10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать (11 фото)


Общее понятие о материи и антиматерии

Каждый знает ответ на вопрос о том, что такое материя, то есть это субстанция, которая состоит из молекул и атомов. Сами атомы, в свою очередь, состоят из электронов и ядер, образованных протонами и нейтронами. Понимание вопроса, что такое материя, дает возможность понять, что такое антиматерия. Под ней понимается субстанция, составляющие частицы которой имеют противоположный электрический заряд. В случае пары нейтрон-антинейтрон их заряды равны нулю, но магнитные моменты направлены противоположно.

Протон и антипротон

Основное свойство антиматерии – это ее способность к аннигиляции при встрече с обычной материей. В результате контакта этих субстанций масса исчезает и полностью переводится в энергию. Согласно космической теории, во Вселенной существует равное количество материи и антиматерии, этот факт следует из теоретических рассуждений. Однако эти субстанции разделены между собой огромными расстояниями, поскольку любая их встреча приводит к грандиозным космическим феноменам уничтожения материи.

Антиматерия и антимир

Долгие годы для ученых оставалось загадкой — где во Вселенной находится антиматерия? Задолго до её открытия на страницах фантастических романов уже существовали антимиры с антицивилизациями.

В романе «Ангелы и демоны» (2000г.) американский писатель Дэн Браун очень красочно описал процесс получения антивещества — крайне неустойчивой, капризной и взрывоопасной субстанции.

И вот спустя 10 лет физики получили и удержали в ловушке антиматерию.

Ещё в 2002 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) физики впервые добыли ощутимое количество антивещества — примерно 50 тысяч атомов антиводорода. Добыли, но не наловили. Все полученное антивещество мгновенно самоуничтожалось — аннигилировало, взаимодействуя с нормальным — нашим — веществом.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого учёные охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.

Антиматерия — мощнейший источник энергии, например, для полета на Марс будет достаточно всего 1 миллиграмма антивещества.

Учёные задаются вопросом: если наблюдаемый нами мир кроме материи состоит и из антиматерии, то где эта антиматерия находится и почему не происходит повсеместной аннигиляции?

Создание антиматерии открывает дорогу к изучению антимиров. Если антимир, который, возможно, находится за границей известной нам Вселенной, реален, то можно будет найти доказательства его существования.

Как показал анализ данных, полученных с космического гамма-телескопа «Ферми» — GLAST,

потоки
антивещества способны порождать грозы, происходящие на Земле.
Земные гамма-вспышки возникают одновременно с молниями. Каждые сутки происходит в среднем по 500 вспышек, большая часть которых не фиксируется. Регистрируемые сигналы являются первыми прямыми свидетельствами того, что грозы порождают пучки частиц антиматерии.

Потоки электронов, возникающие при разряде молнии, порождают гамма-излучение, которое, воздействуя на атомы в атмосфере, приводит к образованию пар частица-античастица (электрон-позитрон).

Если есть антиматерия и антимир, параллельный нашему, то в нем есть антипространство и антивремя. Путешествие в прошлое и в будущее из сферы научной фантастики переходит в область научного исследования. Если есть антимир, то и время может двигаться в обратную сторону. Образно говоря, антимир – оборотная сторона ленты Мёбиуса.

Если есть обратное движение времени, то жизнь не кончается смертью, а просто переходит, в антиматериальный мир.

«Возможно, существуют целые антимиры и антилюди, состоящие из античастиц. Однако же, если частица и античастица встретятся, они взаимно уничтожаются.

Так что, если вам доведется встретить свое анти-я, не обменивайтесь с ним рукопожатием! Вы оба исчезнете в ослепительной вспышке света».

(Стивен Хокинг «Кратчайшая история времени»)

История открытия антиматерии

Антиматерия была открыта в 1932 году североамериканским физиком Карлом Андерсеном, который изучал космические лучи и смог обнаружить позитрон (античастица электрона). Благодаря этому открытию он получил Нобелевскую премию в 1936 году. Впоследствии были экспериментально открыты антипротоны. Это произошло в 2006 году благодаря запуску спутника «Памела», миссией которого было изучение частиц, испускаемых Солнцем.

Изображение электрона и позитрона

Впоследствии человечество научилось самостоятельно создавать антиматерию. В результате многих экспериментов было показано, что столкновение материи и антиматерии уничтожает обе субстанции и порождает гамма-лучи. Эти экспериментальные выводы были предсказаны еще Альбертом Эйнштейном.

Физика

Рассмотрим один из способов расхождения двух электронов (рис. 10.3). Один из входящих перескакивает из точки А в точку Х, по дороге испуская фотон. Вроде все как всегда, но в данном случае электрон поворачивает во времени — обратно в точку Y, где поглощает еще один фотон, и направляется в будущее, в котором он может быть обнаружен в точке С.

антиматерия

Рис. 10.3. Антиматерия… или электрон, который движется назад во времени

Эта диаграмма никак не противоречит правилам перехода и рассеяния, потому что электрон испускает и поглощает фотоны в точном соответствии с предписаниями теории. Это может произойти в соответствии с правилами, а стало быть, действительно происходит. Но подобное поведение, судя по всему, нарушает правила здравого смысла, потому что приходится принять тот факт, что электроны движутся назад во времени. Это интересная научная фантастика, но нарушениями причинно-следственных связей Вселенную не построишь. Кроме того, таким образом квантовая теория, кажется, вступает в конфликт со специальной теорией относительности Эйнштейна.

Впрочем, как ни странно, подобные путешествия во времени не запрещены субатомным частицам, как в 1928 году установил Дирак. Мы можем понять, почему все не так невероятно, как кажется, если переистолковать происходящее на рис. 10.3 с точки зрения «движения вперед». Достаточно вести отсчет событий на диаграмме слева направо. Начнем со времени Т = 0, когда существует мир всего из двух электронов, находящихся в точках А и В. Мы продолжаем рассматривать мир из двух электронов до времени T1, когда нижний электрон испускает фотон; между временными точками Т1 и Т2 мир состоит из двух электронов и одного фотона.

Во время Т2 фотон погибает и заменяется электроном (который заканчивает свой путь в точке С) и второй частицей (финиширующей в точке Х). Эту вторую частицу мы не можем назвать электроном, потому что это «электрон, который движется назад во времени».

Вопрос вот в чем: как выглядит электрон, который движется назад во времени, с точки зрения наблюдателя (например, с вашей), двигающегося вперед во времени?

Для ответа на этот вопрос представим, что мы ведем видеосъемку электрона, двигающегося поблизости от какого-то магнита, как показано на рис. 10.4. Если электрон движется не слишком быстро*, он будет совершать обычные круговые движения. Возможность отклонения электронов магнитом — это, как мы уже говорили, основная идея работы не только старомодных телевизоров на катодно-лучевых трубках, но и ускорителей частиц, в том числе Большого адронного коллайдера.

* Это технический момент: важно, чтобы электрон при движении испытывал примерно одинаковую силу магнитного притяжения.

электрон

Рис. 10.4. Электрон, движущийся вокруг магнита

А теперь представьте, что будет, если пустить видеозапись задом наперед. Именно так «электрон, который движется назад во времени» и будет выглядеть с точки зрения наблюдателя, который «движется вперед во времени». Теперь мы видим, как «движущийся назад во времени» электрон вращается в противоположном направлении по мере того, как идет запись. С точки зрения физика видеозапись частицы, движущейся назад во времени, идентична видеозаписи частицы, движущейся вперед во времени, с тем исключением, что эта частица будет нести положительный электрический заряд. Итак, мы получили ответ на свой вопрос: электроны, движущиеся назад во времени, выглядят как «электроны с положительным зарядом».

Таким образом, если электроны действительно совершают путешествия назад во времени, мы можем ожидать, что столкнемся к некими «электронами с положительным зарядом».

Такие частицы действительно существуют и называются «позитронами». Понятие этих частиц ввел в начале 1931 года Дирак, чтобы решить проблему, вставшую при выводе квантово-механического уравнения для электрона: уравнение, судя по всему, предсказывало существование частиц с отрицательной энергией. Позднее Дирак рассказал, о чем думал в этот момент, и признался, в частности, что был твердо уверен в правильности математики:

«Я смирился с тем фактом, что отрицательные энергетические состояния нельзя исключить из математической теории, и решил, что нужно просто найти для них физическое объяснение».

Всего через год Карл Андерсон, который, судя по всему, не был знаком с предсказаниями Дирака, заметил некоторые странности в работе своего экспериментального аппарата по наблюдению частиц из состава космического излучения. Он сделал следующий вывод:

«Кажется необходимым призвать на помощь положительно заряженную частицу, масса которой сопоставима с массой электрона».

Это еще один образец всей мощи математических рассуждений. Чтобы объяснить математическое уравнение, Дирак ввел идею новой частицы — позитрона, и уже через несколько месяцев было обнаружено, что эта частица порождается в столкновениях частиц космического излучения.

Позитрон — наша первая встреча с краеугольным камнем научной фантастики: антиматерией.

Вооружившись интерпретацией путешествующих во времени электронов как позитронов, мы можем закончить работу по объяснению рис. 10.3. Нужно сказать, что, когда фотон достигает точки Y во время T2, он распадается на электрон и позитрон. Каждая из этих частиц движется вперед до времени T3, когда позитрон из точки Y достигает точки X, где сливается с исходным верхним электроном и производит второй фотон. Этот фотон распространяется до времени T4, когда он поглощается нижним электроном.

Может показаться, что все это несколько притянуто за уши: античастицы появились из нашей теории, потому что мы разрешили частицам путешествовать назад во времени. Правила перехода и рассеяния позволяют частицам перескакивать как вперед, так и назад во времени, и несмотря на то, что мы, возможно, хотели бы им это не позволить, оказывается, что мы не можем и не должны им в этом препятствовать. Более того, оказывается, что, если мы не разрешаем частицам перескакивать назад во времени, как раз тогда и нарушается закон причины и следствия. Это странно: кажется, что должно быть ровно наоборот.

Однако все не случайно и намекает на лежащие в основе глубинные математические структуры. Возможно, у вас создалось впечатление, что правила перехода и рассеяния частиц установлены как-то произвольно. Можно ли установить еще какие-то правила рассеяния и подрегулировать правила перехода и изучить последствия? Но если сделать так, мы почти наверняка получим плохую теорию — например, такую, которая будет нарушать закон причины и следствия.

Квантовая теория поля (QFT) — название той самой глубинной математической структуры, которая и лежит в основе правил перехода и рассеяния. Удивительно, но это единственный способ создать квантовую теорию мельчайших частиц с учетом специальной теории относительности. Вооружившись аппаратом квантовой теории поля, правила перехода и рассеяния частиц становятся незыблемыми, и мы лишаемся свободы выбора. Это очень важный результат для исследователя фундаментальных законов, потому что использование «симметрии» для устранения выбора создает впечатление, что Вселенная просто должна быть «вот такой», и это создает ощущение лучшего ее понимания. Мы использовали здесь слово «симметрия», потому что оно кажется очень подходящим: можно считать, что теории Эйнштейна накладывают симметрические ограничения на структуру пространства и времени. Иные «симметрии» еще более ограничивают правила перехода и рассеяния.

Прежде чем закончить с квантовой электродинамикой, необходимо устранить последнее непонимание. Как вы помните, первый доклад на конференции в Шелтер-Айленде касался лэмбовского перехода — аномалии в спектре водорода, которая не объяснялась в рамках квантовой теории Гейзенберга и Шрёдингера. Через неделю после этой встречи Ганс Бете выдал первые, еще приблизительные вычисления ответа. На рис. 10.5 показан атом водорода с точки зрения квантовой электродинамики.

атом водорода

Рис. 10.5. Атом водорода

Электромагнитное взаимодействие, связывающее протон и электрон, можно представить в виде ряда диаграмм Фейнмана возрастающей сложности, как и в случае с двумя взаимодействующими электронами на рис. 10.1. Мы изобразили две простейшие возможные диаграммы на рис. 10.5. До квантовой электродинамики расчеты энергетических уровней электрона включали в себя только верхнюю диаграмму на рисунке, которая отражает физику электрона, удерживаемого в потенциальной яме, которая создана протоном.

Но мы уже выяснили, что при взаимодействии может произойти еще много всего. Вторая диаграмма на рис. 10.5 показывает кратковременную флуктуацию фотона в электрон-позитронной паре, и этот процесс тоже стоит учесть при расчете возможных энергетических уровней электрона. Эта диаграмма, как и многие другие, вносит в результат подсчетов (впервые предсказанный Бором в 1913 году) небольшие коррективы.

Бете совершенно справедливо включил в расчеты важные результаты «однопетлевых» диаграмм, подобных изображенным на рисунке, и обнаружил, что они оказывают некоторое влияние на сдвиг энергетических уровней, а следовательно, и на видимый спектр. Его результаты соответствовали измерениям Лэмба. Иными словами, квантовая электродинамика заставляет представить атом водорода в виде невероятной какофонии субатомных частиц, порождающихся и прекращающих существование. Лэмбовский сдвиг стал первой непосредственной встречей человечества с этими эфирными квантовыми флуктуациями.

Прошло немного времени — и эстафетную палочку перехватили двое других участников встречи в Шелтер-Айленде: Ричард Фейнман и Джулиан Швингер. Через пару лет квантовая электродинамика уже развилась в ту теорию, которую мы знаем сейчас, — прототип квантовой теории поля и образец для тех теорий, которым еще предстояло появиться на свет и которые описывали сильное и слабое взаимодействия.

За свои заслуги Фейнман, Швингер и японский физик Синъитиро Томонага в 1965 году получили Нобелевскую премию «За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». К этим глубоким последствиям мы и переходим.

Брайан Кокс, Джефф Форшоу. Квантовая вселенная.

Использование антиматерии

Где может быть использована антиматерия? В первую очередь антиматерия – это отличное топливо. Всего одна капля антивещества способна дать энергию, которой будет достаточно для энергообеспечения крупного города в течение суток. Кроме того, этот источник энергии является экологически чистым.

Солнечные частицы

В области медицины основное использование антиматерии – это томография позитронного излучения. Гамма-лучи, которые возникают в результате аннигиляции вещества и антивещества, используются для обнаружения раковых опухолей в организме. Также используют антивещество в терапии против раковых заболеваний. В настоящее время ведутся исследования по использованию антипротонов для полного уничтожения раковых тканей.

Свойства[ | ]

Структура Атома Антигелия
По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества[2].

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях)[9].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция[2], при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино[источник не указан 2427 дней

], которые практически не взаимодействуют с веществом). Ан­ни­ги­ля­ция мед­лен­ных ну­кло­нов и ан­ти­ну­кло­нов ве­дёт к об­ра­зо­ва­нию не­сколь­ких π-ме­зо­нов, а ан­ни­ги­ля­ция элек­тро­нов и по­зи­тро­нов — к об­ра­зо­ва­нию γ-кван­тов. В ре­зуль­та­те по­сле­дую­щих рас­па­дов π-ме­зо­ны пре­вра­ща­ют­ся в γ-кван­ты[2].

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 /кг массы устройства.

В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.

В ноябре 2020 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов[10].

В 2020 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено[11][12].

Отличие вещества и антивещества возможно выявить только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты слишком малы.[источник не указан 1602 дня

]

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной[13].

Сколько стоит грамм антиматерии и где ее хранить?

Производство антиматерии с помощью ускорителей элементарных частиц требует огромных энергетических затрат. Кроме того, антиматерию тяжело хранить, поскольку она при любом контакте с обычным веществом самоуничтожается. Поэтому хранят ее в сильных электромагнитных полях, которые также требуют больших энергетических затрат на их создание и поддержание.

В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что антиматерия является самой дорогой субстанцией на земле. Ее грамм оценивается в 62,5 миллиарда долларов США. По другим оценкам, предоставленным ЦЕРН, чтобы создать одну миллиардную грамма антивещества, необходимо затратить несколько сотен миллионов швейцарских франков.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать (11 фото)

Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Впрочем, люди произвели не так много антиматерии, поэтому бояться нечего.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Космос – источник антиматерии

На данном этапе развития технологий искусственное создание антиматерии – это низкоэффективный и затратный способ. Ввиду этого ученые из НАСА планируют собирать магнитными полями антиматерию в поясе Ван Аллена Земли. Этот пояс находится на высоте нескольких сотен километров над поверхностью нашей планеты и имеет толщину в несколько тысяч километров. Эта область космоса содержит большое количество антипротонов, которые образуются в результате реакций элементарных частиц, вызванных столкновениями космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли. В поясе Ван Аллена количество обычной материи невелико, поэтому антипротоны могут существовать в нем достаточно долгое время.

Пояс Ван Аллена

Другой источник антивещества – это аналогичные радиационные пояса вокруг планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана. Особое внимание ученые уделяют Сатурну, который, по их мнению, должен производить большое количество антипротонов, возникающих в результате взаимодействия заряженных космических частиц с ледяными кольцами планеты.

Также ведутся работы в направлении более экономного хранения антивещества. Так, профессор Масаки Гори (Masaki Hori) заявил о разработанном методе удержания антипротонов с помощью радиочастот, что, по его словам, позволит значительно сократить размеры контейнера для антиматерии.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: