Антивещество получено. Физики создали новый мир - Борис Штерн - Они-1 - 2010-11-21

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: в Москве 12 часов и 08 минут. В эфире радиостанции «Эхо Москвы» - программа «Они».

А.НАСИБОВ: Открытия, находки, исследования / (дробь) изобретения.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Я по-прежнему за изобретения, ну и в студии, как вы поняли, Ашот Насибов

А.НАСИБОВ: И Татьяна Фельгенгауэр.

Напомню номер прямого телефончика, по которому можно присылать СМС-ки с вопросами и комментариями:

+7 (985) 970-45-45 begin_of_the_skype_highlighting +7 (985) 970-45-45 end_of_the_skype_highlighting.

Наша программа посвящена науке, поэтому вначале сводка научных новостей, подготовленная журналом «Наука и жизнь» в исполнении

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Алексея Соломина.

А.СОЛОМИН: Учёные и инженеры из американского космического агентства «НАСА» и агентство по перспективным оборонным и научно-исследовательским разработкам «ДАРПА» объединяться, чтобы изучить возможность изучить проект звёздного корабля столетия – космического корабля, который мог бы выполнять межзвёздные путешествия.

Задачи нынешнего этапа – исследования, разработать сумму технологий необходимых для того, чтобы межзвёздные путешествия стали реальностью.

Кроме того, разрабатывается бизнес-модель, которая позволит привлечь инвестиции в проект.

Его авторы охарактеризовали технические и финансовые проблемы, стоящие перед ним, как грандиозные.

Крейг Вентер, американский биолог и бизнесмен, известный первой расшифровкой генома человека, и созданием первого живого существа с полностью искусственным геномом, выдвинул фантастическую идею. Выступая в американском космическом агентстве «НАСА», Вентер предложил изменить методом генной инженерии микробов, населяющих кишечник астронавтов, чтобы они вырабатывали больше витаминов, необходимых в условиях длительного полёта, усиливали иммунитет и оказывали другие полезные услуги.

В будущем, - предполагает биолог, - не исключено даже вмешательство в геном самих астронавтов.

Неплохо было бы перед полётом внедрять им гены повышенной устойчивости к радиации. Космические лучи, пробивающие обшивку звездолётов, серьёзное препятствие для деятельности космических рейсов.

Нужные гены можно позаимствовать у некоторых микроорганизмов, способных жить даже в атомном реакторе.

Обычно считается, что для лучшего восприятия при чтении текст должен быть крупным и чётким. Эксперимент, проведённый в Принстонском университете США, заставляет в этом усомниться. Участников опыта – 28 человек от 18 до 40 лет разделили на две группы и дали им прочитать один и тот же текст, в одном случае, напечатанный крупным чёрным, а в другом - мелким серым шрифтом. Потом, после 15-минутного отдыха, когда участников эксперимента отвлекали другими задачами, их попросили ответить на вопросы по тексту. Оказалось, что те, кому читать было труднее, дали 86 с половиной процентов правильных ответов. А читавшие чёткий текст, - только 73.

Эксперимент повторили в старших классах школ на уроках химии, физики, английского и истории с теми же результатами.

Выходит, учебник лучше издавать на серой бумаге мелким, трудно читаемым шрифтом.

Учёные из университета Беркли придумали, как обойти один из главных недостатков ультразвуковых изображений, плохое разрешение. Оказывается, с помощью специальной

структуры из метаматериалов можно поймать быстро затухающие волны, несущие информацию об объекте.

В этом случае можно получить детали изображения в 50 раз меньшие, чем длина волны звука.

Учёные предлагают новое устройство для улавливания исчезающих волн. Это 1600 полых медных трубок диаметром около миллиметра, упакованных в 16-сантиметровый брусок с квадратным поперечным сечением.

Такая структура ловит исчезающие волны, и, прогоняя по трубкам до конца бруска, помогает восстановить нужные детали на изображении.

Разрешение ультразвуковых изображений находится в миллиметровом диапазоне. С новым прибором его ограничивает только размер дырок структур из метаматериала.

Устройство поможет также улучшить действие сонаров, работающих под водой и других приборов.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Это Алексей Соломин и новости науки, которые нам любезно предоставляет каждую неделю журнал «Наука и жизнь».

А.НАСИБОВ: Тема программы «Они». Сегодня это антивещество. Получено антивещество. Физики, с моей точки зрения, создали новый мир.

Хотя, с этим не согласен наш гость, которого мы представим чуть позже.

Об антивеществе и о том, как это всё получалось, Яков Широков.

Я.ШИРОКОВ: Учёным из Европейского Центра ядерных исследований удалось получить и удержать на достаточно длительное время атомы антиводорода. Результаты опыта публикует научный журнал «Нейче».

Физикам пришлось разработать специальную ловушку, чтобы не дать атомам антивещества повстречаться с обычной материей, что, как правило, приводит к их аннигиляции.

Античастицы открыли уже достаточно давно – 80 лет назад.

Сначала учёным удалось обнаружить антиподы электронов, то есть, позитроны.

Дальше наступила очередь антипротонов. Вот только собрать из них атом антивещества долго не удавалось.

Проблему решили уже в наше время, несколько лет назад. Правда, и здесь всё упиралось в то, что существовали такие атомы недолго, и исчезали, как только вступали во взаимодействие с обычным веществом.

Теперь же, с применением новой ловушки, которая позволяет удержать такую частицу на десятую долю секунды, у исследователей появилась реальная возможность изучить свойства антивещества. А это, в свою очередь, может таить в себе немало сюрпризов, и даже может привести к пересмотру ряда представлений о том, как устроен наш мир.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Это Яков Широков, который так вот кратко изложил тему, по которой мы сегодня будем разговаривать.

А.НАСИБОВ: А разговаривать мы будем сегодня с Борисом Штерном, ведущим научным сотрудником Института ядерных исследований Российской Академии Наук и старшим научным сотрудником Астрокосмического центра Физического института Академии Наук.

Я Вас приветствую, Борис Евгеньевич.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Здравствуйте.

Б.ШТЕРН: Добрый день.

А.НАСИБОВ: Так всё-таки, Борис Евгеньевич, мы назвали нашу программу, тему: «Антивещество получено. Физики создали новый мир». С чем конкретно Вы не согласны?

Б.ШТЕРН: Значит, просто нужно немножко снизить пафос, в данном случае.

А.НАСИБОВ: Давайте снижать пафос! Обычно снижают градус, или повышают – я не знаю. А нам – нужно снижать пафос.

Б.ШТЕРН: Да. О пафосе ещё зайдёт речь, но немножко позже. То есть, он в другом месте, на самом деле, должен фигурировать пафос.

А здесь, что сделано, в принципе, уже прозвучало.

То есть, впервые получили атомы антиводорода в состоянии, близком к состоянию покоя, и смогли их удержать в течение, в общем-то, большого времени – это десятые доли секунды.

Вот я немножко сейчас, может быть, чувствую, что это занудство, и объясню, как это было сделано – шаг за шагом.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Да. Потому что, на самом деле, в четверг появилась, по-моему, эта публикация. И абсолютно по всем новостям, учитывая то, что было много событий общественно-политического характера и прочее, и прочее, но вот в первой тройке новостей была именно информация из «ЦЕРНа», потому что это серьёзный прорыв.

Б.ШТЕРН: Здесь сработало слово «антивещество». Его все знают. Это слово, например, люди видели в фантастических книжках, и так далее, и так далее. Это действительно то, что хорошо действует на публику.

Но это действительно реальное достижение, и это было сделать очень непросто.

А.НАСИБОВ: Расскажите, что именно было сделано, и как это происходило?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: И почему непросто?

Б.ШТЕРН: Значит, первое, что я хочу сказать, что слово «ЦЕРН» сейчас у всех ассоциируется с большим адронным коллайдером. К нему это не имеет абсолютно никакого отношения.

Это было сделано совсем в другой машине, на древней машине.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Насколько древней?

Б.ШТЕРН: Это 59-й год, по-моему.

А.НАСИБОВ: Действительно. Это ещё до моего рождения.

Б.ШТЕРН: Протонный синхротрон, который когда-то был самым мощным испарителем в мире. Именно он ускорял частицы, на нём получались антипротоны.

Но это первый шаг, который был сделан ещё в пятидесятых годах. Ещё тогда видели антипротоны.

Вопрос, как процесс дальше идёт. Эти антипротоны нужно собрать, замедлить и удержать. И дать им возможность рекомбинировать с позитронами.

И вот здесь начинается уже сложнейшая кухня и сложнейшие находки и изобретения.

После этого ускорителя рождаются антипротоны, летящие почти со скоростью света, их энергии - гигаэлектронвольты. И летят они по разным направлениям и у всех разные энергии. Их надо собрать в кучу, чтобы они летели вместе с одинаковыми скоростями.

А.НАСИБОВ: Это не опасно?

Б.ШТЕРН: Не опасно. Энергии там совершенно небольшие. И это, в общем, с точки зрения макроскопической энергии, это всё слёзы.

Значит, как это делается? Здесь есть совершенно уникальный трюк, который называется «стохастическое охлаждение». Его разработали ещё где-то в семидесятых – восьмидесятых годах. Летит пучок по кольцу частиц.

А.НАСИБОВ: Руками показывает Борис Евгеньевич, как летит пучок по кольцу. Радиослушатели могут представить эту картину.

Так. Дальше.

Б.ШТЕРН: Этот пучок горячий. У всех частиц разные скорости. Измеряют отклонение этого пучка некой средней линией. Пучок отклонился вправо, его потом через 10 метров подпихнули влево. И так делают миллионы раз.

И вот удивительно, что вот такими макроскопическими воздействиями удаётся подавить все эти макроскопические движения антипротонов друг относительно друга.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: А подпихнули как? Подпихнули, каким образом?

Б.ШТЕРН: Электрическим полем. Включили, грубо говоря, конденсатор, или магнит. Магнит скорее. То есть, здесь, видимо, и то, и другое используется.

Охладили пучок. Его надо замедлить. И это делает уже замедлитель частиц.

Мы привыкли к ускорителям частиц, а вот там есть замедлитель частиц. Это то же самое, что ускоритель, но просто он действует в обратном направлении.

Итак, охлаждённый пучок замедляется: были энергии гигаэлектронвольты стало 5 мегаэлектронвольт. То есть, его замедлили примерно в тысячу раз.

Это частицы всё ещё быстрые, это порядка одной десятой скорости света.

Их надо дальше тормозить.

И дальше их просто пропускают через фольгу вещества, в котором они тормозятся.

А.НАСИБОВ: Через что?

Б.ШТЕРН: Через фольгу. Ну, какого-то обычного плотного вещества, наверное, металлическая фольга тонкая.

Часть антипротонов в этой фольге аннигилируют, но, видимо, небольшая часть. Большинство её проходят и замедляются дальше.

Но всё равно, у них ещё огромная температура после этого разброса скоростей. То есть, уже на порядки ниже той, что была в самом начале, но всё ещё очень большая.

Дальше эти антипротоны, сколько их там получилось, ну, их там, наверное, сотни тысяч, может быть, тысячи штук, попадают…

А.НАСИБОВ: Интересно, сколько каждый стоит?

Б.ШТЕРН: Каждый стоит, наверное, тысячу долларов

где-нибудь.

Они попадают в холодную плазму. Так называемая «ловушка Пенинга». То есть, там комбинацией электрических и магнитных полей, создаётся ловушка. И они охлаждаются на свободных электронах в этой плазме. Охлаждаются уже до комнатных температур.

Значит, дальше эти антипротоны транспортируются. Ну, там какое-то электрическое поле есть.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Знаете, я хочу уточнить: в процессе пропадает какая-то часть этих антипротонов? Они аннигилируют? Они исчезают?

Б.ШТЕРН: Конечно, конечно. Но достаточно мало.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: То есть, с каждым этапом всё меньше и меньше?

Б.ШТЕРН: Конечно, их всё меньше и меньше. Они теряются, они попадают на стенки, они анигилируют с веществом.

И дальше это всё запускается в такую электростатическую ловушку. Ну, там магнитная бутылка и электростатическая ловушка одновременно.

Довольно хитрый, двугорбый потенциал: посредине ямка такая потенциальная. Туда скапливаются позитроны. А по краям – бугорки потенциала. Они – ямы для антипротонов, потому что у них другой заряд. И получается: в середине – позитроны, по краям – антипротоны. Ну, антипротоны они нагреты до комнатной температуры. Позитроны совсем холодные, там градусы Кельвина. Антипротоны дрейфуют через место, где находятся сами позитроны, и там они рекомбинируют с позитронами, образуя атомы.

Рекомбинирует тоже очень небольшая часть. Но, достаточно редко, атомы все-таки образуются.

Что происходит потом? Дальше включается электрическое поле, которое всё, что не рекомбинировало, сметает оттуда. И остаются только нейтральные частицы, то есть, атомы.

Ну, кроме атомов антивещества там, наверное, есть и обычные атомы, конечно же. Идеального вакуума не бывает.

И как эти самые атомы там удерживаются в течение десятых долей секунды? Они удерживаются с помощью магнитного поля, сильно неоднородного.

Атом – это маленький магнитик. А магнитик, как мы знаем, в неоднородном поле взаимодействует с этим полем. Он выталкивается из сильного поля в ту сторону, где поле слабее.

И они сделали так, что по краям поле сильное, а в середине – слабенькое.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: И в центр загоняют эти атомы?

Б.ШТЕРН: И в центр загоняют. Они там живут.

Теперь дальше.

А.НАСИБОВ: Всё просто-то как? А?

Б.ШТЕРН: Но еще надо увидеть, что там действительно есть атомы водорода. Для этого их нужно заставить в определённый момент проаннигилировать.

Как это сделать так, чтобы это было наверняка? Чтобы не спутать с каким-то фоновым событием, скажем, с космическими лучами?

Берут, и магнитное поле выключают. Резко выключают, в течение миллисекунд.

И в течение этих же миллисекунд этот самый атом антиводорода попадает на стенку, и в точно назначенное время аннигилирует.

При аннигиляции рождаются пи-мезоны большой энергии, которые легко регистрируются. Это всё окружено детекторами частиц. Поскольку это происходит в точно определённый момент, факт аннигиляции уверенно распознается, и фона практически нет. Это ни с чем не перепутаешь.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: То есть, получается, чтобы определить, что это именно атомы антиводорода, его надо уничтожить?

Б.ШТЕРН: Его надо уничтожить, да. Пока, вот пока.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Подождите. Но тогда, что же будут изучать, если они их уничтожают? В чём смысл ловушки? И главная задача физиков, насколько я сейчас понимаю, - это каким-то образом изучить антиводород, изучить вещество, потому что до этого не было таких возможностей, так как он мгновенно исчезал. Это из-за аннгиляции.

Б.ШТЕРН: Правильно.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: А сейчас всё равно, всё заканчивается взрывом.

А.НАСИБОВ: Танюша, ты кто по образованию?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Я – социолог. Я смотрю сериал «История большого взрыва».

Б.ШТЕРН: Тогда это всё правильно. Вот. Просто такой этап сейчас.

До того, чтобы это изучать, ещё не дошли. Пока что надо отработать технологию вот этого удержания. Когда она будет отработана, там уже будут просто знать, что в ловушке сидят атомы антиводорода.

А.НАСИБОВ: Десятая доля секунды – это очень большой промежуток времени?

Б.ШТЕРН: Это, конечно, большой промежуток. Итак, они проводят цикл вот такого ускорения, замедления, охлаждения. Они провели триста с чем-то таких циклов и в 38 случаях из этих трёхсот они получили аннигиляцию в специально назначенный момент времени. То есть, 38 атомов они удержали.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: То есть, учёные смогли самые управлять процессом аннигиляции?

Б.ШТЕРН: Конечно, конечно. Они заказывают аннигиляцию в точно определённый момент, чтобы точно знать, что это была именно аннигиляция.

А.НАСИБОВ: То есть, каждый десятый эксперимент завершился удачей, получается?

Б.ШТЕРН: Да. Но это только начало.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Но это всё происходит на машине пятидесятых годов? На пороге…

Б.ШТЕРН: Это ускоритель – пятидесятых годов, замедлитель – это девяностых годов. А сама вот эта установка, она называется «Альфа», которая вот эти все потенциалы хитрые, ловушки, где охлаждаются и удерживаются антипротоны, - это всё уже двухтысячные годы.

А.НАСИБОВ: Я напомню, что в студии у нас Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований Российской Академии Наук и старший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института Академии Наук. Мы обсуждаем эксперименты в ЦЕРНе, в ведущем научно-исследовательском центре физиков всего мира. Расположен он в Женеве.

Б.ШТЕРН: Ну, это пополам – в Швейцарии и во Франции.

А.НАСИБОВ: И там впервые, как я могу судить, было получено не просто антивещество, а ещё сумели удержать несколько долей секунды, десяток долей секунды антивещество. И сейчас пытаются понять, что ж это такое?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Но это я правильно понимаю?

Б.ШТЕРН: Что это такое, это прекрасно понятно.

А.НАСИБОВ: Хорошо, но что с этим делать?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Но это промежуточный этап исследования?

Б.ШТЕРН: Конечно, это промежуточный этап.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Что сейчас, насколько серьёзный шаг вперёд сделан? И что ещё предстоит сделать с полученными данными?

Б.ШТЕРН: Данные, которые сейчас получены – это чисто промежуточные, методические данные. То есть, научной информации пока здесь нет и быть не может. Это просто достижение, которое уже ценно само по себе. Люди очень многому научились, прежде чем добились этого. Вот эта цель, на самом деле, тоже очень важная вещь. Ну, это как вершина, которую надо покорить, и так далее. И человечество что-то стоит, пока оно вообще такие цели пытается достичь и достигает их.

А вот научно значимая цель – это следующий этап. Надо накопить достаточно много атомов антиводорода и посмотреть, отличаются ли их атомные спектры от спектров обычного водорода.

Значит, сразу скажу, что этот эксперимент, в принципе дорогой и тяжёлый, он достаточно рискованный с научной точки зрения. Рискованный в том плане, что, скорее всего, он закончится тривиальным результатом – никакой разницы найдено не будет.

А.НАСИБОВ: Ну, это тоже информация.

Б.ШТЕРН: Это тоже информация, да. И более того, это проверка одной из очень фундаментальных вещей.

Существует так называемая «CPT-теорема». Эта теорема говорит о том, что, если мы перейдём от права - к лево, от мира – к антимиру, и обратим назад время, то не должны измениться ни масса частиц, ни атомные спектры. Мир после таких преобразований остаётся самим собой.

Если это не так, то это значит, что у нас либо не работает специальная теория относительности в каких-то областях. Либо взаимодействия не локальны, и описывается теория гораздо сложнее и менее красиво. Либо математические теории, которые лежат в основе мира, они не столь красивы, как предполагалось. Это очень фундаментальная вещь. И она говорит, что спектры должны быть одинаковые. И, если они окажутся разными, многое придется пересматривать. А почему именно спектры атомов? Потому что их очень можно точно измерять.

Декларируется, что можно достигнуть точности десять в минус четырнадцатой. Это, конечно, колоссальная точность, это лучший способ проверки этой самой «СPT-теоремы».

А.НАСИБОВ: То есть, по большому счёту проверка этой теоремы это в свою очередь проверка той же теории относительности в какой-то мере?

Б.ШТЕРН: Ну, в какой-то мере да, потому что, если увидеть, что она не работает, то там придётся выбирать из – почему она не работает? И один из них – это нарушение Лоренц инвариантности. То есть, что теория относительности где-то там, на каких-то концах своих перестаёт работать. Это один из возможных вариантов, да.

А.НАСИБОВ: То есть, получение антиматерии, исследование по атому антиводорода может повлиять на базовое представление человечества о …

Б.ШТЕРН: Ну, о самых фундаментальных вещах, о том, как устроен мир.

Ну, более того, здесь ещё задействованы, на самом деле, другие вещи. Это, может быть, не столь фундаментальные, но всё равно очень важные.

Вообще, разница между веществом, между материей и антиматерией.

А.НАСИБОВ: Вот я хочу Вас прервать, потому что это фундаментальный, опять же, вопрос, который мы Вам зададим первым, после того как вернёмся в студию после краткого выпуска Новостей.

У нас сейчас будут Новости. А я напомню, что в студии у нас Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований Российской Академии Наук и старший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института Академии Наук.

Танюша, напомни, пожалуйста, наш телефон.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Да, у нас есть СМС: +7 (985) 970-45-45 begin_of_the_skype_highlighting +7 (985) 970-45-45 end_of_the_skype_highlighting.

И вот по итогам первой части нашего разговора всё-таки слушатель не понял, что значит, что когда атом антивещества встречается с атомом обычного вещества, он исчезает? Куда?

А.НАСИБОВ: Куда? Ну, исчезает.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Энергия, энергия.

А.НАСИБОВ: Нет, нет, не сейчас, после Новостей – это долгий, фундаментальный ответ. Пожалуйста, мы сейчас всё-таки хотим послушать порцию новостей, а потом вернёмся в студию.

Б.ШТЕРН: А потом я хотел бы про асимметрию Вселенной

кое-что рассказать.

А.НАСИБОВ: Договорились. Поговорим об асимметрии Вселенной.

Программа «Они» на радио «Эхо Москвы». Сейчас краткие новости.

НОВОСТИ

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: 12 часов 35 минут в столице.

Продолжается программа «Они». И сегодня мы говорим об антивеществе.

А.НАСИБОВ: Гость в студии - Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований Российской Академии Наук и старший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института Академии Наук.

Мы договорились перед тем, как ушли на Новости, что первый вопрос будет – это различие между веществом и антивеществом.

Придвигайтесь ближе к микрофону, и начинайте.

Б.ШТЕРН: Главное различие бросается в глаза сразу: у нас во Вселенной есть только вещество, и почему-то нет антивещества. Нет нигде – ни в других галактиках, ни в самых далёких галактиках – одно вещество.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Вот Вы как раз отвечаете на вопрос одного из наших слушателей, Олега. Он спрашивает: «Возможно ли существование во Вселенной скопления антивещества, или даже целых галактик из него?».

Б.ШТЕРН: В пределах горизонта Вселенной, то есть, в наблюдаемой Вселенной невозможно. Потому что это дало бы последствия, которые мы бы наблюдали.

Мы бы наблюдали всякие продукты аннигиляции вещества и антивещества. Где-то они бы сталкивались между собой.

Где-то там, в межгалактическом пространстве, и так далее. Ничего этого нет. То есть, вся наша Вселенная, вплоть до горизонта состоит из вещества. И на самом деле, это тоже серьёзная задача, которая, вроде бы, уже решена.

Эта задача называется «Барионная асимметрия Вселенной».

Почему только вещество?

Эта задача связана с другой проблемой.

При большом взрыве в первые мгновения температура была гигантской, и все частицы слетались со скоростями света - и протоны, и гамма-кванты. Потом всё это остывало. И причём соотношение частиц - гамма-квантов и протонов и антипротонов оно, в принципе, не сильно меняется в процессе охлаждения Вселенной.

Гамма-кванты превратились в фотоны, и мы знаем, сколько этих фотонов. Сейчас это реликтовое радиоизлучение. Мы его видим.

Так вот, сейчас мы видим, что фотонов в миллиарды раз больше, чем протонов. Раньше должно было быть одинаково. И раньше, видимо, была одинаковая смесь из протонов и антипротонов. Одинаковая, но отличающаяся друг от друга на одну миллиардную часть. Ну, или одну десятимиллиардную.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Вот Дмитрий из Петербурга как раз спрашивает: «Почему при взрыве вещества образовалось больше, чем антивещества?».

Б.ШТЕРН: То есть, была разница в одну миллиардную, да.

А.НАСИБОВ: Но это пренебрежимо мало.

Б.ШТЕРН: Да, благодаря этой разнице мы существуем. Если бы этой разницы не было, всё бы проаннгилировало. Вселенная была бы слишком малоплотной, не образовывались бы звёзды, планеты и так далее.

Поэтому, на самом деле, благодаря этой одной миллиардной, мы и живём. Откуда она взялась эта одна миллиардная?

Значит, из того, что мир всё-таки несимметричен. Всё-таки вещество от антивещества чуть-чуть отличается. Скажем, массы равны – точно, атомные спектры абсолютно одинаковы. Но, скажем, сечения вероятности взаимодействия частиц и вероятности распадов частиц могут отличаться. Вот как раз типа на одну миллиардную, или на одну десятимиллиардную.

И вот когда-то, в самой ранней Вселенной, эта вот разница и сработала. Значит, на учёном языке это называется «нарушение СP-чётности». «C» – это зарядовая асимметрия, и «P» - это пространственная, зеркальная асимметрия.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: А на человеческом языке можно теперь?

Б.ШТЕРН: На человеческом языке, давайте попробуем так.

Вот как мне объяснить, скажем, какому-нибудь иностранцу далёкому, живущему на каком-то острове, мы говорим по телефону, допустим, где право, где лево? Я ему говорю просто: «там, где у тебя сердце – там лево».

А.НАСИБОВ: В какой руке ложку держишь.

Б.ШТЕРН: А неизвестно, может быть он левша? Вот сердце – более надёжно, но тоже не совсем надёжно.

Теперь представим, что я общаюсь с инопланетянином, нарушая все физические принципы, по телефону. Он у меня спрашивает: «что такое правая резьба у вас, в вашем мире?». Я ему могу в принципе объяснить, что такое правая резьба, но не так просто.

Я ему говорю: «Возьми обмотку, пусти по ней ток. Посмотри, откуда текут электроны, в каком направлении они текут по этой обмотке. Внутри будет сильное магнитное поле. Помести туда какие-нибудь ядра, которые распадаются с путем бета-распада. Допустим, кобальт, какой-нибудь изотоп кобальта, среди них по-моему есть бета-распадчик. Они будут поляризованы в этом поле. Посмотри, куда летят электроны бета-распада больше – вверх, или вниз?

Если они летят больше вверх, двигайся по направлению тока и вверх – это и будет правая резьба». Почему я ему смог это объяснить? Потому что бета-распад атомов пространственно нечётен. Вот здесь нарушается пространственная симметрия. Вот эта вот самая P-чётность. И поэтому я смог объяснить, что такое правая резьба.

Но вдруг мы находимся вообще в разных концах Вселенной, настолько далеко друг от друга, что мы не знаем – в антимире он живёт, или в нашем мире? И здесь уже объяснение пропадает. Он спросит: «Пардон, мы с тобой зарядово одинаковы, или противоположны?».

Если мы этого не знаем, то я ему не могу объяснить, что такое правая резьба.

А.НАСИБОВ: А, если сказать: «Посмотри, в какую сторону закручиваются галактики»?

Б.ШТЕРН: Галактики закручиваются в произвольную сторону. Это с какой стороны мы смотрим на галактику.

А.НАСИБОВ: А! Понятно – сверху, или снизу.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Относительно меня, или относительно Вас.

Б.ШТЕРН: То есть, нужно ещё одно направление. Кроме спирали, нужно ещё одно направление.

Так вот, оказывается, что и эта симметрия нарушается. И в принципе, с помощью более сложного эксперимента, я ему могу сказать: «Ты посмотри, как у тебя распадаются нейтральные К-мезоны? И там есть эффект, на уровне действительно одной миллиардной, что нарушается и эта симметрия. В результате можно отличить мир от антимира. И вот этот самый эффект нарушения комбинированной чётности он и дал в результате то, что наш мир состоит из антивещества. Из вещества, то есть, из вещества.

То есть, симметрия нарушилась. Откуда оно взялось, вообще, нарушение этой симметрии, мы не знаем. Но есть по этому поводу весьма разумные соображения. Например, почему у нас сердце слева, а, может быть, и справа? А просто исторически так сложилось. Это называется спонтанное нарушение симметрии, или самопроизвольное нарушение симметрии.

Это, вообще, принцип, который лежит сейчас в основе очень глубокой науки.

Скажем, изначально в первые мгновения Вселенная была симметрична относительно всего. Все взаимодействия были одинаковые. Но потом во Вселенной начались фазовые переходы. Начал меняться вакуум. Вот, когда у вас ведро с водой, поверхность симметрична, то есть, во всех направлениях одинакова. Как только она замёрзла, вы там увидели кристаллы, то есть образовалась такая кристаллическая, бугристая поверхность. И там видно – направления возникли. Вот это спонтанное нарушение симметрии.

Вот в первые мгновения Вселенной вот такая вещь происходила с физикой вообще. То есть, менялся вакуум. И менялся он самым произвольным образом. Мог возникнуть перекос в сторону вещества, мог возникнуть перекос в сторону антивещества, и зависело от каких-то мельчайших ошибочек. Да, флуктуаций мельчайших, да.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Ну, это такое объяснение, оно, с одной стороны, кажется разумным, а с другой стороны, всё равно, не объясняет.

А.НАСИБОВ: Ты – социолог.

Б.ШТЕРН: Ну, конечно.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Хорошо. Я сижу тут как человек, который ничего не смыслит в физике.

А.НАСИБОВ: А я – просто лирик. Здесь всё понятно.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: А ты просто лирик. И мне говорят, что вот там спонтанные изменения. А почему? Откуда возникли эти мельчайшие ошибки?

Б.ШТЕРН: Ну, мельчайшие ошибки они есть везде.

Отчего возникает циклон в данный момент, там, где-нибудь

в Тихом океане, в Атлантическом океане, почему в это время где-нибудь там, в полярных областях, возникает антициклон? И потом, как они будут взаимодействовать? Всё это зависит от мелочей, которые невозможно учесть и предсказать: в природе это вообще заложено - неустойчивость всяких больших процессов. И рост всяких мелких возмущений. Мы не знаем, какое из этих мелких возмущений вырастет до каких-то глобальных явлений. Вот это происходит, например, в фазовых переходах. Это происходит во всяких сложных процессах типа турбулентности, и так далее, и так далее.

Конечно, то, что я сейчас говорю, это не есть объяснение. Это просто принцип, который нам позволяет понять, как получился у нас такой сложный мир.

Вначале он, судя по всему, был простым. И мы видим, что вот, если там как-то аналитически продолжить всякие взаимодействия в физике частиц в какие-то области энергий, которые для нас недоступны, они там становятся похожими друг на друга. Взаимодействия расщепились по дороге – пока Вселенная остывала. При больших энергиях всё одинаково, при маленьких энергиях возникает всё больше и больше разнообразия.

И барионная асимметрия Вселенной – это вот один из таких как раз вопросов. Понятно, откуда ноги растут в принципе. И, кстати, первым, кто этот вопрос поставил, был Андрей Дмитриевич Сахаров. Это было ещё в шестидесятых годах. Он обратил внимание на это самое несоответствие между числом фотонов и числом барионов. И предположил именно, что это вот следствие нарушения комбинированной чётности вот в самые первые секунды большого взрыва.

Ну вот.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: У нас очень много пришло вопросов от наших слушателей …

А.НАСИБОВ: Мне больше всего нравится: «Я ничего не понимаю, но интересно». Елена тут прислала. А я всё понимаю. (Хохочет).

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Человек, подписавшийся инициалами А.В., просит объяснить процесс исчезновения антивещества. И Олег из Челябинска пишет: «Нас с детства пугали, что при аннигиляции происходит чудовищный выброс энергии». Спрашивает, не грозит ли это чем-нибудь для Земли?

Б.ШТЕРН: Ну да, чудовищный выброс энергии. Сейчас скажу.

При аннигиляции протона и антипротона выделяются десять в минус третьей эрга, или одна десятимиллиардная Джоуля.

А.НАСИБОВ: Это хорошо, или плохо?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Это очень мало.

Б.ШТЕРН: Ну, это очень мало, конечно. Это достаточно большая энергия: чтобы с продуктами распада было легко работать, но макроскопически это совершенно ничтожная энергия, конечно.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Ну, то есть, все эти страшилки, которые мы читаем, там, где-нибудь, Дэна Брауна, про то, что вот сейчас мы накопим какое-нибудь количество антивещества и сметём с лица земли половину городов….

Б.ШТЕРН: Но это чушь собачья, потому что копить антивещество – это самый дорогой способ вообще накопления энергии – чудовищно неэффективный.

Там был ещё вопрос про аннигиляцию?

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Даю Аннигиляция – это обычный физический процесс, так сказать, взаимодействия двух частиц. Есть протон, есть антипротон. Они взаимодействуют друг с другом, и при этом материя эта не исчезает, как нас учили классики. Материя превращается в пи-мезоны, которые разлетаются с околосветовыми скоростями во все стороны.

Ну, а протоны и антипротоны исчезают. Им в данном случае ничего не препятствует исчезнуть.

Но для того чтобы уничтожить протон, нужен антипротон, потому что есть закон сохранения барионного числа. Вот этот закон выполняется очень хорошо.

Ну, то есть, обычный процесс, который не приводит к исчезновению материи, который приводит просто к её переходу в другие формы.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Куда сейчас должны развиваться исследования, которые проходят с антивеществом в ЦЕРНЕ, и как Вы думаете, когда будет следующий такой ощутимый успех и следующий шаг вперёд?

Б.ШТЕРН: Вот, к сожалению, я не специалист. Я всё-таки больше астрофизик, чем физик частиц. Поэтому я этого дела не чувствую.

А.НАСИБОВ: Как здорово, что мы не позвали в студию того, кто по определению Бориса Евгеньевича специалист! Я предугадываю реакцию наших слушателей.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Нет, с разговором по телефону было всё, в общем-то, понятно. Пока про бета-распад не начали.

Б.ШТЕРН: Значит, надо копить антиатомы и надо измерять спектры.

Значит, как могут быть померены спектры с относительно небольшим количеством антиатомов?

Ну, скажем, с помощью лазерного излучения того же водорода, скажем, попробовать посмотреть, насколько хорошо он резонансно рассеивается на этих самых на холодных атомах антиводорода. Насколько хорошо эти частоты совпадают. То есть, вот это вот то, к чему, так сказать, все хотят прийти.

Сколько это по времени, я не знаю. Теперь надо сидеть и вылизывать, оттачивать эту методику накопления и так далее, и так далее.

Ну, и конечная цель – это вот такой эксперимент уже с проверкой резонансности этих самых спектров обычного водорода и антиводорода.

А.НАСИБОВ: Скажите, пожалуйста, почему на этом оборудовании конца пятидесятых годов при всех его последующих модернизациях нельзя было достичь ныне полученного результата ещё там 10, 20,30 лет назад?

Почему это стало возможным только сейчас? Или мозги повернулись, или аппаратура появилась новая? Что произошло?

Б.ШТЕРН: Понятно, как надо было делать, ещё давно. Как охлаждать антипротоны, я говорю, вот это стохастическое охлаждение оно разработано ещё в семидесятых годах, более того, оно работало в ЦЕРНе уже на большой ускоритель. Там антипротоны потом запускали в кольцо, их ускоряли. Но здесь много всякой очень сложной кухни.

Вот всё, что я рассказывал, эта последовательность: охладить, замедлить, замедлить дальше, охладить на электронах, потом вот эти все потенциалы, как их удержать, и так далее, и так далее – страшно тяжёлая техника, на которую уходят годы просто.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Вопрос. Вот Андрей из Петербурга: «А чёрная дыра не может быть антивеществом»?

Вообще, тут почему-то сразу несколько людей нам пишут про чёрные дыры.

Б.ШТЕРН: Чёрная дыра, вообще говоря, это вот интересный вопрос, потому что в чёрной дыре барионный заряд как бы исчезает. Мы не можем сказать, какого знака чёрная дыра. То есть, он для нас скрыт, всё, потерян. Барионы попали в чёрную дыру, всё! Мы не видим барионного заряда. Чёрная дыра не имеет барионного заряда.

Вопрос в принципе хороший, но глубокий ответ на него выходит сильно за рамки этой передачи, так скажем.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Ещё один вопрос от Сергея из Волгограда: «Есть ли у антивещества перспективы в военном применении?».

Б.ШТЕРН: Нет.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Почему? Слишком дорого и долго?

Б.ШТЕРН: Чтобы купить грамм антивещества, чтобы эквивалентно там взрыв Хиросимской бомбы, если его проанализировать, нужны какие-то космические затраты энергии и время, так сказать, сравнимое с временем жизни Вселенной при нынешних темпах. Ну, даже, если мы темпы увеличим, то всё равно, это будет КПД там 10 минус там какой-нибудь девятой, что-нибудь такого типа.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Это бессмысленно?

Б.ШТЕРН: Абсолютно бессмысленно.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Таня спрашивает: «Есть ли какая-то связь между тёмной энергией, тёмной материей и антивеществом?».

Б.ШТЕРН: Прямой нет. Связь между тёмной… Что такое «тёмная энергия», мы не знаем. Какая там связь, мы не знаем. Это пока просто неисследованная вещь, мы только знаем, что она есть.

Что касается тёмной материи, то антивещество, а именно там антипротон, то есть позитроны – это были одним из вариантов зарегистрировать распад антивещества, прошу прощения, распад тёмной материи в окружающем пространстве.

И вроде были даже такие сигналы – эксперимент Памела: вроде видят избыток позитронов, относительно того, что должно быть. И говорят сразу: А! Это распадается тёмная материя.

Или, скажем, на космическом гамма-телескопе нашли избыток ГэВ-ных гамма-квантов. Говорят: О! Это опять тёмная материя. Но всё это рассасывается.

Что касается избытка позитронов, то это объясняется обычной астрофизикой, в общем-то. Что касается, скажем, избытком вот этих гамма-квантов, это оказалось просто методической ошибкой, то есть, неправильным учётом характеристик детектора.

И ещё рассосалась недавно одна вещь, касающаяся тёмной материи, это избыток в спектре электронов энергии сотни ГэВ. Ну, в общем, тёмная материя пока очень хорошо прячется, вот так скажем. Вот она есть, мы знаем где и сколько, но она пока прячется.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Ну, и прямых доказательств связи с антивеществом нет?

Б.ШТЕРН: Нет, конечно. Ну, это явно вещество, то есть, понятно, что тёмная материя – это, скорее всего, по зарядовому… Хотя нет, на самом деле, боюсь соврать, но я думаю, что она не имеет отношения, она может не иметь отношения к зарядовому состоянию нашей Вселенной. Вот так скажем. То есть, она может быть вне этих понятий: вещество и антивещество.

А.НАСИБОВ: Ну что, моё представление о мире оно, в общем, вышло на какой-то новый этап.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Я очень надеюсь, что наши слушатели сейчас полезли куда-нибудь на антресоли, доставать учебники физики.

А.НАСИБОВ: Или хотя бы заваривают горячий чай крепкий.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Освежать свои воспоминания об уроках физики. Потому что было интересно, но не всегда понятно.

А.НАСИБОВ: Борис Штерн, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований Российской Академии Наук и старший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института Академии Наук.

Борис Евгеньевич, большое спасибо Вам.

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Спасибо Вам большое за то, что объяснили нам на пальцах, что такое антивещество, и что с ним делать.

А.НАСИБОВ: Главное, помогая себе руками, как это всё закручивается и куда это всё уходит.

Благодарю наших слушателей.

У микрофона программы «Они» на радио «Эхо Москвы» работали

Т.ФЕЛЬГЕНГАУЭР: Ашот Насибов

А.НАСИБОВ: И Татьяна Фельгенгауэр.