Антиветер в нанопарусах

Ускоритель элементарных частиц — это не игрушка для физиков, а мощное средство исследования просторов космоса и борьбы с онкологическими заболеваниями

Солнечный парус, разработанный калифорнийской фирмой L'Garde Inc. по заказу NASA. Фото: NASA/MSFC

Главная сложность популяризации современной физики в том, что большинство решаемых ею задач носят чрезвычайно абстрактный характер. В то же время этой науке постоянно требуются финансовые вливания — хотя бы для строительства новых ускорителей — и налогоплательщики вправе рассчитывать, что им объяснят, чем же эти ускорители будут обществу полезны. По этой причине и самим физикам, и научным журналистам приходится постоянно оповещать о ее достижениях, подыскивая для своих рассказов яркие образы и понятные аналогии. Хорошим поводом для упоминания о достижениях современной физики служат, в частности, сообщения об исследованиях космоса. Так, от свойств черных дыр вполне естественно перейти к рассказу о том, какие возможности для исследователей открывает Большой адронный коллайдер (LHC), и о перспективах зарегистрировать рождение черных мини-дыр в грядущих экспериментах на этом самом большом в мире ускорителе. 

Не менее хорошим поводом обсудить возможности современной физики стало недавнее открытие двух планет, вращающихся вокруг красного карлика Глизе (Gliese) — звезды, удаленной от Солнечной системы на два десятка световых лет. Некоторые эксперты считают, что на этих планетах может существовать жизнь и, судя по всему, Европейское космическое агентство (ESA) и Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA) вскоре внесут эти планеты в список объектов исследования для будущих космических экспедиций. В этой ситуации предметом активного обсуждения становятся возможные способы достижения планетной системы звезды Глизе — именно им журнал New Scientist посвятил в 2007 году отдельную статью в специальном выпуске в честь 50-летия космической эры.

Расстояние в 20 световых лет превышает расстояние от Земли до Солнца в миллион раз. Преодолимо ли оно? Обычные ракеты на химическом топливе для этой цели, безусловно, не подходят. «Вояджер-1», наиболее «быстрый» из находящихся в космосе космических аппаратов, покидает в настоящее время границы Солнечной системы со скоростью всего лишь 17 км/с. Передвигаясь с такой скоростью, мы долетим до звезды Глизе через 350 000 лет.

Ракеты, использующие энергию ядерного деления, сократили бы время в пути в десять раз, но и полет продолжительностью в 30 000 лет бессмысленно обсуждать всерьез. 

Менеджер Маршалловского центра космических полетов в Хантсвилле (Marshall Space Flight Center) рассматривает прямоугольный образец жесткого ультралегкого материала из углеродных волокон. Свойства этого материала позволяют использовать его для изготовления солнечного паруса космического корабля. Например такого, какой художник изобразил на правой стороне фотографии. Фото: NASA/MSFC

Весьма соблазнительна идея использовать для передвижения в космосе парус, улавливающий фотоны от Солнца. Идея это не нова: ещё в 1924 году Константин Циолковский (1857–1935) и независимо от него Фридрих Цандер (1887–1933) предложили использовать большое зеркало с тем, чтобы отражающийся от него солнечный свет сообщал движение кораблю. При этом масса корабля, с неизбежностью теряющаяся при любом реактивном движении, может оставаться постоянной. 

Ускорение космического корабля, движимого подобным парусом, будет небольшим, однако практически неизменным во времени. Инженеры из американской компании Pioneer Astronautics считают, что вполне реально изготовить парус, который «разгонит» космический аппарат до скорости в три тысячи километров в секунду. Главная проблема в изготовлении такого паруса — в необычном сочетании свойств: он должен быть достаточно прочен и необыкновенно легок. Так, расчеты дают для верхней границы поверхностной плотности 20 г/м² (это плотность папиросной бумаги) для полетов внутри Солнечной системы и всего 0,1 г/м² — для межзвездных полетов. Только в последнее время — благодаря появлению нанотехнологий — стало возможно получать материалы с такими свойствами, и у проекта космического парусника появились реальные перспективы. Низкой плотностью при необыкновенной прочности обладают, например, углеродные нанотрубки.

Устройство паруса, например, могло бы быть таким: ткань, сплетенная из углеродных нанотрубок, с металлическим покрытием. У такого паруса есть ещё одно важное преимущество — он мог бы приближаться к Солнцу без риска расплавиться. Президент Pioneer Astronautic Роберт Зубрин (Robert Zubrin) считает, однако, что технологии практического изготовления такой ткани будут созданы не ранее чем через три десятилетия.

Аннигиляция антипротона на протоне может проходить множеством способов. Например так, как показано на этом снимке, сделанном на пузырьковой камере в ЦЕРНе: исчезновение двух тяжелых частиц дает жизнь трем легким — отрицательно заряженному К--мезону, незаряженному К0-мезону и положительно заряженному пиону. Фото: © CERN

Космический парусник не нуждается в топливе. Именно в этом его главное преимущество. Но есть способы передвижения в межзвездном пространстве, при которых топливо хотя и необходимо, но его потребляемое количество крайне незначительно. В идеальном случае вся его масса должна превращаться в энергию движения космического корабля. Иначе говоря, в его двигателях должна происходить аннигиляция топлива. На сегодняшний день известен только один подобный процесс — это реакция соединения вещества и антивещества. При этом на единицу массы выделяется в 1000 раз больше энергии, чем при делении ядер, и в 100 раз больше, чем при ядерном синтезе. Условия для такой реакции можно создать только в лаборатории элементарных частиц при каком-либо ускорителе. Проще всего их создать для аннигиляции электрона и позитрона; тогда частица (электрон) и античастица (позитрон) исчезают, а вместо них рождаются два гамма-кванта. Количество выделившейся энергии можно оценить по известной формуле Эйнштейна E = mc².

Теоретически существование античастиц предсказал в 1928 году британский физик Поль Дирак (Paul Adrien Maurice Dirac, 1902–1984). Но даже он не предполагал, что экспериментаторы так быстро их обнаружат. Уже в 1931 году Карл Андерсон (Carl David Anderson, 1905–1991), сотрудник лаборатории Милликена в Калифорнийском технологическом институте (California Institute of Technology), изучая в сильном магнитном поле треки частиц космических лучей, обнаружил следы неизвестной положительно заряженной частицы. Дополнительные исследования позволили установить, что неизвестная частица во всем, кроме заряда, идентична электрону, то есть является его античастицей. Так Андерсон, сам того не ожидая, нашел экспериментальное подтверждение гипотезы Дирака.

Существенно сложнее оказалось получить античастицу искусственным путем. Это стало возможным только после появления достаточно мощных ускорителей элементарных частиц. Именно в ходе экспериментов на ускорителе Чемберлен (Owen Chamberlain, 1920–2006) и Сегре (Emilio Gino Segrè, 1905–1989) получили в 1955 году первый антипротон. Вполне естественно, что добытое с такими трудами антивещество нужно было как-то сохранить. В результате физики научились удерживать античастицы с помощью специальных ловушек, используя для этого сложные геометрические конфигурации электрических и магнитных полей. Изучение антивещества не оставил без внимания Нобелевский комитет: и Дирак, и Андерсон, и Чемберлен с Сегре в разные годы были удостоены самой престижной в мире научной награды.

Что же касается двигателя, использующего энергию аннигиляции, то его возможная конструкция была весьма подробно исследована в США в рамках известной программы стратегической оборонной инициативы (СОИ). Атомы антивещества хранятся в электромагнитной ловушке и посредством магнитного поля подаются в специальную камеру. Там антивещество вступает во взаимодействие с обычным веществом, вследствие чего возникает поток гамма-квантов, которые можно использовать как минимум тремя разными способами.

Во-первых, образующиеся фотоны переносят достаточно большой импульс, чтобы их использовать непосредственно для разгона космического корабля. Их можно, например, направлять на тот же самый парус, который использует фотонная ракета. Если в камере аннигилируют протоны и антипротоны, то кроме фотонов там образуется большое количество всяких относительно тяжелых заряженных частиц, — например, мезонов, — их удобнее использовать для разгона корабля, направляя их движение магнитным полем. 

Во-вторых, гамма-кванты могут использоваться для разогрева «рабочей жидкости» — например, водорода, быстро расширяющегося и создающего в конечном счете реактивную струю. Для многолетнего полета водорода требуется слишком много, и его можно сэкономить в двигателе третьего типа — в нем разогретый водород не покидает пределов корабля, а многократно используется для производства электроэнергии. Вариантов получения тяги с её помощью тоже немало, и мы не будем их сейчас рассматривать. В любом случае такой двигатель, использующий энергию антивещества, оказывается весьма эффективным: по расчетам экспертов NASA, корабль массой в 100 т он способен разогнать до скорости в 100 000 км/с, и тогда для полета к планетной системе звезды Глизе потребуется всего 60 лет (а на Земле пройдет около 65 лет). Только на столь продолжительный полет требуется изрядное количество антивещества. Где его взять?

Ловушка для антипротонов по виду и по конструкции напоминает ускоритель — вроде того, в котором эти антипротоны производятся. Только здесь частицы не разгоняются, а замедляются почти в 30 раз. Отсюда же магнитным полем пучок отводится для экспериментов.Фото: Laurent Guiraud / © CERN

Проще всего было бы обратиться за консультациями к профессору Леонардо Ветра из ЦЕРНа, сумевшему не только получить 500 нг антивещества, но и сохранить их — втайне от директора ЦЕРНа — в контейнере специальной конструкции. Профессора Ветру, а вместе с ним и определение антивещества как «жидкой плазмы, состоящей из миллионов позитронов», придумал писатель Дэн Браун. Согласно сюжету романа «Ангелы и Демоны», контейнер с антивеществом был похищен у профессора членами секты иллюминатов. Профессор был убит, контейнер же иллюминаты заложили под собор Святого Петра — как месть католической церкви за многолетние гонения на науку.

Современной физике далеко до возможностей профессора Ветры; в настоящее время антивещество, «добытое» при помощи ускорителей, обходится приблизительно в 60 тысяч долларов за один нанограмм. И самое большее, на что мы можем рассчитывать, — это на получение 39 нг антивещества к 2020 году. Накапливая антивещество с такой скоростью, мы будем располагать первым граммом через миллиард лет.

Впрочем, есть варианты. Известно, что антивещество образуется в межзвездном пространстве естественным путем при взаимодействии космического излучения высокой энергии с межзвездными газовыми облаками. Джеймс Бикфорд (James Bickford), физик из лаборатории Дрейпера (Draper Laboratory), оценил интенсивность этого процесса; по его подсчетам, за один только час в нашу Солнечную систему поступает примерно 3,6 т антивещества. Античастицы рождаются и в более близкой к нам области пространства, когда космическое излучение взаимодействует с атмосферой Земли либо с атмосферами газовых гигантов Юпитера и Сатурна. Двигаясь в магнитных полях этих планет, заряженные частицы антивещества формируют радиационные пояса, подобные окружающим Землю радиационным поясам. 

Предположим, что в нашем распоряжении имеется космический корабль с мощным источником магнитного поля на борту и что этот корабль движется по орбите вокруг Юпитера. Магнитное поле корабля будет «захватывать» встречающиеся на его пути антипротоны. Проблема, однако, состоит в том, что изготовление столь мощных электромагнитов явно находится за пределами наших сегодняшних возможностей. Впрочем, даже если бы мы и могли их изготовить, то, к примеру, на околоземной орбите нам удалось бы таким образом накопить за год всего несколько нанограмм антипротонов. Более эффективным процесс сбора антивещества был бы в окрестностях Сатурна, но даже там за год удалось бы собрать не более трети миллиграмма антивещества в течение года. В итоге же на получение одного грамма антивещества ушло бы несколько тысяч лет, что уже, конечно, лучше, но все равно мало обнадеживает. 

Антипротонный клеточный эксперимент — один из многих, что проводятся на антипротонном замедлителе AD (Antiproton Decelerator). Участник эксперимента Михаэль Хольцшайтер показывает, как антипротоны могут уничтожать раковые клетки, не повреждая соседей. Фото: Maximilien Brice; Carolyn Lee / © CERN

Итак, возможности современной физики не позволяют обсуждать двигатели на антивеществе даже в качестве отдаленной перспективы космических исследований. В то же время эксперты — а вместе с ними и научные журналисты — продолжают внимательно следить за происходящим в физических лабораториях. Они помнят, насколько неожиданными для современников были некоторые открытия в истории науки ХХ столетия. Помнят они и о том, какими в некоторых случаях были последствия этих открытий — не только для физики, но и для всего человечества.

Борис Булюбаш, 31.03.2008

Новости партнёров