Теоретическое предсказание существования античастиц

Проверка существования  звезд из антивещества может быть в принципе осуществлена средствами нейтринной астрономии. Образование нейтронных звезд сопровождается превращением электронов и протонов в нейтроны с испусканием электронных нейтрино. В звездах из антивещества соответствующий процесс является источником электронных антинейтрино. Поэтому регистрация потоков космических антинейтрино с временными и энергетическими характеристиками, ожидаемыми для потоков нейтрино, образующихся при гравитационном коллапсе в нейтронную звезду, служило бы указанием на образование антинейтронных звезд. Более точная информация о том, происходила ли аннигиляция антивещества в ранней Вселенной, может быть получена из анализа ее возможного влияния на химический состав вещества, наблюдаемый в наше время. Экспериментальный базис такого анализа составляли проводимые в ЦЕРНе с 1983 эксперименты советских и итальянских ученых по исследованию взаимодействия антипротонов с легкими ядрами.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики  возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней  сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа – очень тонкими высокотемпературными «слоями Лейденфроста». Таким образом, можно говорить о «ячеистой» структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования  антивещества, то теперь успехи рентгеновской  и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн  разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между  веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Становится все более  очевидным, что основная альтернативная ей теория – теория «большого взрыва»  – серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет «симметричная космология».

Выдвигается гипотеза о  том, что звезды (в том числе  Солнце) состоят приблизительно наполовину из вещества и наполовину из антивещества.

Так как невозможно отдать предпочтение ни веществу, ни антивеществу, то по пространству Вселенной они  распределены одинаково. Во Вселенной  основная масса вещества и, по-видимому, антивещества сосредоточена в звездах. Поэтому логично предположить, что звезды состоят приблизительно наполовину из вещества и наполовину из антивещества. Конечно, если бы вещество и антивещество были равномерно размешаны по объему звезды, то произошла бы их быстрая аннигиляция (взрыв) и звезды не было бы. Поэтому логично утверждать, что в звезде вещество и антивещество разделены: в центральной части звезды (ее ядре) находится антивещество (либо вещество), а в наружной ее части (ее оболочке) – вещество (либо антивещество).

На поверхности соприкосновения ядра звезды и ее оболочки происходит аннигиляция вещества и антивещества. Так как эта аннигиляция является поверхностной, а не объемной, то она не имеет взрывного характера. В результате этой аннигиляции возникают фотоны (гамма-кванты) и два их потока в радиальном направлении: один поток фотонов (поток 1) направлен к центру звезды, а второй поток (поток 2) – к поверхности звезды. Противоположные потоки 1 и 2 стремятся разделить вещество и антивещество и тем самым затрудняют возможность их аннигиляции. По-видимому, поток 1 удерживает ядро звезды в шарообразной форме (подобно силам поверхностного натяжения жидкости) и тем самым затрудняет перемешивание и аннигиляцию антивещества ядра с веществом оболочки. Также аннигиляция затруднена тем, что при ней должны одновременно выполняться законы сохранения энергии, импульса, момента импульса.

Источниками энергии, выделяемой в звезде, являются не только термоядерные реакции синтеза легких атомных  ядер (антиатомных антиядер) в оболочке звезды (в ее ядре), но и аннигиляция ядра звезды и ее оболочки на поверхности их соприкосновения. Этим можно было бы объяснить экспериментально установленный факт о том, что количество испускаемых Солнцем нейтрино, возникающих в результате термоядерных реакций, приблизительно в три раза меньше, чем должно быть по теоретическим расчетам [1, с. 759]. Энергия, излучаемая Солнцем, равна сумме следующих трех энергий: энергия 1 выделяется в результате термоядерных реакций в веществе оболочки (при этом испускаются нейтрино), энергия 2 выделяется в результате термоядерных реакций в антивещества ядра Солнца (при этом испускаются антинейтрино), энергия 3 выделяется в результате аннигиляции ядра и оболочки звезды. Если бы не было аннигиляции, то количество испускаемых нейтрино было бы приблизительно в два раза меньше расчетной величины. Но поскольку количество нейтрино не в два, а в три раза меньше, то энергии 1, 2, 3 приблизительно одинаковы по величине и, следовательно, энергия 3 приблизительно равна третьей части всей энергии, излучаемой Солнцем (если не считать энергии, уносимой нейтрино и антинейтрино).

Если бы не было аннигиляции  ядра и оболочки Солнца, то в нем  зависимость температуры от радиуса  была бы монотонно убывающей от центра Солнца, где температура порядка 14 миллионов градусов, до его поверхности (фотосферы), где температура порядка 6 тысяч градусов Цельсия. Но поскольку на поверхности раздела ядра Солнца и его оболочки имеет место аннигиляция, то вблизи этой поверхности в зависимости температуры от радиуса имеется локальный максимум температуры. Поскольку тепловая энергия переходит от мест с большей к местам с меньшей температурой, то от этой поверхности теплота переходит не только в оболочку Солнца, но и в его ядро. В результате этого температура ядра Солнца повышается и повышается солнечная активность, т.к., очевидно, температура ядра Солнца не может повышаться сколько угодно долго. Эта активность достигает максимума с периодичностью приблизительно 11 лет. После этого максимума солнечная активность спадает, температура ядра Солнца уменьшается. Если бы в Солнце не было аннигиляции, то его активность была бы не периодической, а систематической (если эта активность была бы вообще).

При активности Солнца от его ядра отделяется небольшая масса  антивещества, которая в результате аннигиляции с веществом оболочки разогревается и поднимается к поверхности Солнца (подобно пузырькам пара в кипящей жидкости). При этом подъеме и разогреве происходит увеличение объема антивещества, его перемешивание с веществом оболочки, его дробление на мелкие части, а поверхностная аннигиляция переходит в объемную. Скорость объемной аннигиляции намного больше, чем поверхностной и за короткое время выделяется большое количество энергии, т.е. в оболочке Солнца происходит аннигиляционный взрыв. От него появляются жесткие гамма-кванты. В результате взаимодействия с веществом оболочки Солнца и его атмосферы (хотя понятие атмосферы для Солнца, как газового (плазменного) шара, условное) энергия этих гамма-квантов переходит в энергию фотонов с меньшей энергией, в том числе энергию фотонов видимого света. При этом на Земле наблюдается вспышка на поверхности Солнца.

В настоящее время  на многие вопросы, связанные с интерпретацией солнечной активности (вспышек на Солнце, темных пятен на его поверхности), окончательных ответов не получено. Детальной количественной теории вспышек еще нет. Имеются некоторые “модели” по этому вопросу. В частности, имеется “магнитная модель” вспышки, в которой предполагается, что она возникает в результате быстрого превращения магнитной энергии темных пятен в энергию ускоренных частиц. В свете вышеизложенных соображений не исключено, что солнечная активность является следствием наличия в нем антивещества.

БАК: ЗА И ПРОТИВ

Атомы антивещества пока не наблюдались. В экспериментах  на ускорителях были зарегистрированы события образования легких антиядер в столкновениях адронов - класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными.

Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом: мезоны — состоят из одного кварка и одного антикварка, барионы — состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию.

В 1965 группа американских физиков под руководством Л.М. Ледермана (L.М.Lederman) наблюдала события образования  ядер антидейтерия, в 1970 на протонном синхротроне Института физики высоких энергий в Протвино (близ г. Серпухов) группа советских физиков под руководством Ю.Д.Прокошкина зарегистрировала несколько событий образования ядер антигелия-3.

Большой адро́нный колла́йдер  — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований ЦЕРН (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире.

Большим БАК назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны, то есть частицы, состоящие из кварков; коллайдером (англ. collide — сталкиваться) — из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных местах.

Аргументы «против»

По мнению сторонников  катастрофического сценария, существует принципиальная разница между бомбардировкой Земли космическими частицами и  экспериментами на ускорителе. В первом случае сталкиваются прилетающие из космоса ультрарелятивистские (летящие со скоростью, близкой к скорости света) элементарные частицы с элементарными частицами на Земле, скорость которых мала. Образующиеся частицы также являются ультрарелятивистскими и улетают в космическое пространство, не успев причинить Земле никакого вреда. В коллайдере же сталкиваются пучки элементарных частиц, летящие с ультрарелятивистскими скоростями в противоположных направлениях. Образующиеся микроскопические чёрные дыры и другие опасные частицы могут вылетать с любыми скоростями. Некоторые из них будут настолько медленными, что не смогут покинуть Землю.

Общая теория относительности в виде, предложенном Эйнштейном, не допускает возникновения микроскопических чёрных дыр в коллайдере. Однако они будут возникать, если верны теории с дополнительными пространственными измерениями (теория сверхструн). По мнению сторонников катастрофического сценария, хотя такие теории и умозрительны, вероятность того, что они верны, составляет десятки процентов. Излучение Хокинга, приводящее к испарению чёрных дыр, также является гипотетическим — оно никогда не было экспериментально подтверждено. Поэтому есть достаточно большая вероятность того, что оно не действует.

Кроме того, высока вероятность образования страпелек - элементарных частиц, состоящих из «верхних», «нижних» и «странных» кварков, и даже более сложные структуры, аналогичные атомным ядрам, обильно производятся в лабораторных условиях, но распадаются за время порядка 10-9 сек. В случае развития колосальных энергий (10³⁹ МэВ) возможен кварковый распад. Однако такой исход событий имеет вероятность куда ниже, чем образования черной дыры, или образования страпелек.

Аргументы «за»

Ускоритель предназначен для сталкивания таких частиц, как адроны и атомарные ядра. Однако, существуют природные источники  частиц, скорость и энергия которых  значительно выше, чем в коллайдере (активные ядра галактик и т.д.). Такие природные частицы обнаруживают в космических лучах. Поверхность планеты Земля частично защищена от этих лучей, но, проходя через атмосферу, частицы космических лучей сталкиваются с атомами и молекулами воздуха. В результате этих природных столкновений в атмосфере Земли рождается множество стабильных и нестабильных частиц. В результате, на планете уже в течение многих миллионов лет присутствует естественный радиационный фон. То же самое (сталкивание элементарных частиц и атомов) будет происходить и в БАК, однако с меньшими скоростями и энергиями, и в гораздо меньшем количестве.

Если чёрные дыры могут  возникать в ходе столкновения элементарных частиц, они также будут и распадаться  на элементарные частицы, в соответствии с принципом CPT-инвариантности, являющимся одним из самых фундаментальных принципов квантовой механики. CPT-инвариантность - это фундаментальная симметрия физических законов при преобразованиях, включающих одновременную инверсию заряда, чётности и времени.

Далее, если бы гипотеза существования стабильных чёрных микро-дыр  была верна, то они бы образовывались в больших количествах в результате бомбардировки Земли космическими элементарными частицами. Но бо́льшая часть прилетающих из космоса высокоэнергетических элементарных частиц обладают электрическим зарядом, поэтому часть чёрных дыр были бы электрически заряжены. Эти заряженные чёрные дыры захватывались бы магнитным полем Земли и, будь они в самом деле опасны, давно разрушили бы Землю.

К тому же, любые чёрные дыры, заряженные или электрически нейтральные, захватывались бы белыми карликами и нейтронными звёздами (которые, как и Земля, бомбардируются космическим излучением) и разрушали их. В результате время жизни белых карликов и нейтронных звёзд было бы гораздо короче, чем наблюдаемое в действительности. Кроме того, разрушаемые белые карлики и нейтронные звёзды испускали бы дополнительное излучение, которое в действительности не наблюдается.