Аннигиляция - энергия будущего?

Периодически в отдаленных уголках Вселенной происходят взрывы чудовищной мощности - Gamma Ray Bursts. Эти взрывы длятся от нескольких секунд до нескольких часов, а в гамма-диапазоне при этом выделяется столько энергии, что таинственные «молнии» оказываются в миллиарды миллиардов раз ярче Солнца, далеко превосходя по своей мощности даже взрывы сверхновых. Случись такая вспышка хотя бы в нескольких тысячах световых лет от Земли, на поверхность нашей планеты хлынет столько заряженных частиц, сколько достигло ее за последние сто тысяч лет. Произойдет страшное радиоактивное заражение воздуха и почвы. Доза его будет смертельной для всего живого. За один месяц погибнет половина населения планеты. Ученые не исключают что самая массовая гибель животных на Земле — Пермская катастрофа, случившаяся 250 миллионов лет назад,— тоже могла быть вызвана Gamma Ray Burst. Тогда погибло большинство растений и животных, населявших нашу планету. По некоторым данным, жертвами странного мора стали 96% обитателей Земли.

Что же служит причиной ужасающих радиоактивных взрывов? Единства мнений по этому поводу в научном мире не выработано. Часто астрономы связывают их с нейтронными звездами, накопившими громадную энергию за счет гравитации. В таком случае эти жуткие «молнии» вспыхивают когда нейтронная звезда исчезает в чреве огромной черной дыры. Проваливаясь в бездну, она бросает последний луч, освещая Вселенную удивительным заревом. Механизм этого явления пытаются также описать на основе столкновений двух нейтронных звезд, выдвигают гипотезы о существовании гигантских сверхновых, или коллапсаров, находят взаимосвязь между распределением мест гамма-вспышек и районами концентрации таинственной темной материи. Многие ученые полагают, что вспышки происходят, когда сталкиваются небесные тела из вещества и антивещества. Возможно, где-то существуют миры, состоящие из антиматерии. Популярная среди физиков «теория струн» допускает это. При встрече потоков вещества и антивещества или соответствующих небесных тел, - а где им встречаться, как не на краю мироздания? — происходит мгновенная аннигиляция. Ее сопровождает смертоносная вспышка гамма-лучей.

Сейчас физикам хорошо известно, что каждая элементарная заряженная частица имеет свой антипод - античастицу. Впервые на возможность существования античастиц указал в 1931 году британский физик-теоретик Поль Дирак. Исходя из представлений о симметричности нашего мира, он предположил, что наряду с отрицательно заряженным электроном должен существовать и его антипод - такая же частица с положительным зарядом. Год спустя американский физик Андерсон обнаружил такую частицу в составе космических лучей и назвал ее позитроном. Позже было установлено, что при взаимодействии электрона с позитроном происходит аннигиляция — взаимопоглощение частиц, сопровождающееся выделением огромного количества энергии, в основном в виде гамма-квантов и других видов жесткого излучения. Причем при прочих равных условиях количество энергии тем больше, чем выше масса исходных частиц. Поэтому наряду с парами электрон-позитрон физики пытаются экспериментировать и с парами протон-антипротон, а также атом-антиатом.

Антипротоны впервые были получены в 1955 году при столкновении протонов с медной мишенью на ускорителе-бетатроне в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Антиатомы же впервые были созданы в 1995 году в Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN) близ Женевы. Там исследователи заставили пучок антипротонов, циркулирующих в накопительном кольце, пересекаться со струей атомов ксенона. Иногда при столкновении возникала пара позитрон-антипротон, причем позитрон и антипротон отлетали вместе и образовывали атом антиводорода. Тогда было зарегистрировано девять антиатомов, летящих с околосветовой скоростью. 8 1998 году в таком же эксперименте в лаборатории Ферми было получено 57 антиатомов. В дальнейшем были получены холодные атомы антиводорода, а группа под названием ASACUSA занялась изучением экзотических атомов гелия, в которых один из электронов заменен антипротоном.

Исследования показали, что массы протонов и антипротонов совпали по крайней мере вплоть до десятого знака после запятой. Вместе с тем экспертменты, которые провели в США на Стэнфордском ускорителе, показали, что вещество и антивещество занимают в мироздании отнюдь не симметричные позиции. Там ученые с 1999 по 2004 год наблюдали в общей сложности 200 миллионов случаев распада мезонов. В 910 случаях В-мезоны распадались на каон и пион, а вот анти-В-мезоны распадались подобным образом лишь 696 раз. Если бы вещество и антивещество были абсолютно симметричны, то показатели распада частиц и античастиц были бы примерно одинаковы.

Что кроется за этой загадкой, пока неизвестно, но ученые уже мечтают заполучить запасы антивещества. Считается, что его можно использовать для борьбы с раковыми опухолями с эффективностью куда большей, чем при радиотерапии. Частицы (раковые клетки) и античастицы (антипротоны) уничтожались бы, опухоль таяла подобно снегу, и антипротоны не повреждали здоровую ткань. Космонавты благодаря антиматерии могли бы получить самый эффективный двигатель за всю историю техники. Космический корабль, оборудованный им, разгонялся бы до скорости 100 тысяч километров в секунду. Для вывода на околоземную орбиту стотонного корабля хватило бы количества энергии, скрытой в брикете антивещества размером с кусочек сахара. Ведь, по данным НАСА, в 42 миллиграммах антипротонов содержится не меньше энергии, чем в 750 тоннах топлива и окислителя.

По расчетам американской фирмы Hbar Technologies, финансируемой НАСА, было бы достаточно 17 граммов антивещества, чтобы автоматический зонд за сорок лет долетел до звезды альфа Центавра, то есть преодолел расстояние в 4,3 световых года. Специалисты отдела «революционного вооружения» при BK США считают что потребуется приблизительно полтора десятилетия и около двух миллиардов долларов, — чтобы создать прототип двигателя, работающего на антивеществе. Для хранения столь взрывоопасного топлива, как антиводород, его необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля. Тогда тепловое движение антиатомов практически прекратится, и они перестанут вступать в реакцию с частицами обычного вещества.

Свои надежды на антивещество возлагают и военные. Подсчитано, что одной миллионной доли грамма позитронов, «встретившихся» с обычным веществом, достаточно, чтобы создать взрыв, эквивалентный 37,8 килограмма тринитротолуола. Аннигиляция одного грамма вещества и антивещества породила бы взрыв, равноценный энергии, заключенной в 40 000 тонн тротила. Считается, что на территории, где применят аннигиляционное оружие, после взрыва не будет радиоактивного заражения.

Однако до получения антивещества хотя бы в миллиграммовых количествах пока очень далеко. Антипротонный замедлитель в CERN производит 20 миллионов антипротонов каждые 100 секунд, что ничтожно мало. Надо научиться и хранить большие количества антивещества. Специалисты НАСА Стивен Хоув и Джеральд Джексон предлагают хранить антиводород в виде твердых шариков диаметром 150 микрометров, которые можно было бы наэлектризовать и подвесить в системе электростатических ловушек. Все это, казалось бы, пока представляет собой далекие от практики рассуждения. Но некоторое время назад Пентагон наложил запрет на публикацию материалов об исследованиях в области антивещества. В 30-е годы прошлого столетия, когда все шло к созданию атомной бомбы, из открытой печати исчезли упоминания о работах в области исследования урана. Ситуация повторяется?