Согласно квантовой механике, каждый объект может вести себя и как частица, и как волна. В обычных условиях, вне лабораторных экспериментов, такая двойственность присуща свету. Например, при столкновении с солнечными батареями он ведет себя как поток частиц, выбивая электроны из атомов и проявляя тем самым фотоэффект, а вот дифракция, то есть появление вторичных волн при столкновении с препятствием, — это уже чисто волновой феномен.
В быту вы можете наблюдать дифракцию, подставив поверхность компакт-диска под падающий солнечный свет, а с некоторыми ухищрениями — поместив волос в луч лазерной указки. Края препятствия, вставшего на пути волн, сами становятся источниками вторичных волн, которые, накладываясь друг на друга, дают характерный рисунок на стоящем позади препятствия экране.
Проведенные еще в начале XX столетия опыты с пучком электронов показали, что электроны, как и свет, могут проявлять себя не только в роли частиц, но и в роли волн (это свойство ученые назвали корпускулярно-волновым дуализмом). Впоследствии ученые продемонстрировали волновые свойства других частиц и подтвердили, что теоретически выведенная связь между массой частицы и длиной той волны, которой она соответствует, существует: чем масса больше, тем длина волны меньше. В результате, например, протоны в абсолютном большинстве случаев ведут себя как частицы, а не как волны.
Античастицы имеют ту же массу, что и частицы обычного вещества, но противоположный электрический заряд — например, позитрон, в отличие от электрона, заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Из теоретических соображений следовало, что античастицы тоже будут проявлять корпускулярно-волновой дуализм.
Но на пути к изучению волновых свойств антиматерии (вдруг она почему-то представляет собой исключение из правил?) стоял ряд препятствий. Античастицы появляются в небольшом количестве при радиоактивном распаде некоторых изотопов, а также при взаимодействии обычных частиц очень высоких энергий. Вдобавок они аннигилируют при столкновении с обычной материей, так что даже теоретическая (на практике столько и не получить) стоимость антиматерии составляет триллионы долларов за грамм.
Смотрите также: Роль наблюдателя в квантовой механике. Кирилл Половников рассказывает, что такое корпускулярно-волновой дуализм, состояние частицы и двухщелевой эксперимент
Лишь в 1980 году дифракцию позитронов смогли зафиксировать экспериментально, но самые интересные опыты, с дифракцией на двух щелях, поставить не удавалось вплоть до самого недавнего времени.
Мысленно перейти от потока частиц к набегающим волнам достаточно сложно, но это не самый сложный момент в квантовой механике. Когда частицы падают на экран с двумя близкими щелями, те тоже пролетают через них и оставляют на экране сзади картину, характерную для сложения волн от краев обеих щелей.
Причем, что самое удивительное, результат наблюдается даже тогда, когда частиц очень мало и они летят поодиночке. Опыт с двухщелевой интерференцией ученые проводили неоднократно, и он показал, что объекты не просто ведут себя и как волны, и как частицы. При этом одна частица может интерферировать сама с собой и проходить через две щели одновременно! Этот эксперимент вошел во все учебники, а в новой публикации на страницах Science Advances группа итальянских исследователей (вместе с коллегой из Швейцарии) описала вариант этого же опыта с позитронным пучком.
В качестве источника излучения физики использовали натрий-22. Этот изотоп нестабилен, период его полураспада составляет около 2,6 года. За это время в среднем половина протонов, входящих в ядро атомов натрия-22, превращается в комбинацию из нейтрона, позитрона и нейтрино. Последнее улетает прочь, нейтрон остается в ядре, а позитрон выходит наружу.
В установке ученых электрическое поле подхватывало этот позитрон и направляло его в сторону дифракционных элементов из нитрида кремния. Весь опыт проводили в вакуумной камере, чтобы частицы при столкновении с молекулами воздуха не аннигилировали раньше времени. Для регистрации прошедших через щели позитронов поставили пластинку с фотоэмульсией, которую после окончания эксперимента просканировали под микроскопом в поисках следов от частиц.
Изучение фотопластинок показало (в полном соответствии с теорией) множество точечных следов от попадания отдельных позитронов. Один позитрон оставлял единственный след, но в совокупности распределение этих отметок дало картину, типичную для наложения волн, с отдельными минимумами и максимумами. То, что предсказывали еще отцы-основатели квантовой механики почти сто лет назад, снова подтвердилось на опыте, причем на этот раз с античастицами.
Сами авторы исследования отмечают, что они не хотели только лишь в очередной раз подтвердить основы современной физики. Другой целью было создание чувствительного оборудования для работы с античастицами, особенно сравнительно медленными. Оно позволит провести ряд других фундаментальных экспериментов. Например, ученые смогут проверить то, с какой скоростью падают античастицы и, следовательно, как на них действует гравитация. Теоретически разницы быть не должно, но вдруг? Ряд опытов, призванных прояснить взаимодействие антивещества с гравитацией, пока что дал не самые точные результаты, так что разработка более совершенных методов исследования придется как нельзя кстати.
Экспериментально доказано, что из античастиц можно собрать и отдельные атомы, вплоть до антигелия (с ядром, в котором есть два антипротона), однако хранить антивещество крайне затруднительно. Пока что системы, которые позволяют удерживать и перевозить с места на место хотя бы миллиард антипротонов, находятся лишь в стадии разработки. Гипотетически антивещество могло бы быть эффективным топливом для космических кораблей или суперэффективной взрывчаткой, но на сегодня все это относится к сфере научной фантастики.
В то же время испускающие позитроны радионуклиды уже активно используются на практике. Если такое вещество добавить в глюкозу и ввести в организм, то порождаемые в результате гамма-кванты (излучаемый позитрон быстро аннигилирует и дает пару квантов, летящих в противоположные стороны) позволят очень точно следить за концентрацией глюкозы в разных местах и, следовательно, за уровнем обмена веществ. Этот метод, называемый позитронно-эмиссионной томографией, нашел свое применение в медицине, особенно для диагностики злокачественных опухолей.
Алексей Тимошенко