разнесся над песками.
Двое, не подозревавшие, что они
смертельно опасны друг другу,
Бросились приветствовать друг друга.
Их правые руки встретились.
Все остальное было гамма-лучами.
Упражнение 15. Как мы узнаем в гл. 23, в настоящее время считается, что переход к антиматерии, кроме обращения знака заряда и направления магнитных осей, предполагает еще и перемену понятий «правого» и «левого». Попробуйте, исходя из этого, дать возможные толкования фразы: «Их правые руки встретились».
Ответом Теллера на поэму явилось следующее занимательное письмо, появившееся в «Нью-Йоркере» 15 декабря 1956 года:
В редакцию журнала «Нью-Йоркер»
Уважаемые господа!
В недавнем выпуске вашего журнала я встретил стихотворение, описывающее встречу доктора Эдварда Антителлера с вымышленной персоной, отличающейся от Антителлера лишь знаком зарядов, несомых частицами, из которых состоит его тело. (Далее следует само стихотворение.)
Судя по описанию, встреча была довольно интересной, и это побуждает меня предложить вашему вниманию небольшой научный комментарий.
Я не верю, что Антителлер живет в нашей Галактике, поскольку маловероятно, чтобы в системе Млечного Пути существовали антизвезды и антипланеты. Однако возможно существование антигалактик. Тогда главными вопросами являются следующие: как добраться туда и чего ожидать по прибытии. (Я не буду говорить о механике космических путешествий: каждому школьнику известно, что такие путешествия возможны.) Расстояние является существенным препятствием. Свет соседней спиральной туманности идет к нам несколько миллионов лет. К счастью, Эйнштейн установил, что миллион лет покажется лишь несколькими годами, если скорость корабля достаточно велика. Поэтому путешественники смогут попасть к цели при своей жизни, но не при жизни своих друзей, оставшихся на Земле. При приближении к антигалактике корабль начнет притягиваться антигравитационными силами. Гравитация и антигравитация суть одно и то же. (Здесь кое-кто поначалу станет возражать, но, подумав, согласится.) Как только корабль начнет входить в антигалактику, он начнет испытывать бомбардировку античастицами, которая приводит к разогреву его поверхности. Поэтому он не должен приближаться к предельной скорости (которой является скорость света), иначе корабль расплавится. Кроме того, образующаяся радиация убьет команду корабля еще до того, как удастся проникнуть на одну миллионную часть в глубь Галактики. Но давайте проявим настойчивость: Антителлер ведь может жить возле края антигалактики. На расстоянии около четырехсот километров от поверхности Антиземли пришельцы будут наверняка убиты аннигиляционным излучением, образующимся при углублении корабля в антиатмосферу. Только чудо или неожиданные биологические открытия могут их спасти. На высоте около двухсот километров межпланетный корабль развалится, и ничто уже не спасет путешественников.
Но давайте организуем встречу Теллера и Антителлера на действительно нейтральной почве — в вакууме. Если они подходящим образом одеты (в космический и антикосмический костюм соответственно) и тщательно избегают утечки молекул и антимолекул, они могли бы без особой опасности приблизиться друг к другу. Они могли бы спокойно созерцать друг друга, поскольку свет и антисвет одно и то же. При контакте же действительно произойдет чудовищный взрыв. Составные части Теллера и Антителлера, войдя в соприкосновение, образуют несметное число нестабильных частиц (известных под названием мезонов, гиперонов и антигиперонов) и более устойчивых частиц, таких, как ядерные осколки, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино и гамма-лучи. Эти «останки» участников встречи разлетятся прочь, как газ и антигаз. Взрыв произойдет быстрее, чем распространятся антимысли (или мысли, если это не то же самое).
Несмотря на столь печальный конец, я благодарен журналу «Нью-Йоркер» за упоминание моей персоны. Правда, в стихотворении упоминается лишь Антителлер, но я уверен, что в какой-то антигалактике журнал «Анти-Нью-Йоркер» уделил несколько теплых строк
вашему покорному слуге
Эдварду Теллеру.
Существенно понимать, что само по себе открытие античастиц никоим образом не нарушает закона четности. Как мы видели, различие северного в южного полюсов магнита никак не способствовало решению Озма-проблемы, то есть никак не свидетельствовало в пользу того, что природа отдает предпочтение правому или левому. Точно так же никакой право-левой асимметрии не следует из различия положительных и отрицательных зарядов. Подобно полюсам магнита, термины «положительный заряд» и «отрицательный заряд» обозначают просто два состояния электричества. В настоящее время принято считать, что магнитные силы вызываются движением электрических зарядов, и мы видели, как направление вращения этих зарядов объясняет различие между двумя полюсами магнита. Почему электричество должно находиться именно в двух состояниях—положительном и отрицательном,—остается полнейшей загадкой. Физики вынуждены просто принять это как факт.