Карл Андерсон открыл позитрон с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, хотя первым высказал предположение о существовании позитрона Поль Дирак. Дирак описал электрон с отрицательным электрическим зарядом и аналогичную частицу с положительным зарядом. Открытие позитрона стало триумфом его теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия. Дирак считал возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано в дальнейшем. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.
Андерсон наблюдал космическое излучение и сделал открытие в 1932 году. Он сфотографировал следы (треки) частиц, которые очень напоминали следы электронов, но под действием магнитного поля отклонялись в противоположную сторону по сравнению со следами, оставляемыми электронами. Это свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства вновь открытой частицы подтвердили теорию электрона Дирака. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам Дирака, теория которого после открытия позитрона могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц. Стали проводиться дальнейшие исследования уже других частиц, они оказались необычайно плодотворными, и в настоящее время парная природа элементарных частиц (частица и античастица) является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
Позитрон вылетает из атома и живет столько, сколько ему удается избегать встречи с электроном. Поскольку наш мир состоит из атомов, все из которых включают электроны, позитрон вскоре сталкивается с каким-то электроном, и они оба исчезают во вспышке гамма-лучей, которая происходит за пределами видимого нами спектра. Однако есть специальная аппаратура, способная увидеть эти лучи. Например, они используются в медицине при проведении позитронно-эмиссионной томографии (или ПЭТ), о которой мы расскажем ниже. То есть если антиматерия в целом является разрушителем, в случае ее обуздания и управления ею она может парадоксально спасать жизни.
Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришел к выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно
Если говорить о больших масштабах, то можно сказать, что природа создает позитроны в самом сердце нашего Солнца. Солнечный свет, который мы видим сегодня, – это частично результат работы позитронов, которые были созданы в центре Солнца примерно 100 000 лет назад и практически сразу же аннигилированы.
Солнце по большей части – это водород, простейший элемент. В центре температура превышает 10 миллионов градусов, атомы водорода распадаются на составляющие части, электроны и протоны, которые вращаются и роятся независимо друг от друга и в беспорядке, протоны время от времени сталкиваются, а после ряда процессов соединяются, в конце концов получается гелий, следующий простейший элемент. Гелий – это пепел от реакции ядерного синтеза, масса у него меньше, чем у протонов, которые использовались для его создания. Потеря массы превращается в энергию, которая в конечном счете является энергией, выходящей в виде солнечного света. Причем здесь позитроны? Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. При подходящих обстоятельствах протон может измениться в нейтрон и выпустить энергию, часть из которой материализуется как позитрон. Это подобно тому, что происходит в позитронно-эмиссионных аппаратах, используемых в земной медицине.
Позитрон оказывается в центре Солнца, где много электронов, и мгновенно уничтожается, превращаясь в гамма-лучи. Эти лучи пытаются уйти прочь со скоростью света, но им мешают многочисленные заряженные частицы, электроны и протоны, из которых состоит звезда. Эти гамма-лучи получают удары с одной и другой стороны, их снова и снова поглощают электроны; затем они эмитируются с меньшим количеством энергии, чем в предыдущий раз, и этим гамма-лучам требуется сто тысяч лет для достижения поверхности Земли. За это время лучи теряют много энергии и меняются, превращаясь из рентгеновских в ультрафиолетовые и наконец приобретают цвета, видимые нашему глазу. Таким образом получается, что дневной свет – это результат производства антиматерии в центре Солнца и частично ее аннигиляции.
Это не история из прошлого антиматерии, процесс производства позитронов на Солнце идет дальше, и идет именно в мгновение, когда вы читаете эту строку, а аннигиляция происходит быстрее, чем вы успеете дочитать предложение до конца. Гамма-лучи, которые получились минуту назад, уже пробираются наверх из центра звезды, чтобы в конце концов выйти на поверхность и осветить Землю через тысячу столетий.
Как мы увидим дальше, антиматерия в форме позитронов встречается чаще, чем подозревают многие. Она используется в медицине, науке, есть много технологий, в которых она участвует. Она сконцентрирована в лучах, направляемых электрическими и магнитными полями, эти лучи ударяются в материю, в результате получается вспышка энергии, которая воспроизводит в малом масштабе условия, которые имели место во всей Вселенной в первый момент после Большого взрыва. Так что антиматерия еще и позволяет нам узнать, что происходило в самом начале – как шло сотворение мира.
Материальный мир
Если бы вам каким-то образом удалось увидеть кусок антиматерии, то вы бы не поняли, что это. Внешне антиматерия никак не отличается от материи, но способность уничтожать все, к чему она прикасается, делает ее настоящим «внутренним врагом». Так что же это? Мы говорим, что это – противоположность материи, но что в ней «противоположного»? Что дает антиматерии силу уничтожать все, с чем она вступает в контакт, даже очень краткосрочный?
Чтобы начать понимать антиматерию, нам, во-первых, нужно поговорить о материи или «провести экскурсию» в материю, то есть в нас самих. Наши личные свойства закодированы в наших ДНК, миниатюрных спиралях, состоящих из сложных молекул. Эти молекулы в свою очередь состоят из атомов, которые являются мельчайшими частями элементов, например углерода, водорода или железа, и могут существовать и сохранять свойства элемента.
Атомы водорода самые легкие из всех, они склонны подниматься к высшим слоям атмосферы и исчезать, или «сбегать». По этой причине водород относительно редко встречается на Земле, в то время как во Вселенной это самый часто встречающийся элемент.
Большая часть водорода сформировалась вскоре после Большого взрыва, то есть ему почти четырнадцать миллиардов лет.
Вселенная (в % от числа атомов)
Огромные скопления водорода дают свет, например это звезды и наше Солнце. А в звездах, в свою очередь, производятся самые разнообразные элементы. Почти все атомы кислорода, которые мы вдыхаем, углерода в нашей коже и типографской краске на этой странице были произведены в звездах примерно пять миллиардов лет назад, когда начала формироваться Земля. Так что мы все являемся звездной пылью, или ядерными отходами, потому что звезды также можно назвать ядерными печами, в которых главным видом топлива является водород, звездный свет является производимой звездами энергией, а разнообразные элементы – это остающийся «пепел».
Чтобы понять, насколько малы атомы, взгляните на точку в конце этого предложения. В ней содержится 100 миллиардов атомов углерода, это количество значительно больше, чем количество всех когда-то живших на Земле людей. Чтобы увидеть какие-то отдельные атомы невооруженным глазом, точку нужно увеличить до 100 метров.
Элементарные атомы углерода могут соединяться различными формами, в результате получаются алмазы, графит, сажа, уголь. Антиматерия также состоит из молекул и атомов. Атомы антиуглерода могут дать антиалмаз, причем такой же красивый и твердый, как алмаз. Антисажа будет такая же черная, как сажа, а антикнига будет такой же, как книга, которую вы держите в руках. Точки в антикниге тоже потребуется увеличивать до 100 метров, чтобы рассмотреть атомы антиуглерода. Если бы мы могли это сделать, то увидели бы, что эти мельчайшие частицы антиуглерода невозможно отличить от мельчайших частиц углерода. Так что даже на базовом уровне атомов материя и антиматерия выглядят одинаково. Источник их отличия и контраста находится внутри.