Антиматерия как получить. Антиматерия « Интереcно о науке. Смотреть что такое "Антивещество" в других словарях

Строение ативещества

Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов более 70 МэВ.

Антиэлектроны (позитроны) были предсказаны П. Дираком и вслед за этим экспериментально обнаружены в “ливнях” П. Андерсоном, даже не знавшем тогда о предсказании Дирака. Это открытие было отмечено Нобелевской премий по физике 1936 г. Антипротон был открыт в 1955 г. на “Беватроне” в Беркли, что также было удостоено Нобелевской премии. В 1960 там же обнаружили антинейтрон. С введением в действие Серпуховского ускорителя и нашим физикам кое в чем удалось выйти вперед - в 1969 году там были открыты ядра антигелия. Но атомы антивещества получит не удавалось. Да если быть откровенным, то и античастиц за все время существования ускорителей получили ничтожные количества - всех антипротонов, синтезированных в ЦЕРНе за год, хватит на работу одной электрической лампочки в течение нескольких секунд.

Синтез антивещества

Установка - после выхода антипротонов из замедляющего кольца - состоит из четырех основных частей: ловушки для захвата антипротонов, накопителя позитронов, ловушки-смесителя и детектора антиводорода. Поток антипротонов вначале тормозится с помощью микроволнового излучения, затем охлаждается в результате теплообмена с потоком низкоэнергетических электронов, после чего попадает в ловушку - смеситель, где находится при температуре 15 К. Позитронный накопитель последовательно замедляет, захватывает и накапливает позитроны от радиоактивного источника; около половины из которых попадает в ловушку-смеситель, где они дополнительно охлаждаются синхротронным излучением. Все это необходимо для значительного повышения вероятности образования атомов антиводорода.

На «Антипротонном замедлителе» и началась жесткая конкуренция двух групп ученых, участников экспериментов «ATHENA» (39 ученых из разных стран мира) и «ATRAP».

В номере Nature (Nature 2002, vol.419, p.439, ibid p.456) вышедшем 3 октября 2002 года., участники эксперимента «ATHENA» заявили, что им удалось получить 50 000 атомов антивещества - антиводорода. Наличие атомов антивещества фиксировали в момент их аннигиляции, свидетельством которой считали пересечение в одной точке следов двух жестких квантов, образовавшихся при электрон-позитронной аннигиляции, и следов пионов, получившихся при аннигиляции антипротона и протона. Был получен первый “портрет” антивещества (фото в начале) - синтезированное из таких точек компьютерное изображение. Поскольку аннигилировали только те атомы, которые “выскользнули” из ловушки (а таких, достоверно пересчитанных, оказалось всего 130), заявленные 50 000 атомов антиводорода лишь создают невидимый фон “портрета”.

Проблема в том, что аннигиляция антиводорода регистрировалась на общем, более сильном фоне аннигиляций позитронов и антипротонов. Это, естественно, вызвало здоровый скепсис коллег из смежного конкурирующего проекта «ATRAP». Они, в свою очередь синтезировав антиводород на той же установке, смогли с помощью сложных магнитных ловушек зарегистрировать атомы антиводорода без какого-либо фонового сигнала. Образовавшиеся в эксперименте атомы антиводорода становились электрически нейтральными и в отличие от позитронов и антипротонов могли свободно покидать ту область, где удерживались заряженные частицы. Вот там, без фона, их и регистрировали.

По оценкам, в ловушке образовалось примерно 170 000 атомов антиводорода, о чём исследователи и рассказали в статье опубликованной в «Physical Review Letters».

И это уже успех. Теперь полученного количества антиводорода вполне может хватить для изучения его свойств. Для атомов антиводорода, например, предполагается измерение частоты электронного перехода 1s-2s (из основного состояния в первое возбужденное) методами лазерной спектроскопии высокого разрешения. (Частота этого перехода в водороде известна с точностью до 1.8·10-14 - не зря же водородный мазер считается стандартом частоты.) Согласно теории, они должны быть таким же, как и у обычного водорода. Если же, например спектр поглощения, окажется другим, то придется вносить коррективы в фундаментальные основы современной физики.

Двигатель на антивеществе

Антипротоны моментально аннигилируют с ядрами урана и вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты, вместе с образовавшимися гамма-квантами, так сильно разогревают внутренность капсулы, что там начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающие огромной энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и улетают через сопло двигателя, обеспечивая космическому кораблю неслыханную тягу.

Что же касается полета к Марсу за один месяц, то для него американские физики рекомендуют использовать другую технологию - ядерное деление, катализируемое антипротонами. Тогда на весь полет потребуется 140 нанограммов антипротонов, не считая радиоактивного топлива.

Новые измерения, проведенные в стэндфордском исследовательском центре (Калифорния), где установлен линейный ускоритель элементарных частиц, позволили ученым продвинуться в ответе на вопрос, почему во вселенной вещество преобладает над антивеществом.

Результаты эксперимента подтверждают сделанные ранее предположения о развитии дисбаланса этих противоположных сущностей. Однако ученые говорят, что проведенные исследования поставили больше вопросов, чем ответов: опыты с ускорителем не могут дать полного объяснения, почему в космосе так много вещества - миллиарды галактик, наполненных звездами и планетами.

Ученые, работающие с ускорителем, измеряли параметр, известный как синус двух бета (0,74 плюс или минус 0,07). Этот показатель отражает степень асимметрии между веществом и антивеществом.

Антивещество и большой взрыв

Чтобы понять, как это могло произойти, физики рассмотрели эффект, называемый нарушением равенства зарядов. Для наблюдения такого эффекта ученые изучали B-мезоны и анти-B-мезоны, частицы с очень коротким периодом жизни - триллионные доли секунды.

Различия в поведении этих абсолютно противоположных частиц показывают различия между веществом и антивеществом и отчасти объясняют, почему одно преобладает над другим. Миллионы B-мезонов и анти-B-мезонов, необходимых для эксперимента, образовались в результате столкновения в ускорителе лучей электронов и позитронов. Первые результаты, полученные еще в 2001 году, четко показывают нарушение равенства зарядов у B-мезонов.

"Это было важным открытием, но необходимо собрать еще множество данных, чтобы утвердить синус двух бета в качестве фундаментальной константы квантовой физики, - считает Стюарт Смит (Stewart Smith) из Принстонского университета. - Новые результаты были объявлены после трех лет интенсивных исследований и анализа 88 миллионов событий".

Новые измерения согласуются с так называемой "стандартной моделью", которая описывает элементарные частицы и их взаимодействие. Подтвержденная степень нарушения равенства зарядов сама по себе не достаточна для объяснения дисбаланса вещества и антивещества во вселенной.

"Судя по всему, кроме неравенства зарядов произошло что-то еще, что вызвало преобладание вещества, превратившегося в звезды, планеты и живые организмы, - прокомментировал Хассан Джоэри (Hassan Jawahery), сотрудник университета в Мериленде - В будущем мы, возможно, сможем понять эти скрытые процессы и ответить на вопрос, что привело вселенную к ее нынешнему состоянию и это будет самое захватывающее открытие".

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом - протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год - антинейтрон.

Частицы и античастицы

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

• Масса - физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
• Спин - собственный момент импульса элементарной частицы.
• Электрический заряд - характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
• Цветовой заряд - абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком - это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции - их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.

Общие сведения об антивеществе

Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества. Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем. Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».

Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач.

Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.

Получение антивещества

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы - позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях - в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород - это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.

Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода - 0,28 аттограмм (10 -18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.

Стоимость антивещества

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA -создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.

Применение

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе - варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии.

В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.

Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность - около 35 килотонн. А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42 960 килотонн. Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством — АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58 000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению.

Догадка о существовании античастиц, антивещества, а возможно, даже антимиров появилась задолго до появления экспериментальных данных, указывающих на возможность их существования в природе.

1. Первые предположения существования антиматерии

Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, почти сразу же после открытия Джозефом Томсоном электрона. Шустер очень хотел, чтобы в природе торжествовала симметрия. Электрон, как известно, - это отрицательно заряженная частица (тут, правда, следует оговориться, что решение, какой заряд называть положительным, а какой отрицательным, было результатом соглашения; ученые могли договориться и об обратном обозначении знаков зарядов, и ничего от этого не поменялось бы), и Шустер предположил существование симметричного аналога электрона, заряженного положительно и названного им антиэлектроном. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиатомов и антиматерии, откуда можно электрическим полем вытягивать придуманные им антиэлектроны в антиэксперименте анти-Томсона. В течение нескольких лет Шустер пытался убедить в правомерности своей догадки окружающих ученых («Почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, как наше», - писал он в своей статье в журнале Nature ), однако никто его аргументам не внял. Утвердившийся за много веков научный прагматизм подсказывал, что верить следует только эксперименту, а все, что экспериментом не подтверждается, - ненаучная фантазия. А эксперимент тогда неумолимо утверждал, что отрицательно заряженные электроны из вещества можно вытащить, а положительно заряженные не наблюдаются.

Идея Шустера была забыта, и антиматерию переоткрыл Поль Дирак лишь спустя 30 лет. Сделал он это тоже гипотетически, но был гораздо убедительней Шустера, показав, что существование антиматерии решает множество накопившихся нерешенных к этому моменту проблем. Прежде чем перейти к идеям Дирака, нам придется вспомнить, к каким новым выводам пришла физика за эти 30 лет.

2. Создание атома Нильсом Бором

В начале XX века возникла потребность переосмыслить законы физики. Сначала натолкнулись на невозможность описать спектр абсолютно черного тела, используя лишь законы Ньютона и Максвелла, а чуть позже выяснили, что классические законы не позволяют описать атом. Согласно химикам, атом неделим, и они со своей точки зрения абсолютно правы, поскольку во всех химических реакциях атомы просто «переезжают» из одной молекулы в другую, но, наверное, можно простить кощунство физиков, пожелавших этот атом сначала разложить на составляющие, а потом собрать согласно строгим законам физики. К 1913 году разложить атом получилось неплохо: ни у кого тогда уже не возникало сомнения, что, например, простейший атом водорода состоит из положительно заряженного протона, экспериментально открытого Резерфордом чуть позже, и электрона. Казалось бы, все необходимое для сборки атома есть: помимо протона и электрона, есть электрическая сила притяжения между ними, которая должна держать их вместе. Собрать атом получилось, а сохранять его долго в стабильном состоянии - нет: электрон неумолимо падал на протон и не желал оставаться на заданной орбите. Починить эту систему удалось Нильсу Бору, отказавшемуся ради этого от классических законов механики для описания систем на расстояниях порядка размера атома. Вернее, Бору пришлось отказаться от представления об электроне как о маленьком твердом заряженном шарике и представить его как рыхлое облако, а для его описания потребовалось создать новый математический аппарат, разработанный многими выдающимися физиками начала XX столетия и получивший название «квантовая механика».

К середине 1920-х годов квантовая механика, пришедшая на смену механике классической, когда требовалось описывать что-то очень маленькое, уже прочно утвердилась. Уравнение Шредингера, в самой основе которого лежат квантовые идеи, успешно описывало очень многие эксперименты, например эксперимент со спектром водородной лампы (разогретый водород светит не просто белым светом, а небольшим количеством спектральных линий), помещенной в магнитное поле, в котором каждая линия немножко расщепляется еще на несколько линий.

3. Проблема отрицательных энергий

К моменту, когда в квантовую механику безоговорочно поверили, сформировалась и другая теория - (релятивистская механика), которая работает с очень большими скоростями. Когда скорости тел сравнимы со скоростью света, законы механики Ньютона также необходимо подправить. Ученые попытались скрестить два предельных случая: большие скорости (теория относительности) и очень маленькие расстояния (квантовая механика). Оказалось, что ничего сложного нет в том, чтобы написать уравнение, удовлетворяющее и квантовой механике, и теории относительности. Обобщение уравнения Шредингера на случай релятивистских систем было предложено независимо Клейном, Гордоном и Фоком (последний - наш соотечественник). Вот только решения этого уравнения нас не очень устраивали. Один из парадоксов с решениями - парадокс Клейна: для очень быстрых частиц, ударяющихся о высокий барьер, от которого, по идее, они должны отражаться, вероятность перескочить барьер, согласно этому уравнению, только увеличивается с его высотой - вывод, противоречащий здравому смыслу.

Еще одна несуразность релятивистского уравнения состояла в том, что среди решений уравнения возникали частицы с отрицательными энергиями. Что в этом страшного? Представьте, что с помощью квантовой механики мы обустроили наш мир. В нем, казалось, есть пол, на котором можно устойчиво стоять, и мы наводим уют: развешиваем по стенкам картинки, ставим книжки на полки. Все наши украшения точно подчиняются квантовой механике, они все обладают положительной энергией, а если мы что-то плохо повесили - упадут на пол. Вот только, пытаясь улучшить квантовую механику, сделать ее более правильной, мы обнаружили, что никакого пола в нашем мире нет. Вместо пола - зияющая пропасть (отрицательные энергии), куда все должно провалиться. Надо отдать должное выдержке физиков того времени: они не испугались, что мир развалится на глазах, а попытались эту проблему решить.

Разрешить проблему удалось Полю Дираку, который взялся описать частицу, более сложную, чем ту, что описывает уравнение Клейна - Гордона - Фока, - электрон. Электрон нельзя описать одной функцией, надо брать сразу две, причем эту пару нельзя разделить, и приходится писать систему уравнений. Казалось бы, задача только усложнилась (и с первого взгляда это усложнение не решает главной проблемы), но Дирак попытался довести решение до конца. Для электронов работает принцип Паули, который утверждает, что два электрона нельзя поместить в одно состояние: никакими усилиями второй электрон не втиснуть в уже занятое. Дирак, берясь за эту задачу, по-видимому, надеялся воспользоваться именно этим свойством: если ниже уровня пола все состояния уже заполнены электронами, то и проваливаться будет некуда. Казалось бы, задача безнадежная: надо залить электронами бездну бесконечной глубины. А Дирак лишь пожимал плечами: «А зачем нам об этом беспокоиться? Будем считать, что об этом уже позаботилась природа (а она всесильна), все уже залито, и пол наш есть». Таким образом, проблема отрицательных энергий разрешилась!

4. Антиматерия

Однако, записывая свое уравнение, Дирак натолкнулся на новую проблему: оказывается, для релятивистского описания электрона двух функций недостаточно, придется писать четыре! Что же собой представляют эти две лишние функции для электрона? Немного подумав, Дирак сообразил, что на нашем залитом полу могут образовываться пузырьки - дырки (природа, конечно, всесильна, но может позволить себе быть не совсем безупречной и допустить некоторые дефекты). Удивительным образом такой пузырек ведет себя точно так же, как электрон, по аналогии с пузырьком похожий на капельку, висящую над полом: у них одинаковая масса, оба они заряжены. Висящая капелька имеет положительную энергию и заряжена отрицательно, собственно, это и есть наш электрон. А пузырек (в подпольном мире) тоже обладает положительной энергией, но знак заряда у него обратный - это антиэлектрон (или позитрон). Для его описания и понадобились две лишние функции.

Дирак был окрылен своим открытием. Он был убежден, что античастицы реальны, хотя их никогда до этого и не наблюдали в эксперименте. Открыли античастицы несколькими годами позже, а к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории (заметим, что античастицы разрешили и парадокс Клейна), коллеги относились скептически. Дирак же в свою теорию, видимо, верил безоговорочно. Пытаясь найти ответ на критику ненаблюдаемости позитронов, он довольно быстро сообразил, что позитроны жить вместе с нами не могут. Если бы они возникли где-то рядом с нами, то немедленно аннигилировали бы с окружающими электронами. Поэтому он вполне разумно предположил, что если уж наша Солнечная система устроена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей. Сейчас мы верим, что, скорее всего, антигалактик не существует: причина в том, что антиматерия немного отличается от материи.

Придуманные Дираком позитроны были вскоре открыты Карлом Андерсоном в . Они рождались из энергичных космических фотонов в паре с электронами, но перед последующей аннигиляцией успевали пролететь некоторое расстояние и оставить следы. Интересно, что позитрон мог быть открыт на 5 лет раньше выдающимся российским физиком Дмитрием Скобельциным, который позитрон увидел, только сам не смог поверить в свое открытие. Античастицы должны быть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона античастица является им же самим), и сегодня все они открыты. Только видим мы их в специальных экспериментах. Поэтому часто антиматерию воспринимают как совершенно абстрактное, возможно, красивое, но непонятно зачем придуманное понятие. Действительно, все, что обсуждалось ранее, - только факт существования античастиц, а в окружающей нас природе их ведь почти нет, и что толку, даже если их научились получать в лабораториях? Но не торопитесь с выводами! Мы уже научились не только получать античастицы, но и использовать их для наших нужд.

5. Применение антиматерии

На нашей повседневной жизни антиматерия вроде бы не сказывается. Тем не менее сегодня мы применяем для некоторых вполне практичных задач по крайней мере самую распространенную и относительно легко получаемую античастицу - позитрон. Одно из применений позитроны нашли в медицине для . Существуют радиоактивные ядра, испускающие позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей, причем это делается бесконтактно: вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны. Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией.

Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. А можно просто изучать образцы каких-либо материалов, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.

Парадокс «темной материи», непредсказуемые двойные звезды. Одной из самых известных и интригующих загадок, несомненно, является антивещество, состоящее из «вывернутой наизнанку» материи. Открытие данного феномена – одно из наиболее важных достижений физики в прошлом столетии.

До этого момента ученые были уверены, что элементарные частицы – фундаментальные и неизменные кирпичики мироздания, которые не рождаются заново и никогда не исчезают. Эта скучная и незамысловатая картина ушла в прошлое, когда выяснилось, что заряженный отрицательно электрон и его двойник из антимира позитрон при встрече взаимно уничтожаются, порождая кванты энергии. А позже стало очевидным, что элементарные частицы вообще любят превращаться друг в друга, причем самыми причудливыми способами. Открытие антивещества стало началом коренной трансформации представлений о свойствах мироздания.

Антиматерия уже давно стала излюбленной темой научной фантастики. Корабль «Энтерпрайз» из культового «Звездного пути» использует для покорения галактики двигатель на антивеществе. В книге Дэна Брауна «Ангелы и демоны» главный герой спасает Рим от бомбы, созданной на основе этой субстанции. Подчинив неисчерпаемые объемы энергии, которая получается при взаимодействии вещества с антивеществом, человечество обретёт могущество, превосходящее предсказания самых смелых фантастов. Нескольких килограммов антиматерии вполне достаточно для пересечения Галактики.

Но до создания оружия и космических аппаратов еще очень далеко. В настоящее время наука занята теоретическим обоснованием существования антиматерии и исследованием ее свойств, причем ученые используют в своих опытах десятки, в крайнем случае, сотни атомов. Время их жизни исчисляется долями секунд, а стоимость экспериментов – десятками миллионов долларов. Физики уверены, что знания об антивеществе помогут нам лучше понять эволюцию Вселенной и события, происходившие в ней сразу после Большого взрыва.

Что такое антивещество и каковы его свойства?

Антивещество – это особый вид материи, состоящей из античастиц. Они обладают тем же спином и массой, что и обычные протоны и электроны, но отличаются от них знаком электрического и цветового заряда, барионным и лептонным квантовым числом. Говоря простыми словами, если атомы обычного вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательного электронов, то у антивещества все обстоит наоборот.

При взаимодействии материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов или других частиц. Энергия, получаемая при этом, огромна: одного грамма антивещества достаточно для взрыва мощностью в несколько килотонн.

Согласно современным представлениям, вещество и антивещество имеют одинаковую структуру, потому что силовое и электромагнитное взаимодействия, определяющие ее, действуют абсолютно идентично как на частицы, так и на их «двойников».

Считается, что антиматерия также может создавать гравитационную силу, но окончательно данный факт еще не доказан. Теоретически гравитация должна действовать на вещество и антивещество одинаково, но это еще предстоит выяснить экспериментальным путем. Сейчас над данным вопросом работают в проектах ALPHA, AEGIS и GBAR.

В конце 2015 года с помощью коллайдера RHIC ученым удалось измерить силу взаимодействия между антипротонами. Оказалось, что она равна аналогичной характеристике протонов.

В настоящее время известны «двойники» практически всех существующих элементарных частиц, кроме так называемых «истинно нейтральных», которые при зарядовом сопряжении переходят в самих себя. К этим частицам относятся:

• фотон;
• бозон Хиггса;
• нейтральный пи-мезон;
• эта-мезон;
• гравитрон (пока не обнаруженный).

Антиматерия находится гораздо ближе, чем вы думаете. Источником антивещества, правда, не слишком мощным, являются обычные бананы. Они содержат изотоп калий-40, который распадается с образованием позитрона. Это происходит примерно один раз в 75 минут. Данный элемент также входит в состав человеческого тела, так что каждого из нас можно назвать генератором античастиц.

Из истории вопроса

Впервые допустил мысль о существовании материи «с другим знаком» британский ученый Артур Шустер еще в конце XIX века. Его публикация на эту тему была довольно туманной и не содержала никакой доказательной базы, скорее всего, на гипотезу ученого натолкнуло недавнее открытие электрона. Он же первым ввел в научный обиход термины «антивещество» и «антиатом».

Экспериментально антиэлектрон был получен еще до своего официального открытия. Это удалось сделать советскому физику Дмитрию Скобельцину в 20-е годы прошлого столетия. Он получил странный эффект при исследовании гамма-лучей в камере Вильсона, но объяснить его так и не смог. Теперь мы знаем, что феномен был вызван появлением частицы и античастицы – электрона и позитрона.

В 1930 году известный британский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения для электрона, предсказал существование новой частицы с той же массой, но противоположным зарядом. В то время ученые знали только одну положительную частицу – протон, однако она была в тысячи раз тяжелее электрона, поэтому интерпретировать данные, полученные Дираком, так и не смогли. Двумя годами позже американец Андерсон обнаружил «двойника» электрона при исследовании излучения из космоса. Он получил название позитрон.

К середине прошлого столетия физики успели неплохо изучить эту античастицу, было разработано несколько способов ее получения. В 50-е годы ученые открыли антипротон и антинейтрон, в 1965 году был получен антидейтрон, а в 1974 году советским исследователям удалось синтезировать антиядра гелия и трития.

В 60-е и 70-е годы античастицы в верхних слоях атмосферы искали с помощью воздушных шаров с научной аппаратурой. Этой группой руководил нобелевский лауреат Луис Альварец. Всего было «поймано» около 40 тыс. частиц, но ни одна из них к антиматерии не имела никакого отношения. В 2002 году аналогичными изысканиями занялись американские и японские физики. Они запустили огромный воздушный шар BESS (объем 1,1 млн м3) на высоту в 23 километра. Но и им за 22 часа эксперимента не удалось обнаружить даже простейших античастиц. Позже аналогичные опыты были проведены в Антарктиде.

В середине 90-х европейским ученым удалось получить атом антиводорода, состоящий из двух частиц: позитрона и антипротона. В последние годы удалось синтезировать значительно большее количество этого элемента, что позволило продвинуться в изучении его свойств.

В 2005 году чувствительный детектор антивещества был установлен на Международной космической станции (МКС).

Антиматерия в условиях космоса

Первооткрыватель позитрона Поль Дирак считал, что во Вселенной существуют целые области, полностью состоящие из антивещества. Об этом он говорил в своей нобелевской лекции. Но пока ученым не удалось обнаружить ничего подобного.

Конечно, в космосе присутствуют античастицы. Они появляются на свет благодаря многим высокоэнергетическим процессам: взрывам сверхновых звезд или горению термоядерного топлива, возникают в облаках плазмы вокруг черных дыр или нейтронных звезд , рождаются при столкновениях высокоэнергетических частиц в межзвездном пространстве. Более того, небольшое количество античастиц постоянно «проливается» дождем на нашу планету. Распад некоторых радионуклидов также сопровождается образованием позитронов. Но все вышеперечисленное – это только античастицы, но не антивещество. До сих пор исследователям не удалось отыскать в космосе даже антигелий, что уж говорить о более тяжелых элементах. Провалом завершились и поиски специфического гамма-излучения, которое сопровождает процесс аннигиляции при столкновении вещества и антивещества.

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Существует гипотеза, что на ранних этапах жизни нашей Вселенной количество вещества и антивещества почти совпадало: на каждые миллиард антипротонов и позитронов приходилось ровно столько же их «визави», плюс один «лишний» протон и электрон. Со временем основная часть материи и антиматерии исчезла в процессе аннигиляции, а из избытка возникло все, что нас сегодня окружает. Правда, не совсем понятно, откуда и почему появились «лишние» частицы.

Получение антивещества и трудности этого процесса

В 1995 году ученым удалось создать всего лишь девять атомов антиводорода. Они просуществовали несколько десятков наносекунд, а затем аннигилировали. В 2002 году число частиц исчислялось уже сотнями, а срок их жизни увеличился в несколько раз.

Античастица, как правило, рождается вместе со своим обычным «двойником». Например, для получения позитрон-электронной пары необходимо взаимодействие гамма-кванта с электрическим полем атомного ядра.

Получение антиматерии – весьма хлопотное занятие. Этот процесс происходит в ускорителях, а хранятся античастицы в специальных накопительных кольцах в условиях высокого вакуума. В 2010 году физикам впервые удалось поймать в специальную ловушку «целых» 38 атомов антиводорода и удержать их на протяжении 172 миллисекунд. Для этого ученым пришлось охлаждать 30 тыс. антипротонов до температуры ниже -70 °C и два миллиона позитронов до -230 °C.

На следующий год исследователям удалось значительно улучшить результаты: увеличить срок жизни античастиц до целой тысячи секунд. В дальнейшем планируется выяснить отсутствие или наличие эффекта антигравитации для антиматерии.

Вопрос хранения антиматерии – настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами, вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

Стоимость антивещества и его энергетическая эффективность

Учитывая сложность получения и хранения антиматерии, не удивительно, что цена ее очень высока. Согласно расчетам НАСА , в 2006 году один миллиграмм позитронов стоил примерно 25 млн долларов. По более ранним данным, грамм антиводорода оцениваелся в 62 трлн долларов. Примерно такие же цифры дают и европейские физики из CERN.

Потенциально антиматерия – это идеальное топливо, сверхэффективное и экологически чистое. Проблема в том, что всей антиматерии, созданной до сих пор людьми, едва хватит, чтобы вскипятить хотя бы чашку кофе.

Синтез одного грамма антивещества требует затраты 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, что делает любое практическое применение этой субстанции попросту абсурдным. Возможно, когда-нибудь мы и будем заправлять ею звездолеты, но для этого необходимо придумать более простые и дешевые методы получения и долговременного хранения.

Существующие и перспективные способы применения

В настоящее время антивещество используется в медицине, при проведении позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод позволяет получить изображение внутренних органов человека в высоком разрешении. Радиоактивные изотопы наподобие калия-40 соединяют с органическими веществами типа глюкозы и вводят в кровеносную систему пациента. Там они испускают позитроны, которые аннигилируются при встрече с электронами нашего тела. Гамма-излучение, полученное в ходе этого процесса, формирует изображение исследуемого органа или ткани.

Антивещество также изучается в качестве возможного средства против онкологических заболеваний.

Применение антиматерии, несомненно, имеет огромные перспективы. Она сможет привести к настоящему перевороту в энергетике и позволит людям достичь звезд. Любимым коньком авторов фантастических романов являются звездолеты с так называемыми варп-двигателями, позволяющими перемещаться со сверхсветовой скоростью. Сегодня существует несколько математических моделей подобных установок, и большинство из них используют в работе антивещество.

Есть и более реалистичные предложения без сверхсветовых полетов и гиперпространства. Например, предлагается вбрасывать в облако антипротонов капсулу из урана-238 с находящимся внутри дейтерием и гелием-3. Разработчики проекта считают, что взаимодействие данных составляющих приведет к началу термоядерной реакции, продукты которой, будучи направленными магнитным полем в сопло двигателя, обеспечат кораблю значительную тягу.

Для полетов на Марс за один месяц американские инженеры предлагают использовать ядерное деление, инициируемое антипротонами. По их подсчетам, для подобного путешествия необходимо всего лишь 140 нанограммов этих частиц.

Учитывая значительное количество энергии, выделяемой при аннигиляции антивещества, эта субстанция – прекрасный кандидат для начинки бомб и других взрывоопасных предметов. Даже небольшого количества антивещества достаточно для создания боеприпаса, сопоставимого по мощности с ядерной бомбой. Но пока об этом преждевременно беспокоиться, ибо данная технология находится на самом раннем этапе своего развития. Вряд ли подобные проекты смогут осуществиться в ближайшие десятилетия.

Пока же антивещество – в первую очередь, предмет изучения теоретической науки, который очень много может рассказать об устройстве нашего мира. Подобное положение вещей вряд ли изменится пока мы не научимся получать его в промышленных масштабах и надежно сберегать. Только тогда можно будет говорить о практическом использовании этой субстанции.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество - состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами.

Силы, которые определяют структуру материи, и для частиц и для античастиц одинаковы. Проще говоря, частицы различаются только знаком заряда. Характерно, что «антивещество» - не совсем верное название. Оно по сути своей лишь разновидность вещества, обладающее теми же свойствами и способное на создание притяжения.

Аннигиляция

Фактически это процесс столкновения позитрона и электрона. В результате происходит взаимоуничтожение (аннигиляция) обеих частиц с выделением огромной энергии. Аннигиляция 1 грамма антивещества эквивалентна взрыву тротилового заряда в 10 килотонн!

Синтез

В 1995 году было заявлено, что синтезированы первые девять атомов антиводорода. Они прожили 40 наносекунд и погибли, высвободив энергию. А уже в 2002 году число полученных атомов исчислялось сотнями. Но все полученные античастицы могли прожить только наносекунды. Дело изменилось с запуском адронного коллайдера: удалось синтезировать 38 атомов антиводорода и удержать их целую секунду. За этот период времени стало возможным провести некоторые исследования строения антиматерии. Удерживать частицы научились после создания специальной магнитной ловушки. В ней, для достижения нужного эффекта, создаётся очень низкая температура. Правда, такая ловушка – дело очень громоздкое, сложное и дорогое.

В трилогии С. Снегова «Люди как боги» процесс аннигиляции используется для межгалактических полётов. Герои романа, используя её, превращают в пыль звёзды и планеты. Но в наше время получить антивещество гораздо сложнее и дороже, чем прокормить человечество.

Сколько стоит антивещество

Один миллиграмм позитронов должен стоить 25 млрд. долларов. А за один грамм антиводорода придётся выложить 62,5 триллиона долларов.

Ещё не проявился такой щедрый человек, что смог бы купить хоть одну сотую грамма. Несколько сот миллионов швейцарских франков пришлось заплатить за одну миллиардную долю грамма, чтобы получить материал для экспериментальных работы по столкновению частиц и античастиц. Пока нет такой субстанции в природе, которая была бы дороже антивещества.

А вот с вопросом веса антиматерии всё достаточно просто. Поскольку она отличается от материи обычной только зарядом, то все остальные характеристики у неё те же. Получается, что один грамм антивещества будет весить именно один грамм.

Мир из антивещества

Если принять за истину, что был, то в результате этого процесса должно было возникнуть равное количества и вещества, и антивещества. Так почему же мы не наблюдаем рядом с собой объектов, состоящих из антиматерии? Ответ достаточно прост: два типа вещества не могут сосуществовать вместе. Они обязательно взаимоуничтожатся. Вполне вероятно, что галактики и даже вселенные из антивещества существуют , и мы даже видим некоторые из них. Но от них исходят такие же излучения, идёт такой же свет, как и от обычных галактик. Поэтому пока невозможно точно утверждать, существует антимир или это красивая сказка.

Опасно ли?

Многие полезные открытия человечество превращало в средства уничтожения. Антивещество в этом смысле не может быть исключением. Более мощного оружия, чем основанного на принципе аннигиляции, представить пока нельзя. Возможно, не так и плохо, что пока не получается добыть и сохранить антивещество? Не станет ли оно роковым звоночком, который услышит человечества в свой последний день?