Физика невозможного - Митио Каку

Но физики не выносят отрицательной энергии. В физике существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря). А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, то перспектива появления отрицательной энергии чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак изобрел концепцию «моря Дирака». Он предположил, что все состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому электрон никак не может туда провалиться. Следовательно, Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гамма-квант превращается в электрон, а в море Дирака возникает дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.

Всего через несколько лет после этого поразительного предсказания Карл Андерсон действительно обнаружил антиэлектрон, и в 1933 г. Дирак получил за свое предсказание Нобелевскую премию.

Другими словами, антивещество существует потому, что уравнение Дирака имеет два варианта решений — одно для вещества, другое для антивещества. (А это, в свою очередь, есть следствие специальной теории относительности.)

Уравнение Дирака предсказывает не только существование антивещества; оно предсказывает также существование у электрона «спина». Элементарные частицы могут вращаться подобно волчку. Спин электрона, к примеру, очень важен для понимания поведения электронов в транзисторах и полупроводниках, которые составляют основу современной электроники.

Стивен Хокинг сожалеет, что Дирак не запатентовал свое уравнение. Он пишет: «Дирак сделал бы состояние, если бы запатентовал уравнение Дирака. Он получал бы авторский процент с каждого телевизора, плеера, видеоигры или компьютера».

Сегодня знаменитое уравнение Дирака выбито на камне Вестминстерского аббатства, недалеко от могилы Исаака Ньютона. Это, пожалуй, единственное уравнение в мире, удостоенное такой исключительной чести.

Пытаясь понять, как именно Дирак пришел к своему революционному уравнению и концепции антивещества, историки науки часто сравнивают его с Ньютоном. Интересно, что у Ньютона и Дирака действительно имеется немало сходных черт. Оба они работали в Кембриджском университете и свое главное открытие совершили в 20 лет с небольшим; оба прекрасно владели математикой. Кроме того, у них была еще одна общая черта: полное, доходящее до патологии, отсутствие социальных навыков. Оба славились своей неспособностью поддерживать светскую беседу и вообще вести себя в обществе. Дирак был болезненно застенчив; он никогда ничего не говорил, пока его прямо не спрашивали, да и на вопросы отвечал только «да», «нет» или «не знаю».

Мало того, Дирак был чрезвычайно скромен и ненавидел всяческую публичность. Когда ему дали Нобелевскую премию по физике, он всерьез думал, не отказаться ли — только из-за неизбежной известности и связанного с этим беспокойства. Но, когда ему указали, что отказ от Нобелевской премии принесет ему еще большую известность, он решил принять награду.

Об эксцентричности Ньютона написано немало трудов; гипотезы выдвигались самые разные: от отравления парами ртути до душевной болезни. Но недавно кембриджский психолог Саймон Бэрон-Коэн выдвинул новую теорию, которая могла бы объяснить странности одновременно и Дирака, и Ньютона.

Бэрон-Коэн утверждает, что оба они, вероятно, страдали от синдрома Аспергера, схожего с аутизмом — этой болезнью страдал гениальный безумец в фильме «Человек дождя». Люди, страдающие синдромом Аспергера, чрезвычайно замкнуты, не умеют держать себя в обществе и иногда обладают выдающимися математическими способностями; в отличие от больных аутизмом, они все же способны жить и работать среди людей. Если эта теория верна, то чудесные вычислительные способности Ньютона и Дирака, возможно, дорого им достались, ведь они прочно отгородили обоих от остального человечества.

Теория Дирака помогает получить ответы на множество вопросов. Что выступает в роли гравитации в мире антивещества? Существуют ли антивселенные?

Как мы уже обсуждали, античастицы имеют противоположный заряд по отношению к обычным частицам. При этом можно сказать, что частицы, не обладающие зарядом вовсе (такие, как фотон, частица света, или гравитон, частица гравитации), могут служить античастицами самим себе. Следовательно, что гравитация — сама себе антиматерия; другими словами, гравитация и антигравитация — одно и то же. Поэтому антивещество под действием гравитации будет, как и вещество, падать вниз, а не вверх. (Здесь все физики едины во мнении, но в лаборатории этот факт никогда не проверялся.)

Теория Дирака отвечает и на более глубинные вопросы. Почему природа допускает существование антивещества? Следует ли из этого существование антивселенных?

В некоторых научно-фантастических произведениях герой обнаруживает в космосе землеподобную планету. Мало того, новая планета оказывается во всем подобной Земле, за исключением того, что состоит из антивещества. У каждого из нас на этой планете есть двойник; антилюди со своими антидетьми живут в тамошних антигородах. Поскольку законы антихимии полностью соответствуют законам химии, не считая противоположности всех зарядов, люди этого мира не в состоянии понять, что состоят из антивещества. (Физики называют такую вселенную вселенной с обратным зарядом, поскольку все заряды в ней имеют обратный знак, а все остальное точно такое же, как у нас.)

В других научно-фантастических сюжетах ученые открывают в открытом космосе планету-близнец Земли, только зеркальную; лево и право там полностью поменялись местами. Сердца у людей расположены справа, а левшей значительно больше, чем правшей. Тамошние жители проживают свой век, не подозревая, что живут в зеркально перевернутой вселенной. (Физики называют такую вселенную зеркальной, или вселенной с обратной четностью.)

Могут ли вдействительности существовать зеркальные вселенные или вселенные из антивещества? Вообще, физики очень серьезно относятся к вопросу о вселенных-двойниках, ведь уравнения Ньютона и Эйнштейна останутся теми же, если просто поменять знак заряда у всех элементарных частиц или поменять местами лево и право. Исходя из этого, и зеркальные вселенные, и вселенные из антивещества в принципе возможны.

Нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал в отношении этих вселенных интересный вопрос. Предположим, когда-нибудь мы сумеем связаться по радио с обитателями далекой планеты; видеть их мы при этом не будем. «Сможем ли мы объяснить им по радио разницу между понятиями „лево“ и „право“?» — спрашивал Фейнман. Если законы физики разрешают существование зеркальной вселенной, то донести до наших радиособеседников эти концепции окажется невозможно.

Он рассуждал следующим образом. Некоторые вещи объяснить легко — это относится, например, к форме нашего тела, количеству у нас пальцев, ног и рук. Мы сможем даже объяснить инопланетянам законы химии и биологии. Но стоит нам попытаться объяснить им понятия «лево» и «право» (или «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки»), у нас ничего не получится. Мы никогда не сможем объяснить, что сердце у нас находится слева, в каком направлении вращается Земля или закручивается спираль молекулы ДНК.

Ученые испытали настоящее потрясение, когда Ч. Янг и Ц. Ли, работавшие в то время в Колумбийском университете, доказали, что эта замечательная теорема неверна. Исследовав природу элементарных частиц, они сумели показать, что зеркальная вселенная существовать не может. Узнав об этом революционном результате, один физик сказал: «Господь, должно быть, сделал ошибку». За этот результат, потрясший основы физики и получивший название «несоблюдение четности», Янг и Ли получили в 1957 г. Нобелевскую премию по физике.

Для Фейнмана этот результат означал, что если наладить радиосвязь с инопланетянами, то можно договориться о некоем эксперименте, который позволил бы определить друг для друга разницу между правой и левой вселенными. (К примеру, радиоактивный кобальт-60 излучает электроны с правым и левым спином не в равных количествах; одно из направлений вращения является предпочтительным, и четность, таким образом, нарушается.)