В поисках мирового антипространства

Один из крупнейших физиков ХХ столетия Эмилио Джино Сегре очень много занимался проблемой соотношения вещества и антивещества во Вселенной.
Источник: nuclphys.sinp.msu.ru

Уже много времени минуло с тех пор, как естествоиспытатели придумали «эфир» как «мировую среду», наполняющую все пустое пространство. Вот какое определение давали эфиру словари конца позапрошлого столетия: «┘некая упругая невесомая жидкость, заполняющая мировое пространство, проникающая во все тела, являющаяся причиной света, тепла и электричества». Лишь немногие полагали, что эфир должен иметь материальную природу и определенную весомость.

Шепот эфира

Время постепенно трансформировало понятие эфира. Последовали научные открытия, одно другого неожиданнее, и вопрос о сути мирового пространства принял иные очертания. Например, возникла проблема: раз во Вселенной известны области, построенные из вещества, заряженного положительно, то нет ли в ней областей, в которых одна часть заряжена положительно, а другая отрицательно?

Главным методом познания мирового пространства в начале ХХ столетия стало изучение так называемых космических лучей.

После открытия радиоактивности стало ясно, что достаточно распространенные радиоактивные источники создают естественный фон. Считалось, что по мере удаления от земной поверхности он должен ослабевать. Поначалу это находило подтверждение, но в 1911 году Виктор Гесс, поднявшись на воздушном шаре, установил, что с высоты примерно 600 м фон начинает довольно резко возрастать. В результате точных измерений он пришел к выводу, что в земную атмосферу извне проникает мощная радиация.

В следующем году Роберт Милликен (кстати, он первым определил точный заряд электрона) окончательно доказал неземное происхождение радиации и дал ей навсегда закрепившееся название «космические лучи». Они обладают большой проникающей силой. Благодаря им, ученые сделали много замечательных открытий.

В 1928 году Поль Дирак, исходя из квантово-механических представлений, построил релятивистскую теорию электрона. Карл Андерсон в 1932 году открыл частицу с массой электрона, но с положительным зарядом. Выяснилось, что при столкновении ее с обычным электроном происходят аннигиляция (исчезновение частиц) и возникновение гамма-квантов.

Андерсоновская частица получила название позитрон. Как частица с высокой энергией, она заметно повысила возможности в изучении строения вещества. Из открытия позитронов следовал другой важный вывод: наряду с веществом во Вселенной должно существовать и антивещество, состоящее из частиц с противоположным зарядом.

Нельзя оставить без внимания работы Ирэн и Фредерика Жолио Кюри. Исследуя действия ускоренных альфа-частиц на легкие элементы – бор, магний и алюминий, в одном из опытов они зафиксировали редкое явление: вылет позитронов. В начале января 1934 года они обнаружили, что после удаления источника альфа-частиц испускание позитронов продолжается. Химический анализ показал, что в итоге образуются новые изотопы, которые по большей части радиоактивны. Таким образом, был найден способ получения радиоактивных изотопов у стабильных элементов. Это явление получило название искусственной радиоактивности.

Так представлял себе эфир Декарт – мировое пространство, заполненное вихрями тонкой материи. Источник: Льоцци Марио, История физики, М., 1970

«Искусственный» и «Неустойчивый»

К наиболее колоритной фигуре ученого, который отчетливее других коснулся проблемы вещества–антивещества во Вселенной, можно отнести Эмилио Джино Сегре (род. 1905) – одного из крупнейших физиков ХХ столетия.

Он много лет работал в Калифорнийском университете в Беркли и в конце 30–40-х годов познакомился с Гленном Теодором Сиборгом (род. 1912). Темы их исследований существенно различались. Сиборг в 1951 году, так же как Макмиллан, был удостоен Нобелевской премии «за открытие в области химии трансурановых элементов». Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен в 1959 году стали нобелевскими лауреатами «за открытие антипротона». Нет никакого сомнения, что второе событие несравненно важнее и весомее первого, тем более что спустя некоторое время был открыт и антинейтрон. Образно говоря, еще более отчетливо стали проглядываться контуры Антимиров.

До переезда в Беркли Сегре, профессор из Палермо, некоторое время работал в Римском университете в группе Энрико Ферми, которая в 1935 году обнаружила эффект замедления нейтронов при столкновении с ядрами атомов легких элементов. Спустя непродолжительное время медленные нейтроны сыграли существенную роль в решении проблемы овладения ядерной энергией. Ядра поглощают медленные нейтроны с большей вероятностью, чем быстрые, и тем эффективнее происходит процесс их деления.

В циклотрон Беркли входила деталь, направляющая поток ускоренных частиц на бомбардируемую мишень. Чтобы деталь не расплавилась, ее изготавливали из тугоплавкого молибдена (элемент с порядковым номером 42 в таблице Менделеева). В это время в Беркли исследовали ядерные реакции на дейтронах. У Сегре и мелькнула мысль, что «продуктами» могли бы оказаться изотопы элемента-43, все еще не обнаруженного в природе.

Вернувшись в Палермо, для исследования привезенной из Беркли детали Сегре пригласил химика Карло Перрье. Тому выпала наиболее сложная часть работы: выделение ничтожных концентраций элемента-43 и оценка его химической природы (если таковой действительно образовывался в результате бомбардировки мишени). Следы искомого элемента в конце концов удалось обнаружить. Так Сегре вместе с Перрье вошли в число первооткрывателей элемента-43.

Название для первого синтезированного нового элемента не было предложено (хотя он мог получить имена италий, силиций, палермий, а Сегре принести первый «Нобелевский балл», а затем, кто знает, название сегрений и символ Sg в 43-й клетке таблицы Менделеева). Но только спустя 10 лет, в 1947 году, когда элемент-43 был получен другими исследователями в достаточных количествах и принципиально иными способами, он был наречен технецием, Tс (от греческого слова, означающего «искусственный»).

А так выглядят треки элементарных частиц, проходящих через пузырьковую камеру Вильсона. Аналогия с декартовскими вихрями очень близкая. Источник: pd.infn.it

В 1938 году Сегре снова приходится возвращаться в Беркли. Причиной тому – антисемитские законы, принятые итальянским правительством. В 1940 году его приглашает Сиборг для участия в получении изотопа плутоний-239, основного ядерного горючего. Впоследствии Сегре не раз оказывался участником синтеза нескольких изотопов плутония.

В том же 1940 году Сегре вместе с сотрудниками синтезировали неизвестный самый тяжелый галоген «бомбардировкой висмута-209 альфа-частицами». Название «астат» (первоначально «астатин») элемент обрел лишь в 1947 году: (астат – от греческого слова, означающего «неустойчивый»).

Все – элементарно!

Таким образом, Сегре оказался первым, кому удалось синтезировать элементы, не обнаруженные на Земле, – № 43 и № 85, технеций (Tc) и астат (At). Уже за одно это он был бы достоин Нобелевской премии. Именно так считали его многочисленные доброжелатели.

В середине 50-х годов прошлого века число известных элементарных частиц можно было пересчитать по пальцам. Потом их количество стало стремительно расти. Через десятилетие насчитывалось около 200 элементарных частиц, и конца, казалось, было не видно. Сам термин «элементарная частица» стал ставиться под сомнение.

Возникли идеи о том, что большинство их состоит из своего рода «субчастиц». Например, теоретики полагали, что протон и нейтрон представляют не целостные образования, а комбинации так называемых кварков двух типов, причем кварки имеют дробные заряды: +1/2 и –1/2, что в сумме дает 1 или 0 – величины зарядов протона и нейтрона.

И это было лишь начало новейшей революции в познании строения вещества и его эволюции. Другими словами, на концепцию Антимиров потребуется взглянуть совершенно в ином свете...