Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Но электрон также обладает электрическим зарядом. Тогда сам собой напрашивается вопрос: откуда же этот электрический заряд появился?

Масса возникает из энергии, а масса и энергия эквивалентны, поэтому появление массы из заимствованной энергии является уравновешивающим процессом. Просто переходом энергии из одной формы в другую. Но электрический заряд – совершенно другая проблема. После появления электрона возникает отрицательный электрический заряд. До этого момента его нет. После него – есть. И это, безусловно, неприемлемо. Как я уже упоминал в конце предыдущей главы, нельзя создать что-то из ничего, не уплатив определенную цену. В реальной жизни так никогда не бывает – слышу я ваш вздох, – но хотя бы в квантовом мире такое происходит.

Итак, как же поступить с этим зарядом? Может, просто закрыть на него глаза?

Мы не можем, потому что их слишком много. Каждый электрон во Вселенной несет в себе заряд, и многие другие фундаментальные частицы тоже.

Так откуда же взялся заряд?

Что ж, самый простой ответ часто является самым правильным, вот он: электрон никогда не появляется в одиночку. Он должен вылететь вместе с идентичной ему частицей, за исключением ее заряда, который является противоположным. Такая частица называется антиэлектрон.

Такое понятие ввели, чтобы общий заряд всех пар когда-либо созданных электронов и антиэлектронов был равен нулю. Нет больше необходимости прибегать к E = mc2 или чему-то еще. Такой феномен не нарушает никаких законов: общий заряд равнялся нулю задолго до появления электронов и антиэлектронов и по-прежнему равен нулю.

Именно то, в чем блестяще разобрался Поль Дирак.

«Ну и что здесь особенного?» – поинтересуетесь вы.

Ну что сказать, о существовании в точности похожей на электрон частицы с противоположным зарядом было до сих пор неизвестно. Никто не видел антиэлектрон.

Сегодня мы обнаруживаем их повсюду.

Процесс, посредством которого электрон и его антиэлектрон появляются из ничего, называется рождением электрон-позитронных пар; существует также обратный процесс: когда электрон встречается с антиэлектроном, они аннигилируют, то есть пропадают, пуф! И исчезли, а их масса превратилась обратно в энергию, в свет, в мгновение.

Электроны и антиэлектроны создаются из электромагнитного поля и возвращаются в него при аннигиляции.

Далее, раз электроны существуют сами по себе и все они созданы из электромагнитного поля во время рождения электрон-позитронных пар, следовательно, антиэлектроны также должны существовать сами по себе. Что они и делают. Но их нельзя найти повсюду.

В 1928 году Дирак назвал антиэлектрон «дырой в море» того, что мы теперь называем квантовым электромагнитным полем, так как он соответствовал некоторому отсутствующему заряду.

Его «дыра» – антиэлектрон был экспериментально обнаружен пять лет спустя в 1933 году, и тогда же Дирак получил Нобелевскую премию по физике за необычайную проницательность. Его теория полей включает в себя все те самые поля, виденные вами повсюду, с тех пор как вы начали исследовать микромир и обнаружили антиматерию.

Американский физик Карл Дэвид Андерсон стал тем первым ученым, кто действительно обнаружил антиэлектроны Дирака. Но вместо того, чтобы назвать их антиэлектронами, он дал им новое, до сих пор употребительное название: позитроны. Андерсон получил Нобелевскую премию за свою исследовательскую работу три года спустя, в 1936 году.

Так родилась антиматерия.

Я уже говорил, что половина материи является антиматерией. Но если ей были только антиэлектроны, они бы не составляли половину всего. А как насчет антикварков, и антисвета, и антиглюонов?

Ну что сказать, что верно для электрона – справедливо для всех частиц.

У всех них имеются свои противоположности.

Существуют антикварки, равно как и антинейтрино и антифотоны. Но некоторые частицы, не имеющие заряда, могут выступать с обеих сторон и быть собственными античастицами. Хороший пример тому свет: раз фотоны и антифотоны не переносят заряд, они идентичны.

Так почему же мы не видим вокруг нас все остальные античастицы?

Ответ в том, что они есть, они вокруг нас, вокруг вас, но не в больших количествах, потому что всякий раз, когда появляются, живут лишь очень короткий промежуток времени. Помните, что любая античастица, сталкивающаяся со своей противоположной частицей, немедленно аннигилирует с ней, только чтобы исчезнуть во вспышке энергии и света согласно уравнению E = mc2.

Однако где-нибудь еще во Вселенной весь мир может оказаться построенным из антиматерии. В антимире, если вам нравится такое определение. Никто не знает, существуют ли антимиры, но если существуют и если вам когда-нибудь случится столкнуться с кем-то оттуда в космическом пространстве, не жмите друг другу руки. Вы и ваша антикопия превратитесь в бомбу и немедленно взорветесь. Феерично.[49]

Тем не менее некоторое количество антиматерии вокруг имеется. Даже внутри вас прямо сейчас.

Например, при радиоактивном распаде каждый раз создается некоторая антиматерия, только чтобы аннигилировать с ее сестрой-материей, становясь настолько мощным лучом света, что он обычно выстреливает сквозь ваше тело, но ни вы, ни кто-либо другой даже не замечаете этого.

Ваши глаза не могут видеть таких лучей, потому что, как мы обсуждали ранее, глазам просто не нужно было развивать возможности для их обнаружения. Но то, что не могут увидеть они, получится у технологий – и некоторым сообразительным инженерам удалось превратить данное открытие в эффективные медицинские диагностические и исследовательские инструменты. Например, томографы ПЭТ. Они используются в больницах. ПЭТ расшифровывается как позитронно-эмиссионная томография. Врачи вводят в организм жидкие «индикаторы», являющиеся радиоактивными и излучающими позитроны во время реакции распада. Позитроны аннигилируют со встречающимися на их пути электронами, превращаясь в мощные гамма-лучи, обнаруживаемые вне вашего тела сканером ПЭТ для последующего создания 3D-изображений того, как функционирует ваш организм. Действительно блестящая методика.

Хорошо.

Теперь вы знаете о полях и их вакуумах.

Об их возможном объединении.

О массе, зарядах и антиматерии.