Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Выделяемая в процессе аннигиляции протона и антипротона энергия может принимать участие в образовании не только протонов, но и других частиц. Если протон и антипротон проходят очень близко, но не попадают друг в друга, аннигилируется только их заряд, а масса остается. Можно предположить, что в этом случае образуется одна незаряженная частица. Но одна частица образовываться не может, так как барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, а в случае образования, скажем, нейтрона барионное число будет равно 1, что противоречит закону сохранения барионного числа. На самом деле образуются две частицы — нейтрон и антинейтрон. Барионное число антинейтрона равно –1, нейтрона +1, поэтому их общее барионное число равно 0, то есть закон сохранения барионного числа соблюдается. Такой процесс «полуаннигиляиии» был открыт в 1956 году, вскоре после обнаружения антипротона, послужившего толчком к открытию антинейтрона.

Вполне справедлив вопрос: «А как же различать нейтрон и антинейтрон?» Элементы других пар «частица — античастица» отличаются друг от друга полюсом электрического заряда. У электрона заряд отрицательный, у позитрона — положительный. У протона — положительный, у антипротона — отрицательный.

Впрочем, у всех обладающих спином частиц есть еще одно различие. Любую обладающую спином частицу можно представить в виде крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси и имеющей два полюса. Если смотреть на частицу с одного полюса (назовем его первым), то она будет вращаться по часовой стрелке, а если с другого (назовем его вторым) — то против. Давайте считать, что мы всегда смотрим на частицу со второго полюса.

Вращение частицы приводит к образованию магнитного поля и двух магнитных полюсов — северного и южного. Если мы рассматриваем со второго полюса протон, то его северный магнитный полюс окажется сверху, а южный — снизу. Если же мы рассматриваем со второго полюса антипротон, то сверху окажется его южный, а не северный полюс. Другими словами, если направления спинов частицы и античастицы совпадают, то направление их магнитных полей обратно. То же относится к электрону и позитрону.

Хотя у нейтрона и нет электрического заряда, у него есть магнитное поле, так как, хоть заряд нейтрона и равен 0, отдельные его участки все-таки обладают электрическим зарядом. В 1951 году американский физик Роберт Хофстедтер (1915–1990) начал серию экспериментов по исследованию отдельных нуклонов с помощью пучков быстрых электронов. Ему удалось обнаружить, что и протоны и нейтроны состоят из обладающей электрическим зарядом оболочки и различаются между собой лишь общим зарядом.

Нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга противоположным направлением магнитного поля. Так как у нейтрона и антинейтрона нет электрического заряда, то символ 0n1 применим и к той и к другой частице. Поэтому обычно их обозначают как пил.

Период полураспада нейтрона равен 1013 секундам. Нейтрон распадается на протон и электрон, то есть барион превращается в более легкий барион, при этом барионное число остается неизменным. Общий заряд также остается неизменным и равняется 0. Помимо этого образуется еще и электрон, но тут есть одна тонкость, о которой мы поговорим в следующей главе, где подведем под закон сохранения и электрон.

Точно так же период полураспада антинейтрона равен 1013, и он распадается на антипротон и позитрон, сохраняя барионное число (–1) и электрический заряд (0). Графически этот процесс выглядит так:

n → р + е (Уравнение 13.5)

и

ñ → р- + ē. (Уравнение 13.6)

Теперь мы можем добавить в табл. 13 еще три частицы: позитрон, антипротон и антинейтрон, каждая из которых является, так сказать, зеркальным отражением какой-либо частицы в таблице. У оставшихся фотона и гравитона зеркального отражения нет и быть не может, поскольку с теоретической точки зрения безмассовые частицы одновременно являются собственными античастицами. Другими словами, «антифотон» и «антигравитон» идентичны соответственно фотону и гравитону.

Итак, мы имеем 4 лептона (1 из которых является антилептоном) и 4 бариона (2 из которых являются антибарионами).

Наша Вселенная (или, по крайней мере, та ее часть, которую мы имеем возможность изучать) крайне однобока в плане количества частиц по сравнению с античастицами. Практически вся она состоит из частиц, в то время как античастицы встречаются довольно редко, и существуют они всего лишь долю микросекунды.

Вполне закономерен вопрос: «А почему все так, а не иначе?» Большинство физиков считают, что все присутствующее во Вселенной вещество постепенно или мгновенно образовалось из энергии много-много лет назад.

Можно предположить, что вещество образуется в виде нейтронов, которые потом распадаются до протонов и электронов, или все эти три частицы образуются независимо друг от друга. А из избытка энергии образуются фотоны и гравитоны.

Но в случае образования нейтрона согласно закону сохранения барионного числа должен образовываться и антинейтрон. Затем в процессе распада этого нейтрона образуются антипротоны и позитроны, то есть общее количество образующихся частиц и античастиц будет одинаковым и любые мыслимые ряды образовавших Вселенную ядерных реакций будут иметь один и тот же результат.

Кроме того, если бы частицы и античастицы образовывались одновременно, они тут же бы перешли обратно в энергию в результате взаимной аннигиляции. В этом случае Вселенная образоваться бы не могла. Если частицы и античастицы и образовывались одновременно, то в условиях последующей полной изоляции друг от друга для исключения их взаимодействия.

Поэтому действие гравитации на отдельные субатомные частицы настолько мало, что его так и не удалось измерить. Существует вероятность того, что, в то время как частицы слабо притягиваются гравитационным полем, античастицы слабо им отталкиваются. Другими словами, античастицы создают «антигравитацию». В случае образования частиц и античастиц в огромных количествах их гравитационные поля начнут сильно отталкивать друг друга, в результате чего могут на огромном расстоянии друг от друга образоваться две Вселенные. Австрийский физик Морис Гольдгабер много размышлял о таком варианте. Он дал двум Вселенным названия «космон» и «антикосмон». Мы живем конечно же в космоне.

В космоне атомные ядра состоят из окруженных электронами протонов и нейтронов. В состоящем полностью из античастиц антикосмоне атомные ядра состоят из окруженных позитронами антипротонов и антинейтронов. Из этих атомов образуется так называемое антивещество.

Вселенная антивещества, скорее всего не поддающаяся наблюдению, полностью аналогична нашей. Там есть и «антигалактики», состоящие из «антизвезд», вокруг которых вращаются «антипланеты», и на них, возможно, есть «антижизнь» и даже разумные «антисущества», изучающие свою Вселенную так же, как мы изучаем свою.

Они заметят, что их Вселенная почти полностью состоит из того, что мы называем античастицами, а частицы в их Вселенной встречаются редко и существуют очень недолго. Хотя, скорее всего, они решат, что это их Вселенная состоит из частиц и вещества, а наша — из античастиц и антивещества, то есть их предположение будет точно таким же, как и наше.