Включено в книгата
Оригинално заглавие
Physics of the Impossible, (Пълни авторски права)
Превод от английски
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,5 (× 22 гласа)

10. Антиматерия и антивселени

Най-вълнуващата фраза в науката, която може да бъде чута, фразата, с която обявяваваме откритията си, не е „Еврика“ (Открих!), а „Колко забавно…“

Айзък Азимов

Ако един човек не споделя нашите убеждения, казваме, че е чудак, и това изчерпва въпроса. Искам да кажа, че го изчерпва, защото днес не можем да го изгорим на клада.

Марк Твен

Можете да разпознаете един първооткривател по стрелите в гърба му.

Бевърли Рубик

В книгата на Дан Браун „Шестото клеймо“ — бестселъра, предшественик на „Шифърът на Леонардо“, малка банда от екстремисти — илюминатите, е устроила заговор за взривяването на Ватикана с използването на антиматерийна бомба, открадната от ЦЕРН, ядрена лаборатория извън Женева. Конспираторите знаят, че когато материята и антиматерията влязат в контакт, настъпва грандиозна експлозия, много пъти по-мощна от тази, предизвикана от една водородна бомба. Въпреки че антиматерийната бомба е чиста измислица, антиматерията е съвсем реално съществуваща.

Една атомна бомба, въпреки цялата си колосална мощ, има ефективност само от около 1 процент. Една съвсем малка частица от урана се превръща в енергия. Но ако бъде конструирана антиматерийна бомба, тя ще преобразува 100 процента от своята маса в енергия, което я прави далеч по-ефикасна от атомната бомба. (Или по-точно казано, около 50 процента от материята в една антиматерийна бомба ще се превърне в използваема експлозивна енергия. Остатъкът ще бъде отнесен под формата на неоткриваеми частици, наричани неутрино.)

Антиматерията отдавна се е превърнала в център на напрегнати обсъждания. Въпреки че не съществува антиматерийна бомба, физиците са в състояние да използват своите мощни атомни ускорители, за да създават незначителни количества антиматерия за изследователски цели.

Производство на антиатоми и антихимия

В началото на XX в. физиците осъзнали, че атомът се състои от заредени субатомни частици с електрони (с отрицателен заряд), които се движат в кръг около съвсем малко ядро (с положителен заряд). На свой ред ядрото се състояло от протони (които носели положителен заряд) и неутрони (които били електрически неутрални).

Затова през 30-те години научният свят изпаднал в силен шок, когато физиците осъзнали, че всяка частица има близначка — античастица, но с противоположен заряд. Първата античастица, която била открита, бил антиелектронът (наречен позитрон), който има положителен заряд. Позитронът е идентичен с електрона във всички отношения, като изключим това, че носи противоположния заряд. Той бил открит за първи път във фотографии на космически лъчи, направени в облачна камера. (Следите от позитрони се забелязват твърде лесно в такава камера. Когато бъдат поставени в мощно магнитно поле, те се прегъват в противоположна посока в сравнение с обикновените електрони. Всъщност аз фотографирах такива следи от антиматерия, още докато учех в гимназията.)

През 1955 г. Беватрон — ускорителят на частици в Калифорнийския университет в Бъркли, произвел първия антипротон. Както се очаквало, той бил идентичен с протона във всички отношения, като изключим факта, че имал отрицателен заряд. Това означава, че по принцип човек може да създава антиатоми (с позитрони, които се движат около антипротоните). Антиелементите, антихимията, антихората, антиземите и дори антивселените са теоретично възможни.

Понастоящем гигантските ускорители на частици в ЦЕРН и в лабораторията „Ферми“, близо до Чикаго, са в състояние да създадат незначителни количества антиводород. (Това става чрез взривяване на лъч от високоенергийни протони с цел използването на ускорители на частици, като по този начин бива създаден сноп от субатомни отломки. Мощни магнити отделят антипротоните, крито се забавят до много ниски скорости и след това се излагат на въздействието на антиелектроните, които се излъчват по естествен път от натрий–22. Когато антиелектроните се движат в орбита около антипротоните, те създават антиводород, тъй като водородът е съставен от един протон и един електрон.) В чист вакуум тези антиатоми могат да съществуват вечно. Но заради примесите и сблъсъците със стената накрая се удрят в обикновените атоми и се анихилират, отделяйки енергия.

През 1995 г. ЦЕРН влезе в историята, когато обяви, че е създал девет антиводородни атома. Лабораторията „Ферми“ скоро последва примера, като произведе сто атома антиводород. По принцип няма нищо, което да ни попречи да създадем елементи с по-висока атомна маса, като изключим зашеметяващата цена. Производството дори на няколко унции антиатоми би довело до банкрут всяка нация. Сегашното равнище на производство на антиматерия варира между една милиардна част и десет милиардни части от един грам на година. Продукцията може да нарасне трикратно до 2020 година. Икономиката на антиматерията е много слаба. През 2004 г. производството на няколко трилионни от един грам антиматерия е струвало на ЦЕРН 20 милиона долара. При това равнище на производство произвеждането на един-единствен грам антиматерия ще струва 100 квадрилиона долара, а антиматерийният завод ще трябва да работи непрекъснато в продължение на 100 милиарда години! Това прави от антиматерията най-скъпата субстанция в света.

„Ако можехме да съберем на едно място цялата антиматерия, която сме произвели в ЦЕРН досега и я анихилираме с материя — гласи едно твърдение на ЦЕРН, — ще разполагаме с достатъчно енергия, за да държим запалена една-единствена електрическа крушка в продължение на няколко минути.“ Работата с антиматерия предизвиква непознати досега проблеми, тъй като всеки контакт между материята и антиматерията води до експлозия. Поставянето на антиматерия в обикновен контейнер би било равносилно на самоубийство. Когато антиматерията влезе в досег със стените, тя ще избухне. Така че как да работи човек с антиматерия, ако тя е толкова избухлива? Единият от начините за това е антиматерията първоначално да бъде йонизирана в газ от йони, а след това да бъде държана в „магнитна бутилка“ с оглед безопасност. Магнитното поле би попречило на антиматерията да влезе в досег със стените на камерата.

За да бъде изграден антиматериен двигател, постоянна струя от антиматерия трябва да бъде поддържана в реакционна камера, където ако бъде смесена с обикновена материя, ще предизвика контролирана експлозия, подобна на експлозията, създавана при химическите ракети. Йоните, създадени от тази експлозия, след това ще бъдат изхвърлени от единия край на антиматерийната ракета, като по този начин ще я задвижват. Заради ефективността на антиматерийния двигател при преобразуването на материята в енергия, на теория това е един от най-перспективните проекти за двигатели на бъдещите междузвездни кораби. В сериала „Стар Трек“ антиматерията е източникът на енергията на „Ентърпрайс“. Неговите двигатели се енергизират от контролираното сблъскване на материя с антиматерия.

Антиматерийна ракета

Един от главните защитници на идеята за антиматерийна ракета е физикът Джералд Смит от Пенсилванския щатски университет. Той смята, че в краткосрочен план малко количество от 4 мг позитрони например ще бъде достатъчно, за да закара антиматерийна ракета до Марс само за няколко седмици. Ученият отбелязва, че енергията, пакетирана в антиматерията, е около един милиард пъти по-голяма от енергията, пакетирана в обикновеното ракетно гориво.

Първата стъпка към създаването на това гориво би било създаването на снопове от антипротони посредством ускорител на частици и след това съхраняването им в „капана на Пенинг“, който Смит изгражда. Когато бъде изграден, капанът на Пенинг ще тежи 220 фунта (около 100 кг като голяма част от него ще се състои от течен азот и течен хелий) и ще съхранява около един трилион антипротони в магнитно поле. (При много ниски температури вълновата дължина на антипротоните е няколко пъти по-голяма от вълновата дължина на атомите в стените на контейнера, затова антипротоните предимно ще отскачат от стените, без да се анихилират.) Той твърди, че този капан на Пенинг ще бъде в състояние да съхранява антипротони в продължение на около пет дни (докато накрая те се анихилират, като се смесят с обикновени атоми). Капанът на Пенинг трябва да бъде в състояние да съхранява около една милиардна част от един грам антипротони. Целта на Смит е да направи капан, който да съхранява цял микрограм антипротони.

Въпреки че антиматерията е най-скъпата субстанция на Земята, нейната цена продължава да спада драстично всяка година (1 г би струвал около 62,5 трилиона долара по днешните цени). Нов инжектор на частици, който се изгражда в лабораторията „Ферми“, трябва да бъде в състояние да увеличи продукцията на антиматерия десетократно, като повишава произведеното количество от 1,5 на 15 нанограма на година. Това ще понижи цените. Но Харолд Гериш от NASA смята, че с помощта на допълнителните подобрения цената ще спадне до реалистичните 5 000 долара на микрограм. Доктор Стивън Хауи от „Синерджистикс Текнолъджис“ в Лос Аламос, Ню Мексико, твърди: „Нашата цел е да прехвърлим антиматерията от далечното царство на научната фантастика в използваемото за търговски цели царство на транспортирането и приложението й в медицината.“[1]

Засега ускорителите на частици, които могат да произвеждат антипротони, не са проектирани специално за тази цел и капацитетът им е напълно недостатъчен. Те са проектирани предимно да служат като изследователски инструменти, а не да бъдат заводи за производство на антиматерия. Ето защо Смит си представя изграждането на нов ускорител на частици, който ще бъде проектиран специално да произвежда големи количества антипротони, което ще понижи цената.

Ако е възможно цените на антиматерията да бъдат смъкнати още повече от техническите усъвършенствания и масовото производство, според Смит ще настъпи време, когато антиматерийната ракета ще станат средство за извършване на междупланетни и междузвездни пътувания. Дотогава обаче антиматерийните ракети ще останат на чертожните дъски.

Антиматерия, която се среща в естествени условия

Ако антиматерията се създава толкова трудно на Земята, то възможно ли е човек да намери такава по-лесно в открития космос? За съжаление при търсенето на антиматерия във Вселената физиците са попадали много рядко на нея, което е доста изненадващо. Фактът, че нашата вселена е съставена предимно от материя, а не от антиматерия, е трудно обясним. Може да се допусне, че в началото на съществуването на Вселената материята и антиматерията са били в еднакви количества. Затова липсата на антиматерия е озадачаваща.

Най-правдоподобното решение на проблема е предложено за първи път от Андрей Сахаров — ученият, конструирал водородната бомба в Съветския съюз през 50-те години на XX век. Сахаров изказал теоретично предположението, че в началото на съществуването на Вселената е имало лека асиметричност в количеството на материята и антиматерията по време на Големия взрив. Това съвсем малко нарушение на симетрията се нарича „ЗС нарушение“. Понастоящем явлението е обект на засилени изследвания. Фактически Сахаров изказал теоретично предположението, че атомите в днешната вселена са останали след едно почти пълно унищожение, настъпило след контакт между двете. Съвсем малкото останала материя е създала остатък, който изгражда днешната видима вселена. Всички атоми в нашите тела са останки от титаничния сблъсък на материята с антиматерията.

Тази теория оставя открита възможността малки количества от антиматерия да се срещат в естествени условия. Ако е така, откриването на източника би понижило драстично цената на производството на антиматерия за употреба в антиматерийните двигатели. По принцип отлаганията от антиматерия в естествени условия трябва да бъдат лесно откриваеми. Когато се срещнат един електрон и един антиелектрон, те анихилират в гама-лъчи с енергия от 1,02 милион електронволта или още повече. Така чрез сканирането на Вселената за гама-лъчи с тази енергия човек би могъл да открие „отпечатъка“ на антиматерията, която се среща в естествени условия.

Всъщност „фонтани“ от антиматерия са били откривани в Галактиката Млечен път, недалеч от галактичния център, от доктор Уилям Пърсел от Северозападния университет. Очевидно съществува струя от антиматерия, която създава това характерно гама-излъчване от 1,02 милион електронволта, когато влиза в сблъсък с обикновения водороден газ. Ако тази струйка от антиматерия съществува в естествени условия, може да се окаже възможно във Вселената да съществуват и други джобове от антиматерия, които не са били унищожени по време на Големия взрив.

За да издирва по-систематично антиматерия, срещаща се в естествени условия, спътникът PAMELA (полезен товар за антиматерийно-материйно изследване и светлинно-ядрена астрофизика) беше изстрелян в орбита през 2006 година. Той е плод на сътрудничеството между Русия, Италия, Германия и Швеция, като е проектиран да търси джобове от антиматерия. Предишните мисии, които търсели антиматерия, са проведени с използването на балони, достигащи голяма височина, както и на Космическата совалка, затова данните са събрани за не повече от една-две седмици. За разлика от тях PAMELA ще остане в орбита поне три години. „Това е най-добрият детектор, конструиран някога, и ние ще го използваме в продължение на дълъг период“, обявява членът на екипа Пиерджорджо Пикоца от университета в Рим.

PAMELA е проектиран да открива космически лъчи от обикновени източници като суперновите, но също и от необичайни източници като звездите, състоящи се изцяло от антиматерия. По-специално PAMELA ще търси подписа на антихелия, който се произвежда във вътрешностите на антизвездите. Въпреки че днес повечето физици са на мнение, че Големият взрив е довел до почти пълно унищожение, настъпило след контакта между материята и антиматерията, както смята и Сахаров, PAMELA е основан на различното допускане, че цели региони от антиматерийната вселена не са претърпели подобно унищожение и вследствие на това днес съществуват под формата на антизвезди.

Ако дълбоко в Космоса съществува антиматерия в незначителни количества, може да се окаже възможно да бъде уловена част от нея за задвижването на междузвездни кораби. Институтът за напреднали концепции към NASA възприема достатъчно сериозно идеята за улавянето на антиматерия от Космоса и затова неотдавна финансира пилотна програма за проучвания в тази насока. „По същество това, което искате да направите, е да генерирате мрежа, сякаш ще ловите риба“, казва Джералд Джаксън от „Хбар Текнолъджис“, една от организациите, които заемат челно място в проекта.

Антиматерийната мрежа се основава на три концентрични сфери, като всяка от тях е съставена от жична решетка. Най-външната сфера ще достига диаметър от 16 км и ще бъде заредена положително, така че ще отблъсква всички протони, които са положително заредени, но ще привлича антипротоните, които са отрицателно заредени. Антипротоните ще бъдат събрани от външната сфера, а след това ще забавят ход, докато преминават през втората сфера и накрая ще спират, когато достигнат най-вътрешната сфера, която ще достига диаметър от 100 метра. След това антипротоните ще бъдат улавяни в магнитна бутилка и ще бъдат смесвани с антиелектрони за образуването на антиводород.

По изчисления на Джаксън контролираните реакции между материя и антиматерия вътре в космическия кораб биха могли да захранят с гориво слънчево платно до Плутон само с използването на 30 мг антиматерия. Джаксън казва, че 17 г антиматерия биха били достатъчни за захранването на междузвезден кораб с гориво до Алфа от Кентавър. Джаксън твърди, че може да има 80 г антиматерия между орбитите на Венера и Марс, които биха могли да бъдат уловени от космическата сонда. Като се имат предвид усложненията и цената на изстрелването на този огромен антиматериен колектор обаче, това вероятно няма да бъде реализирано до края на този век или скоро след това.

Някои учени мечтаят да уловят антиматерия с метеор, който се носи из открития космос. (В комиксите за „Флаш Гордън“ веднъж играеше главна роля един много опасен антиматериен метеор, който се носеше из Космоса и можеше да предизвика страшна експлозия, ако влезе в досег с някоя планета.)

В случай че антиматерия, срещаща се в естествени условия, не бъде открита в Космоса, ще трябва да чакаме десетилетия или дори столетия, преди да можем да произвеждаме достатъчно големи количества антиматерия на Земята. Но ако допуснем, че техническите проблеми при производството на антиматерия бъдат решени, това оставя открита възможността един ден антиматерийни ракети да ни закарат до звездите.

Като се има предвид това, което знаем за антиматерията днес, и предвидимата еволюция на тази технология, бих класифицирал антиматерийния ракетен кораб като технология, спадаща към Клас I на невъзможните неща.

Откривателят на антиматерията

Що е антиматерия? Изглежда странно, че природата би удвоила броя на субатомните частици във Вселената без солидно основание. Обикновено природата е твърде икономична, но сега, когато знаем за съществуването на антиматерията, природата ни изглежда разточителна във висша степен. А щом съществува антиматерия, могат ли да съществуват и антивселени?

За да отговори на тези въпроси, човек трябва да проучи произхода на самата антиматерия. Откриването на антиматерията датира от 1928 г. и води началото си от първооткривателския труд на Пол Дирак — един от най-блестящите физици на XX век. Той бил Лукасов професор в Кеймбриджкия университет, като заемал същия пост, който е бил заеман от Нютон, а понастоящем това място се заема от Стивън Хокинг.[2] Роденият през 1902 г. Дирак бил висок, жилав мъж, който бил на малко повече от двадесет години, когато през 1925 г. избухнала квантовата революция. Въпреки че по онова време следвал електроинженерство, той бил отнесен от приливната вълна, отприщена от квантовата теория.

Квантовата теория се основавала на идеята, че електроните биха могли да бъдат описани не като точковидни частици, а като някакъв вид вълна, изразена с прочутото вълново уравнение на Шрьодингер. (Вълната представлява вероятността да бъде открита частицата в тази точка.)

Но Дирак осъзнал, че уравнението на Шрьодингер има един недостатък. То описва само електроните, които се движат с ниски скорости. При по-високи скорости уравнението не постига успех, защото не се подчинява на законите за обектите, движещи се с високи скорости, т.е. законите на относителността, открити от Алберт Айнщайн.

Според младия Дирак предизвикателството се състояло в това да бъде формулирано наново уравнението на Шрьодингер, като бъде съобразено с теорията на относителността. През 1928 г. Дирак предложил радикална модификация на уравнението на Шрьодингер, която се подчинявала напълно на теорията на относителността на Айнщайн. Светът на физиката бил смаян. Дирак съставил своето прочуто релативистично уравнение за електрона, като боравел само с математически понятия от по-висш порядък, наречени спинори. Един математически куриоз изведнъж станал понятие с централно значение за цялата математика. (За разлика от много физици преди него, които настоявали, че големите пробиви във физиката трябва да бъдат здраво основани на експериментални данни, Дирак се придържал към противоположната стратегия. Според него чистата математика, ако е достатъчно красива, била сигурният водач към нови пробиви. Той писал: „По-важно е да има красота в уравнението на учения, отколкото да има експерименти, които потвърждават правотата му… Изглежда, че ако човек работи от гледна точка на достигането на красота в своите уравнения и ако има наистина ясно прозрение, той е на правия път и напредъкът е неминуем.“)[3]

Докато разработвал своето ново уравнение за електрона, Дирак осъзнал, че прочутото уравнение на Айнщайн E=mc2 не е съвсем вярно. Въпреки че е изписано на рекламите на Медисън Авеню, върху фланелки, в анимационните филми и дори върху костюмите на супергероите, уравнението на Айнщайн е вярно само донякъде. В действителност вярното уравнение е E=±mc2. (Този знак минус се появява, защото трябва да извадим квадратния корен на определено количество. Изваждането на квадратния корен на дадено количество винаги въвежда неопределеност по въпроса дали става дума за плюс или минус.)

Но физиците мразят отрицателната енергия. Във физиката има една аксиома, според която обектите винаги проявяват склонност към изпадане в по-ниско енергийно състояние (това е причината, поради която водата винаги се стреми към най-ниското равнище — морското.) Тъй като материята винаги изпада в своето най-ниско енергийно състояние, перспективата за съществуване на отрицателна енергия е потенциално катастрофална. Това означава, че всички електрони накрая ще изпаднат в състояние на безкрайна отрицателна енергия и вследствие на това теорията на Дирак ще бъде нестабилна. Затова Дирак измисля понятието „море на Дирак“. Той си представил, че всички състояния на отрицателната енергия вече са запълнени и вследствие на това един електрон не може да изпадне в отрицателно енергийно състояние. Благодарение на това Вселената е стабилна. Също така един гама-лъч може случайно да се сблъска с електрон, който пребивава в отрицателно енергийно състояние и да го изблъска нагоре в състояние на положителна енергия. След това ще видим как гама-лъчът ще се превърне в електрон и в морето на Дирак ще се образува „дупка“. Тази дупка ще действа като мехур във вакуума, т.е. ще има положителен заряд и ще притежава същата маса като първоначалния електрон. С други думи, дупката ще се държи като антиелектрон. Затова в тази образна представа антиматерията се състои от „мехури“ в морето на Дирак.

Само няколко години, след като Дирак направил това смайващо предсказание, Карл Андерсън наистина открил антиелектрона (за което Дирак спечелил Нобелова награда през 1933 година).

С други думи, антиматерията съществува, защото уравнението на Дирак има два типа решения, един за материята и друг за антиматерията. (А това на свой ред е следствие от специалната теория на относителността.)

Уравнението на Дирак предсказало не само съществуването на антиматерията — то предрекло и „въртенето“ на електрона. До голяма степен субатомните частици се въртят като един въртящ се връх. На свой ред въртенето на електроните е решаващо за разбирането на потока от електрони в транзисторите и полупроводниците, които изграждат основата на модерната електроника.

Стивън Хокинг съжалява, че Дирак не е патентовал своето уравнение. Той пише: „Дирак е щял да натрупа богатство, ако бе патентовал своето уравнение. Той щеше да получава хонорари от всички телевизии, уокмени, видеоигри и компютри заради правата си върху него.“

Днес прочутото уравнение на Дирак е гравирано върху камъните на Уестминстърското абатство, недалеч от гробницата на Исак Нютон. Това е може би единственото уравнение в целия свят, на което е оказана тази изключителна чест.

Дирак и Нютон

Историците на науката, които се стремят да разберат източниците на начина, по който Дирак е предложил своето революционно уравнение и понятието „антиматерия“, често го сравняват с Нютон. Странно, но между Нютон и Дирак има няколко безспорни прилики. И двамата са били на малко повече от двадесет години, когато са се занимавали с творческа дейност в Кеймбриджкия университет, и двамата са били преподаватели по математика, и двамата са притежавали една отличителна черта: пълна липса на социални умения, достигаща патологични измерения. И двамата са били прочути с неспособността си да участват в разговори на незначителни теми и с липсата си на изискани обноски дори в минимална степен. Болезнено срамежливият Дирак никога не казвал нищо, освен ако не бивал запитан директно, при което отговарял само с „да“, „не“ или „не знам“.

Дирак бил изключително скромен и мразел известността. Когато разбрал, че ще получи Нобеловата награда по физика, той сериозно обмислял да я откаже заради известността и безпокойствата, които тя би му създала. Но когато му обяснили, че отказът да получи Нобеловата награда ще го направи още по-прочут, той решил да я приеме.

Томове са били изписани за особения характер на Нютон, като хипотезите на тази тема варират от отравяне с живак до душевно заболяване. Но неотдавна кеймбриджкият психолог Саймън Барон-Коен предложи нова теория, която може би обяснява странните характери и на Нютон, и на Дирак. Барон-Коен твърди, че и двамата вероятно са страдали от синдрома на Аспергер, който е сроден с аутизма, демонстриран от учения идиот във филма „Рейнман“. Индивидите, които страдат от синдрома на Аспергер, са прочути със затвореността си, непохватни са в социално отношение и понякога са надарени с невероятна способност на изчислители, но за разлика от аутистите те се вписват в обществото и могат да бъдат продуктивни при изпълнението на трудовите си задължения. Ако тази теория е вярна, свръхестествената изчислителна способност на Нютон и Дирак е дала резултат, тъй като те са били откъснати в социално отношение от останалите хора.

Антигравитация и антивселени

С помощта на теорията на Дирак днес можем да отговорим на редица въпроси от рода на: Кое е антиматерийното съответствие на гравитацията? Съществуват ли антивселени?

Както вече посочихме, античастиците притежават заряд, противоположен на този на обикновената материя. Но частиците, които нямат никакъв заряд (като фотона — частицата на светлината, или гравитона — частицата на гравитацията), могат да бъдат своя собствена античастица. Гравитацията е своята собствена антиматерия или с други думи — гравитацията и антигравитацията са едно и също нещо. Вследствие на това антиматерията трябва да пада надолу под влияние на гравитацията, а не да се издига нагоре. (Това е всеобщо разпространено убеждение сред физиците, но в действителност никога не е било демонстрирано в лабораторни условия.)

Теорията на Дирак дава отговор и на фундаменталните въпроси защо природата допуска съществуването на антиматерия и означава ли това, че съществуват антивселени.

В някои научнофантастични саги главният герой открива нова земеподобна планета в открития космос. Всъщност новата планета изглежда еднаква със Земята във всички отношения, като изключим това, че всичко е изградено от антиматерия. На тази планета откриваме антиматерийни двойки с антидеца, които живеят в антиградове. Тъй като законите на антихимията са същите като законите на химията, като изключим факта, че зарядите са обърнати, хората, които живеят в такъв свят, никога няма да узнаят, че са изградени от антиматерия. (Физиците могат да нарекат това вселена с обърнат заряд или З-вселена, тъй като зарядите са обърнати, но всичко друго си остава същото.)

В други научнофантастични разкази учени откриват близначка на Земята в открития космос, като изключим факта, че това е Огледална вселена, където всичко е обърнато от ляво на дясно. Сърцето на всички хора се намира отдясно и повечето хора са левичари. През целия си живот те така и не узнават, че живеят в Огледална вселена, която е обърната от ляво на дясно. (Физиците наричат подобна Огледална вселена, вселена с обърнати съответствия или С-вселена.)

Възможно ли е наистина да съществуват такива антиматерийни вселени и вселени с обърнати съответствия? Физиците се отнасят много сериозно към въпроса за вселените близначки, тъй като уравненията на Нютон и Айнщайн остават едни и същи, когато просто променим зарядите на всички наши субатомни частици или обърнем ориентацията от ляво на дясно. Вследствие на това З-обърнатите и С-обърнатите вселени по принцип са възможни.

Нобеловият лауреат Ричард Файнман поставя за разглеждане интересен въпрос за тези вселени. Да предположим, че един ден осъществим радиоконтакт с извънземни на далечна планета, но без да ги виждаме. Можем ли да им обясним разликата между „ляво“ и „дясно“ по радиото, попитал той. Ако законите на физиката позволяват съществуването на С-вселени, то тогава би трябвало да е невъзможно да бъдат предадени тези представи.

Той разсъждава така. Някои неща се споделят лесно по комуникативен път, неща като формата на нашите тела и броя на нашите пръсти, ръце и крака. Можем да обясним на извънземните дори законите на химията и биологията. Но ако се опитаме да им обясним понятията „ляво“ и „дясно“ (или „по посока на часовниковата стрелка“ и „обратно на часовниковата стрелка“), ще се проваляме всеки път когато опитваме да сторим това. Никога няма да бъдем в състояние да им обясним, че сърцето ни се намира от лявата страна на нашето тяло, няма да можем и да им обясним неща като това, в коя посока се върти Земята или начина, по който една ДНК молекула се движи спираловидно.

Затова светът на учените изпада в шок, когато С. Н. Йанг и Т. Д. Лий — двама учени, които работели по онова време в Колумбийския университет, опровергават тази високо ценена теорема. След като проучили естеството на субатомните частици, те показали, че Огледалната вселена или С-вселената не може да съществува. Един физик, който научил за този революционен резултат, казал: „Бог сигурно е допуснал грешка.“ Заради този потресаващ резултат, наречен „преобръщане на съответствията“, Йанг и Лий получиха Нобеловата награда за физика през 1957 година.

Според Файнман това заключение означава, че ако говорите на извънземни по радиото, е възможно да устроите експеримент, който може да ви даде възможност да им кажете, и то само по радиото, в какво се състои разликата между левичарските и десничарските вселени. (Например електроните, излъчвани от радиоактивния кобалт–60, не се въртят в еднакъв брой по посока на часовниковата стрелка или обратно на нея, а в действителност се въртят в предпочитаната от тях посока, като по този начин нарушават съответствието.)

Тогава Файнман си представил, че накрая се провежда историческа среща между извънземните и хората. Казваме на извънземните да протегнат дясната си ръка, когато се срещнем за първи път, и си стискаме ръцете. Ако извънземните наистина протегнат дясната си ръка, ще знаем, че сме им предали успешно представата за „ляво-дясно“ и „по посока на часовниковата стрелка и обратно на нея“.

Но след това Файнман бил обзет от една обезпокоителна мисъл. Какво ще се случи, ако вместо това извънземните протегнат лявата си ръка? Това ще означава, че сме направили фатална грешка, че не сме успели да предадем представата за „ляво“ и „дясно“. Още по-лошо — това ще означава, че извънземният в действителност е изграден от антиматерия и че той е извършил всички експерименти отзад напред и вследствие на това е смесил „ляво“ и „дясно“. Това ще означава, че ако си стиснем ръцете, ще избухнем!

Така учените разбираха нещата до 60-те години на XX век. Беше невъзможно да кажем в какво се състои разликата между нашата вселена и една вселена, в която всичко е изградено от антиматерия и е с обърнато съответствие. Ако се опитате да промените и съответствието, и заряда, Вселената, която ще се получи в резултат на това, ще се подчинява на законите на физиката. Съответствието само по себе си е обърнато, но зарядът и съответствието все още представляват една добра симетрия на Вселената. Затова една ЗС-обърната вселена все още е възможна.

Това означава, че ако говорите на извънземните по телефона, няма да можете да им кажете в какво се състои разликата между една обикновена вселена и една вселена, която е обърната и по отношение на съответствието, и на заряда (т.е. лявото и дясното са разменени, а материята е превърната в антиматерия).

След това през 1964 г. физиците изпаднаха във втори шок. Оказа се, че ЗС-обърнатата вселена не може да съществува. Чрез анализа на свойствата на субатомните частици все още е възможно да се каже в какво се състои разликата между ляво и дясно, между понятия като „по посока на часовниковата стрелка“ и „обратно на часовниковата стрелка“, ако говорите по радиото с друга ЗС-обърната вселена. За този резултат Джеймс Кронин и Вал Фитч спечелиха Нобелова награда през 1980 година.

(Въпреки че много физици бяха обезпокоени, когато бе показано, че ЗС-обърнатата вселена е несъвместима със законите на физиката, постфактум откритието се оказа нещо хубаво, както посочихме по-рано. Ако ЗС-обърнатата вселена беше възможна, то тогава първоначалният Голям взрив е щял да включва напълно еднакво количество материя и антиматерия и вследствие на това щеше да протече 100-процентова анихилация, а съществуването на нашите атоми нямаше да бъде възможно! Фактът, че съществуваме в качеството си на остатък от анихилацията на нееднаквите количества материя и антиматерия, е доказателство за ЗС-нарушение.)

Възможно ли е да съществуват някакви антивселени? Отговорът е положителен. Дори ако вселените с обърнато съответствие и обърнат заряд не са възможни, все още е възможно да съществува антивселена, но тя би била странна. Ако обърнем зарядите, съответствието и хода на времето, получилата се в резултат на това вселена ще се подчинява на законите на физиката. Допуска се съществуването на ЗСВ-обърната вселена (вселена с обърнато съответствие, заряд и време).

Обръщането на хода на времето е странна симетрия. В една В-обърната вселена изпържените яйца изскачат от чинията, връщат се върху тигана и след това със скок се превръщат отново в яйца, чиито пукнатини се затварят. Труповете възкръсват, стават по-млади, превръщат се в бебета и след това скачат в утробата на майка си.

Здравият разум ни подсказва, че В-обърнатата вселена не е възможна. Но математическите уравнения на субатомните частици ни казват нещо друго. Нютоновите закони действат еднакво добре и назад, и напред. Представете си, че правите видеозапис на игра на билярд. Всяко сблъскване на топките се подчинява на Нютоновите закони на движението. Пускането на такъв видеозапис ще спомогне за провеждането на една странна игра, но това се допуска от законите на Нютон.

В квантовата теория положението е по-сложно. Обръщането на хода на времето само по себе си нарушава законите на квантовата механика, но се допуска съществуването на цялостна ЗСВ-обърната вселена. Това означава, че вселена, в която лявото и дясното са обърнати, материята се превръща в антиматерия, а времето тече назад, е напълно приемлива вселена, която се подчинява на законите на физиката!

(По ирония на съдбата не можем да комуникираме с такъв ЗСВ-обърнат свят. Ако времето тече назад на тяхната планета, това означава, че всичко, което ще им кажем по радиото, ще бъде част от тяхното бъдеще, затова те ще забравят всичко, което сме им казали веднага щом им го кажем. Затова, макар че съществуването на ЗСВ-обърната вселена се допуска от законите на физиката, не можем да разговаряме по радиото с нито един ЗСВ-обърнат извънземен.)

Като обобщение можем да кажем, че антиматерийните двигатели могат да ни предоставят реална възможност да захраним с гориво един междузвезден кораб в далечното бъдеще, ако на Земята бъде създадена достатъчно антиматерия или бъде намерена такава в открития космос. Има известна липса на равновесие между материята и антиматерията заради ЗС-нарушението, а това на свой ред означава, че джобове от антиматерия все още съществуват и могат да бъдат усвоени.

Но заради техническите трудности, пред които са изправени антиматерийните двигатели, може да ни потрябва един век или още повече време, за да развием тази технология, което я причислява към Клас I на невъзможните неща.

Но нека да поразсъждаваме върху един друг въпрос: След хиляди години ще бъдат ли възможни междузвездните кораби, по-бързи от светлината? Има ли пробойни в прочутия афоризъм на Айнщайн, че „нищо не може да се движи по-бързо от светлината“? Изненадващо, но отговорът е положителен.

Бележки

[1] NASA, http://science.nasa.gov, April 12, 1999.

[2] От 2009 г. тази длъжност се заема от Майкъл Грийн. — Б.пр.

[3] Cole, с. 225.