65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Но была у уравнения Дирака одна странность. Оно давало не одно, а целых два решения. Первое решение отлично описывало поведение электрона, а вот второе соответствовало какой-то новой, еще не известной частице – масса, спин и все другие характеристики которой были в точности такие же, как у электрона, а вот электрический заряд был положительным, а не отрицательным. Поскольку протон (единственная известная на тот момент положительно заряженная частица) на эту роль не подходил, то Дирак попытался как-то исключить это «лишнее решение», придумывая разные модели, наподобие «моря Дирака» – гипотетического пространства, заполненного ненаблюдаемыми электронами. Если этому «морю» сообщить достаточно энергии, то из него можно «выбить» реальный электрон. А на его месте в «море» образуется пустое состояние – «дырка», которое будет вести себя как частица с противоположным электрическим зарядом. Однако дальнейший анализ показал, что у идеи «моря электронов» есть масса математических противоречий, не говоря уже о физических (ведь если в этом море бесконечное число электронов, то почему его суммарный электрический заряд равен нулю?).

Так что физики-экспериментаторы занялись поисками новой частицы. И через несколько лет подходящая частица была открыта. В начале 1930‐х годов американский физик Карл Андерсон (1905–1991) изучал космические лучи – потоки частиц, прилетающих к нам на Землю из космоса. Андерсон обнаружил в этом потоке частицу, в точности совпадающую по всем параметрам с электроном, но имеющую положительный электрический заряд. Эту частицу Андерсон назвал позитроном[104].

Впоследствии выяснилось, что у всех элементарных частиц существуют такие античастицы, обладающие точно такими же характеристиками, но противоположными зарядами: у протона существует антипротон, у нейтрона – антинейтрон и т. д. При этом все они существуют не в каком-то параллельном мире или абстрактном «море Дирака», а в этом же самом, в котором живем и мы с вами. Образуются эти античастицы в результате различных столкновений (например, при столкновениях космических лучей с атмосферой Земли, а также в ускорителях элементарных частиц) или в определенных ядерных реакциях.

Но почему же тогда мы вокруг себя наблюдаем в основном обычную материю, а антиматерия встречается чрезвычайно редко? А дело тут в одной очень важной особенности антиматерии: при встрече частиц с античастицами происходит аннигиляция, их взаимное уничтожение и превращение в чистый свет или чистую энергию. А точнее – в два фотона или два гамма-кванта высоких энергий (поскольку фотон не имеет электрического заряда и является античастицей самому себе). Либо, если частица и античастица имеют достаточно высокую энергию, то в результате аннигиляции могут возникнуть протон и антипротон или какие-то другие более экзотические частицы, о которых мы поговорим позже. Поэтому, даже если где-то на Земле появляется какая-нибудь античастица, то живет она очень недолго – до тех пор, пока не встретится с какой-то обычной частицей и не аннигилирует.

Тем не менее ученые научились получать антиматерию в своих лабораториях, чтобы более детально исследовать ее свойства. И оказалось, что в антиматерии нет ничего мистического. Это точно такое же вещество, как и привычные нам протоны и электроны, но только с противоположными зарядами. Более того, если взять антипротон и «закрутить» вокруг него антиэлектрон (позитрон), то получится атом антиводорода[105], обладающий точно такими же свойствами, что и обычный водород. У него будет точно такой же спектр[106], как и у обычного атома водорода, состоящего из протона и электрона. Атомы антиводорода могут объединяться по парам, образуя молекулы. А если к ним добавить еще атом антикислорода (также состоящего из антипротонов и позитронов), то получится молекула «антиводы». Эта антивода будет вести себя точно так же, как и обычная: при нормальном давлении и комнатной температуре она будет жидкая, при 100 °C она будет кипеть, превращаясь в «антипар», а при 0 °C – замерзать, образуя «антилёд».