Кварки плотно прикрепляются друг к другу, по три (в случае барионов, мезоны состоят из кварка и антикварка), и таким образом получаются протоны, нейтроны и другие многочисленные частицы. Два типа ядерных частиц, протоны и нейтроны, сами состоят из двух типов кварков, верхнего и нижнего, которые мы упоминали выше при рассказе о поколениях кварков. У этих зерен материи есть электрические заряды, величины которых являются лишь частями заряда протона. У протона положительный заряд, а, например, заряд верхнего кварка – 2/3 положительный, заряд нижнего кварка – 1/3 отрицательный. Два верхних кварка и один нижний кварк составляют протон (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1). Два нижних кварка и один верхний дают нулевой заряд (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0), а это и есть нейтрон.
Существуют комбинации трех верхних кварков и трех нижних, эти частицы имеют короткий срок жизни, они называются «дельта». Добавим к паре верхний и нижний кварк третий тип кварка, который называется «странный» (это второе поколение, как мы упоминали выше), с тем же электрическим зарядом, что и нижний кварк (-1/3). Он по сути идентичен последнему во всем, кроме массы (примерно на 20 % тяжелее) – и вы получаете странную частицу. Чем больше странных кварков в тройке, тем более странной получается частица. В протоне и нейтроне нет странных кварков. В более тяжелых и немного странных частицах под названиями «лямбда» и «сигма» есть по одному странному кварку. Более странная частица кси содержит два странных кварка, а самая странная из всех – омега – состоит из трех странных кварков.
Уравнение Дирака относится к кваркам точно так же, как к электронам и протонам, и при этом имеется тот же намек на антиматерию. Позитрон – это зеркальная античастица по отношению к электрону, и точно так же антикварк – это зеркальное отражение кварка, у него та же масса, тот же размер и тот же электрический заряд, что и у кварка, только знак этого электрического заряда меняется на противоположный. Таким же образом антиверхний кварк (вы можете называть его «верхний антикварк», если вам так больше нравится, или «антиверхний антикварк», поскольку общепринятого названия не существует) имеет заряд -2/3 вместо +2/3, а у антинижнего кварка заряд +1/3 вместо -1/3. Точно так же, как два верхних и один нижний составляют положительный протон, два антиверхних и один антинижний составляют отрицательный антипротон. И так же два антинижних и один антиверхний составляют антинейтрон. У всех странных частиц под греческими названиями, например, лямбда, сигма, кси и омега, имеется какой-то «анти»-двойник. Замените любой из типов кварков на соответствующий антикварк, и вы получите антилямбду, антисигму и т. д. Их получали во время экспериментов, когда свободная энергия при столкновении луча протонов, выходящего из ускорителя, и цель в лаборатории давали новые частицы и античастицы. Каждая из полученных частиц, похоже, имеет своего двойника, идеальное зеркальное отражение – это нечто типа инь и ян.
* **Что происходит, когда кварк встречается с антикварком? Мощная сила, удерживающая кварки и антикварки по три, также может притянуть и единичный кварк к антикварку. Многие частицы, которые встречаются в космических лучах и ускорителях, например пионы и странные каоны, – это крошечные пучки кварка и антикварка. Такая комбинация не является ни материей, ни антиматерией, но содержит образцы каждой, кварк материи и антикварк антиматерии. Если кварк и антикварк заключены в миниатюрной вселенной, которая простирается только на одну тысячную часть миллиардной части метра, они практически мгновенно встретятся и уничтожат друг друга. Поэтому пион и каон живут только очень короткое время.
Эксперименты показали, что случается, когда протон встречается с антипротоном. Иногда они просто плывут друг к другу, иногда на скорости врезаются друг в друга, и конечный продукт варьируется. Чем больше скорость, на которой происходит столкновение, тем больше их энергия, тем больше пионов или гамма-лучей создается при взрыве. В процессе экспериментов ученые узнали, чего ожидать, если кто-то с успехом создаст источник энергии на основе антиматерии, или бомбу, или если в нашу атмосферу прилетит антикамень из космоса. Мы уже поняли достаточно, чтобы предсказать возможные результаты.
Эксперименты показали, что аннигиляция не происходит мгновенно. Вместо этого протон и антипротон немного «танцуют», как бы ухаживая друг за другом, и только потом происходит их окончательное судьбоносное слияние. Представьте протоны в куске материи, когда приближается антипротон. Положительный заряд протона создает электрическое поле, которое распространяется в пространстве в масштабах атомов. Эти расстояния составляют примерно десять миллиардных метра и кажутся нам крошечными, но при этом они примерно в десять тысяч раз больше, чем размер и самого протона, и самого антипротона. Если антипротон приближается к протону относительно медленно, то он окажется в ловушке из-за противоположных зарядов и начнет вращаться по орбите вокруг протона подобно тому, как делает электрон в обычном атоме. Изначально эта орбита далеко, но по мере того как антипротон станет терять свою энергию, он будет переходить с внешних орбит на внутренние и при этом эмитировать гамма-лучи. Именно эти гамма-лучи можно уловить, а их энергию измерить. Это подобно тормозным следам автомобиля на месте аварии, по которым можно определить последовательность событий.
Наконец, антипротон оказывается на близко расположенной орбите и в радиусе действия мощной силы, сопротивляться которой не могут ни протоны, ни антипротоны. Описанный танец мог продолжаться в течение одной сотой доли секунды, но, как только частица попадает под действие мощной силы, конец наступает практически мгновенно. Новость о катастрофе идет со скоростью света через протон и антипротон, и они исчезают за менее чем миллиардную долю миллиардной доли секунды, оставив после себя гамма-лучи и пионы. Потом они тоже исчезают: пионы, состоящие из кварка и антикварка, живут очень недолго, они саморазрушаются, тоже превращаясь в гамма-лучи, или в электроны, позитроны и нейтрино, и все они несут энергию аннигиляции.
Аннигиляция дает уникальную возможность – высвобождение энергии из материи. Что это? Благо или зло? В нашем материальном мире антиматерия разрушает все. Если мы хотим, чтобы антиматерия приносила пользу, мы должны научиться ее сдерживать и удерживать вне любой материи и так долго, как нужно перед тем, как захотим ее использовать. Теперь расскажем о решении этой проблемы.
Хранение антиматерии
Проблема хранения энергии касается не только антиматерии. Мы знаем, как хранить нефть и газ. Но сейчас по всему миру идет активное развитие альтернативной энергетики, изучаются возможности использования солнечных батарей и ветрогенераторов. Электричество, произведенное этими источниками энергии, уже используется, хотя, конечно, до освещения и отапливания домов только с помощью энергии солнца, силы ветра и антиматерии еще очень далеко.
Но энергетические комплексы для выработки энергии из альтернативных источников уже есть – например, они работают в небольших изолированных поселках в разных странах мира. Если тянуть на сотни километров линии от электростанции, потери окажутся неоправданно большими. Поэтому в таких уголках активно строят солнечные и ветряные электростанции.
В США стоимость киловатта в регионах с большим количеством солнца составляет семь центов. Конечно, на юге эффективность солнечных батарей всегда будет выше. В некоторых регионах такие установки выбирают, руководствуясь заботой об окружающей среде. Иногда солнце и ветер используют во взаимодействии с электросетью.
Теоретически эффективность преобразования солнечной энергии может достигать 86 % (антиматерии – 100 %). Правда, КПД нынешних солнечных батарей в массовом производстве составляет всего 18 %, но это все равно выгодно. А какую выгоду может дать использование антиматерии?
Век нефти закончится не из-за дефицита нефти, а из-за того, что появляются новые технологии, одной из которых может стать антиматерия. На сегодняшний день способ преобразования солнечной энергии уже достиг уровня, когда он начинает конкурировать с имеющимися старыми источниками электроэнергии, включая АЭС
Не так давно было предложено решение проблемы хранения энергии, выработанной солнечной батареей. Американский изобретатель Илон Маск представил литий-ионные аккумуляторы. Возможно, это изобретение изменит расклад сил в мировой энергетике.
А что же с антиматерией, которая определенно может быть более эффективна, чем солнце и ветер? Решение вопроса хранения вещества, которое разрушает все, предложил Бруно Тушек, австрийский физик, который занимался физикой ускорителей и создал первый в мире электрон-позитронный коллайдер. В его коллайдере пучки частиц и античастиц вращаются в одном и том же кольце навстречу друг другу, сталкиваясь в двух точках, где детекторы регистрируют результат взаимодействия. Поскольку антиматерия разрушит любой материальный предмет, ее следует держать в клетке, не имеющей стен. Решение – вакуум, который лучше открытого космоса с магнитными и электрическими полями. В нем должны быть заключены античастицы, позитроны или антипротоны, как циркулирующие пучки.