Антивещество — тайны и факты

Загадки антиматерии и новые факты в эволюции Вселенной

Галактики, звезды, планеты и жизнь, все образуются из одного фундаментального вещества: материи. Но изобилие материи — одна из самых больших нерешенных тайн физики.

Большой взрыв, 13,8 миллиарда лет назад, породил равное количество материи и противоположности, антиматерии. Материя и антиматерия уничтожаются при встрече.

Но каким-то образом баланс склонился к материи в ранней Вселенной, позволив тем самым зародиться жизни.

Причудливая субатомная частица, называемая нейтрино, может продемонстрировать, как это произошло. Если нейтрино являются собственными античастицами, то легкая частица может быть тем самым объяснением избытка вещества в мире.

Поэтому ученые спешат найти доказательства гипотетического вида ядерного распада, который может произойти только в том случае, если нейтрино и антинейтрино являются идентичными. Недавно были опубликованы результаты четырех экспериментов, не дающие намека на этот процесс, известный как нейтринореальный двойной бета-распад (SN: 7/6/02, стр. 10).

Но в скором времени ученые решили предпринять еще одну попытку, которая должна начаться в ближайшее время, и есть шанс обнаружить этот распад. В это же время, по мере совершенствования оборудования и лабораторного оснащения, качество и точность полученных экспериментов лишь увеличивается.

Иными словами, есть надежда на то, что в ближайшее время эта тория будет подтверждена.

«Прямо сейчас, мы стоим на пороге того, что потенциально может быть действительно большим открытием, — говорит Джанет Конрад, физик в Массачусетском технологическом институте, не связанный с экспериментами.

Каждая частица материя имеет античастицу, с противоположным электрическим зарядом. В качестве таких частиц электроны имеют позитроны; протоны имеют антипротоны. Но неясно, как этот шаблон применим к нейтрино, у которых нет электрического заряда.

Вместо того, чтобы иметь разную материю и разновидности антивещества, нейтрино могут быть единственным примером теоретизированного класса частиц, названного майорановским фермионом (SN: 8/19/17, стр. 8), которые являются их собственными античастицами.

«Никакая другая частица, о которой мы знаем, не может обладать этим свойством; нейтрино является единственным », — говорит физик-нейтрино Джейсон Двейлер из Вашингтонского университета в Сиэтле, который является участником экспериментов с двойным бета-распадом KamLAND-Zen и Majorana Demonstrator.

Нейтринолный двойной бета-распад является вариацией стандартного бета-распада, относительно распространенного радиоактивного процесса, который естественным образом происходит на Земле. В бета-распаде нейтрон внутри ядра атома превращается в протон, высвобождая электрон и антинейтрино. Элемент, таким образом, трансформируется в другую частицу.

Бета-распады

Стандартный тип бета-распада происходит, когда нейтрон в ядре атома превращается в протон и высвобождает электрон и антинейтрино. Для некоторых видов атомов два таких распада могут происходить сразу. Если нейтрино является его собственной античастицей, эти двойные бета-распады могут также происходить без каких-либо испускаемых антинейтрино.

В некоторых изотопах отдельных элементов — видов атомов, характеризующихся заданным числом протонов и нейтронов — одновременно могут происходить два бета-распада, излучающие два электрона и два антинейтрино. Хотя двойной бета-распад чрезвычайно редок, он был обнаружен. Если нейтрино является его собственной античастицей, может также произойти и нейтринная версия этого распада.

Такой процесс «создает асимметрию между веществом и антиматерией», — говорит физик Джорджо Гратта из Стэнфордского университета, который работает над экспериментом по экспансии безнейтринного экспансета EXO-200.

В типичном бета-распаде одна из частиц, излучаемая электроном, уравновешивает антивещество — антинейтрино. Но при нейтринорном двойном бета-распаде два электрона испускаются без соответствующих частиц антивещества.

В начале вселенной другие процессы могли также вести себя аналогично асимметричным образом.

В поиске фактов

Чтобы обнаружить необычный распад, ученые строят эксперименты, заполненные тщательно отобранными изотопами определенных элементов, и контролируют материал для электронов определенной энергии, которые будут высвобождаться при расщеплении нейтринол.

В документе, опубликованном в Physical Review Letters, эксперимент GERDA не обнаружил признаков распада. Расположенный в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии, ГЕРДА ищет распад изотопа германия-76.

(Число указывает количество протонов и нейтронов в ядре атома).

Поскольку признаков распада не было, если процесс происходит, он должен быть скрытным, заключают ученые, и его период полураспада должен быть длинным — более 80 триллионов триллионов лет.

Три других эксперимента также не увенчались успеха. Между тем, EXO-200, расположенный на экспериментальном заводе по утилизации отходов, под землей в соляном зале под Карлсбадом, штат Нью-Мексико, не обнаружил признаков распада в ксеноне-136 в публикации, напеченной в февральском издании Physical Review Letters.

Это означает, что если нейтрино являются их собственными античастицами, их масса должна быть меньше примерно 0,061-0,165 электрон-вольт в зависимости от теоретических предположений, KamLAND -Zen сообщалось в документе 2016 года в Physical Review Letters.

(Электронное вольт — единица энергии и массы частиц физиков. Для сравнения электрон имеет гораздо большую массу в полмиллиона электрон-вольт.

) Нейтрино, которые входят в три разных разновидности и имеют три разные массы, чрезвычайно легкие, но точно, насколько крошечны эти массы неизвестно.

Ученые из GERDA готовятся объединиться с другими исследователи в масштабном проекте LEGEND, и многие другие команды также планируют расширенные версии своих текущих экспериментов.

Теоретические физики полагают, что если нейтрино являются их собственными античастицами, необнаруженные более тяжелые нейтрино могут быть соединены с более легкими нейтрино, которые мы наблюдаем.

Ученые надеяться, что эти эксперименты помогут открыть тайну распределения материи и антиматерии во Вселенной. Кроме того, это помогло бы пролить свет на многие явления, которые мы сейчас наблюдаем в космосе.

Источник: http://mirkosmosa.ru/news/zagadki-antimaterii-i-novye-fakty-v-evolyucii-vselennoi

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.  

Источник: https://zhitanska.com/content/antimateriya-i-antimir/

Антивещество

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.

История открытия

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

Стандартная модель в физике

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

Водород и антиводород

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.

Читайте также:  Месть уволенных сотрудников - тайны и факты

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.

Корабль из фильма Стартрек

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.

Источник: http://SpaceGid.com/antiveshhestvo.html

Загадка антивещества

Все, с чем мы соприкасаемся в своей жизни, состоит из материи.

Чашка, которую мы держим в руке, состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы, вопреки своему названию («атом» в переводе с греческого означает «неделимый»), — из электронов, протонов и нейтронов.

Два последних ученые называют «барионами». Их можно делить дальше, на кварки, а может быть, и еще дальше, но пока на этом остановимся. Все вместе они образуют вещество.

Треки позитронов в пузырьковой камере. / © fineartamerica.com

Как знают все наши читатели, у вещества есть антипод — антивещество. При соприкосновении они взаимоуничтожаются с выделением очень большой энергии — аннигилируют.

По подсчетам физиков, кусок антивещества размером с кирпич, попав на Землю, может вызвать эффект сродни взрыву водородной бомбы. Во всем остальном антиподы схожи: у антивещества есть масса, на него в полной мере распространяются законы физики, вот только электрический заряд у него противоположен.

У антипротона он отрицателен, а у позитрона (антиэлектрона) — положителен. А еще антивещество практически не встречается в окружающей нас действительности.

Или все-таки оно где-то есть? Ничего невозможного в таком допущении нет, живем же мы на свете, хоть нам и нельзя пожать руку своим антиподам. Вполне возможно, что и они тоже где-то живут.

Вероятно, все наблюдаемые на сегодня галактики состоят из обычного вещества. В противном случае их границы были бы зоной практически непрерывной аннигиляции с окружающей материей, ее было бы видно издалека. Земные обсерватории регистрировали бы кванты энергии, образовавшиеся при аннигиляции. Пока этого не происходит.

Свидетельством присутствия во Вселенной заметных количеств антивещества могло бы стать обнаружение где-то в космосе (на Земле, ввиду большой плотности вещества, искать явно бесполезно) ядер антигелия. Два антипротона, два антинейтрона.

Составляющие такое ядро античастицы регулярно рождаются при столкновениях высокоэнергетичных частиц в земных ускорителях и естественным путем при бомбардировке вещества космическими лучами. Их обнаружение ни о чем нам не говорит. А вот антигелий может образоваться таким же образом, если в одном месте одновременно родятся четыре составляющие его частицы.

Это нельзя назвать совсем невозможным, но такое событие во всей Вселенной случается примерно раз в пятнадцать миллиардов лет, что вполне сопоставимо со временем ее существования.

Подготовка к запуску аэростата с детектором космических частиц в рамках эксперимента BESS. Детектор виден на переднем плане, его масса — 3 тонны. / © i.wp-b.com

Поэтому обнаружение антигелия вполне может расцениваться если не как привет от антиподов, то как свидетельство того, что где-то в пучинах космоса плавает кусок антивещества приличных размеров. Вот оно оттуда и прилетело.

Увы, неоднократные попытки поискать антигелий в верхних слоях земной атмосферы или на подходе к ней пока не принесли успеха. Конечно, это тот случай, когда «отсутствие следов пороха на руках ничего не доказывает».

Вполне может быть, что лететь было просто очень далеко (порядка миллиардов световых лет), а попасть в небольшой детектор на маленькой планете еще сложнее.

И уж точно, если бы детектор был чувствительнее (и дороже), наши шансы на успех были бы выше.

Антизвезды, случись им быть в природе, в ходе термоядерных реакций порождали бы такой же поток антинейтрино, как и обычные звезды — поток их антиподов. Такие же антинейтрино должны образовываться при взрывах антисверхновых. Пока ни то, ни другое не обнаружено, но, надо заметить, что нейтринная астрономия вообще делает первые шаги.

Детектор Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Канада. / © squarespace.com

В любом случае пока мы не обладаем достоверной информацией о существовании сколько-нибудь заметных количеств антивещества во Вселенной.

Это плохо и хорошо одновременно. Плохо потому, что, по современным представлениям, в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и вещество, и антивещество. Впоследствии они аннигилировали, породив реликтовое космическое излучение.

Количество фотонов в нем очень велико, оно примерно в миллиард раз превышает количество барионов (т. е. протонов и нейтронов) во Вселенной. Иными словами, когда-то, в начале времен, вещества во Вселенной оказалось на одну миллиардную долю больше, чем антивещества.

Потом все «лишнее» исчезло, аннигилировав, а одна миллиардная доля осталась. Получилось то, что в специальной литературе называется барионной асимметрией.

Для физиков отсутствие равновесия — это проблема, потому что его надо как-то объяснить. По крайней мере, в случае с предметами, которые во всех иных отношениях ведут себя симметрично.

А для нас (включая физиков) это хорошо, поскольку при одинаковых количествах вещества и антивещества произошла бы полная аннигиляция, Вселенная была бы пуста, и задаваться вопросами было бы некому.

Наличие большой космологической проблемы было осознано учеными где-то к середине XX века. Условия, при которых Вселенная становится такой, какой мы ее видим, были сформулированы Андреем Сахаровым в 1967 году и с тех пор являются «общим местом» тематической литературы, по крайней мере, на русском и английском языках. В сильно упрощенном виде они выглядят так.

Во-первых, при каких-то условиях, вероятно, существовавших в ранней Вселенной, законы физики все-таки неодинаково работают для вещества и антивещества.

Во-вторых, при этом может не сохраняться барионное число, т. е. количество барионов после реакции не равно тому, что было до нее.

В-третьих, процесс должен протекать взрывным образом, т. е. быть неравновесным. Это существенно, поскольку в равновесии концентрации веществ стремятся к выравниванию, а нам нужно получить нечто разное.

А.Д.Сахаров, конец 1960 годов. / © thematicnews.com

На этом общепризнанная часть объяснения заканчивается, далее и через полвека властвуют гипотезы. Наиболее авторитетная на данный момент связывает произошедшее с электрослабым взаимодействием. Посмотрим на нее поближе.

Для объяснения того, что же все-таки произошло с нашей материей, нам придется напрячь воображение и представить себе, что во Вселенной существует некое поле.

О его существовании и свойствах мы пока не знаем ничего, кроме того, что оно связано с распределением вещества и антивещества в пространстве и до некоторой степени похоже на привычную нам температуру, в частности может принимать большие и меньшие значения, до определенного уровня, который можно уподобить температуре кипения.

Первоначально материя во Вселенной находится в перемешанном состоянии. Вокруг очень «горячо» — кавычки здесь можно было бы и опустить, поскольку обычная температура тоже очень высока, но мы-то говорим о ее воображаемом аналоге. Этот аналог «кипит» — значение максимально.

По мере расширения пространства из первоначального «пара» начинают конденсироваться «капли», в которых «попрохладнее». Пока все выглядит совершенно так же, как с водой — если перегретый пар находится в сосуде, объем которого достаточно быстро увеличивается, то происходит адиабатическое охлаждение. Если оно достаточно сильно, то часть воды выпадет в виде жидкости.

Вода, сконденсировавшаяся из пара. / © 3.bp.blogspot.com

Нечто похожее происходит и с материей в космосе. По мере роста объема Вселенной количество и размер «капель» увеличиваются. А вот дальше начинается то, что не имеет аналогий в привычном нам мире.

Условия проникновения в «капли» частиц и античастиц оказываются неодинаковыми, частицам сделать это немножко проще. В результате первоначальное равенство концентраций нарушается, в сконденсировавшейся «жидкости» оказывается немножко больше вещества, а в «кипящей фазе» — его антипода. Совокупное число барионов при этом пока не меняется.

А дальше, в «кипящей фазе», начинают действовать квантовые эффекты взаимодействующих электрослабых полей, которые вроде бы не должны изменять количество барионов, но в действительности выравнивают количество частиц и античастиц.

Строго говоря, этот процесс идет и в «каплях» тоже, но там он менее эффективен. Таким образом, общее количество античастиц уменьшается.

Это написано коротко и, конечно, очень упрощенно, на самом деле все куда интереснее, но вдаваться в теорию глубоко мы сейчас не станем.

Ключевыми для объяснения ситуации оказываются два эффекта. Квантовая аномалия электрослабых взаимодействий — это наблюденный факт, он обнаружен еще в 1976 году. Разница в вероятности проникновения частиц в зону конденсации — факт расчетный и, следовательно, гипотетический. Само поле, которое «кипит», а затем остывает, пока не обнаружено.

При формировании теории предполагалось, что это — поле Хиггса, но после открытия знаменитого бозона выяснилось, что оно тут не при чем. Вполне возможно, что его открытие еще ждет своего часа. А может быть, и нет — и тогда космологам придется изобретать другие объяснения. Вселенная ждала этого пятнадцать миллиардов лет, может подождать и еще.

Читайте также:  Сайты с логическими загадками - тайны и факты

Источник: https://naked-science.ru/article/nakedscience/pochemu-vo-vselennoy-net

Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим?

Электрон и позитрон — первая пара «частица-античастица», открытая учеными

Вселенная полна удивительных тайн. Пугающие черные дыры, 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.

Корабль из сериала «Стар трек». Для покорения Галактики он использует антиматерию

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.

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).

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.

Для «ловли» античастиц используются даже космические аппараты

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.

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.

Для получения антиматерии нужны сложнейшие устройства

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.

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.

Учитывая значительное количество энергии, выделяемой при аннигиляции антивещества, эта субстанция – прекрасный кандидат для начинки бомб и других взрывоопасных предметов.

Читайте также:  Планета нептун, открытие планеты нептун, спутники планеты нептун - тайны и факты

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.

Источник: https://MilitaryArms.ru/novye-texnologii/antiveshchestvo/

Самое Дорогое Вещество на Земле — Антиматерия

Антивещество или антиматерия известна как самая дорогая субстанция на Земле. Но что же она собой представляет и зачем вообще она нужна человечеству?

Физически и химически антиматерия ничем не отличается от материи. Собственно, это та же материя, только вывернутая наизнанку, ее зеркальное отражение. Антиматерию в будущем теоретически можно использовать в качестве топлива для космических кораблей к другим планетам.

Проблема в том, что для его производства требуются невероятно дорогие технологии, и чтобы создать всего 1 грамм, всему миру пришлось бы работать целый год.

Подсчитано, что при взаимодействии 1 г антивещества и 1 г вещества выделится энергия, эквивалентная взрыву сразу трех атомных бомб в Хиросиме.

Эффективность атомной бомбы, несмотря на всю ее жуткую мощь, составляет всего около 1%. В энергию переходит лишь крохотная часть массы урана.

А вот бомба из антиматерии, не дай Бог такую создать, превращала бы в энергию 100% своей массы, и потому была бы гораздо более эффективной, чем атомная бомба.

Пока что физики научились создавать небольшие порции антивещества для изучения при помощи мощных ускорителей. Антивещество впервые было получено в 1955 г. на ускорителе частиц Университета Калифорнии в Беркли.

Тогда ученые получили антипротон, который, как и ожидалось, оказался полностью идентичен протону, за исключением того, что заряжен отрицательно. Это означает, что теоретически возможно существование всех антиэлементов, антилюдей, антиземель и даже антивселенных.

Обращаться с антивеществом чрезвычайно сложно — ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв. Поместить антивещество в обычный контейнер равносильно самоубийству — как только оно соприкоснется со стенками, произойдет взрыв.

Единственный способ — предварительно ионизировать антивещество, превратив его в ионный газ, а затем надежно запереть в «магнитную бутылку», где магнитное поле не даст ему соприкоснуться со стенками.

Хотя антивещество продолжает оставаться самой дорогостоящей субстанцией на Земле, его цена год от года резко падает.

Ученые в 1999 году оценили, что один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллионов долларов. Сейчас 1 грамм стоит наверняка дешевле.

Двигатель на антивеществе весьма эффективно бы превращал материю в энергию, поэтому теоретически это самый соблазнительный тип двигателя для звездолетов будущего.

Американский физик Джеральд Смит считает, что всего лишь 4 мг позитронов будет достаточно, чтобы доставить корабль с соответствующим двигателем на Марс всего за несколько недель.

Смит отмечает, что антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо.

И когда-нибудь, когда дальнейшие технические усовершенствования и массовое производство помогут снизить его стоимость еще сильнее, ракеты на антивеществе станут рабочими лошадками межпланетного, а возможно, и межзвездного сообщения, если, конечно, люди будущего не взорвут себя раньше какой-нибудь антибомбой.

Источник: https://youfact.tv/samoe-dorogoe-veshhestvo-na-zemle-antimateriya

Эксперимент с антиматерией раскрывает тайны Вселенной

Русская служба Би-би-си, 9 марта 2012, 15:41

Понятие «антивещество» возникло в научных кругах в конце XIX века, а в 1928 году легендарный британский физик Пол Дирак выработал теорию, которая предполагала, что вещество и антивещество имеют одинаковые свойства, за исключением заряда.

Теперь, согласно исследованию, результаты которого были опубликованы в научном журнале Nature, ученым удалось поймать частицы антиводорода и продлить их существование на длительный срок, позволяющий провести анализ их структуры.

Известно, что у каждой частицы во вселенной есть своя античастица, идентичная (или симметричная) ей во всех свойствах, но с противоположным зарядом. Соответственно, аналогом электрона и протона в антиматерии являются позитрон и антипротон, вместе формирующие антиатом — антиводород.

Суть же основной проблемы исследований в этой области заключается в том, что антиматерия крайне нестабильна и при взаимодействии с обычной материей частицы и античастицы аннигилируют, испуская при этом высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц.

В этом моменте и кроется одна из величайших тайн мироздания: если при создании Вселенной образовалось одинаковое количество вещества и антивещества, то почему она не исчезла в результате аннигиляции?

Впервые у ученых появился шанс дать ответ на этот вопрос экспериментальным путем и подтвердить тезис об идентичности свойств вещества и антивещества.

Группа международных специалистов, проводящая исследования на базе лаборатории ЦЕРН в Швейцарии, разработала способ отлавливать атом антиводорода и продлевать его существование на достаточно длительный период времени.

В 2010 году команде, работающей над проектом Alpha, удалось на долю секунду заключить 38 атомов антиводорода в «вакуумную ловушку»; в 2011 году они повторили эксперимент, но на этот раз им удалось задержать его на более чем 1000 секунд.

Постепенно завершив оптимизацию методов тестирования, физики смогли начать проводить анализ свойств антиматерии, что, по словам одного из сотрудников проекта Alpha, и было первоначальной целью данного эксперимента.

«На исследование вопроса, являются ли свойства материи и антиматерии идентичными, у нас ушло почти 20 лет, и теперь мы можем ответить на него экспериментальным путем», — говорит участник проекта Джеффри Хангст.

По словам ученых, это стало возможным благодаря так называемому «магнитному моменту» атомов — свойству, также характерному для обычных стержневых магнитов.

По аналогии с магнитно-резонансной томографией, в ходе которой атомы в теле человека под воздействием магнитных полей могут изменять свои параметры, точно также ученые сумели поменять магнитный момент антиатомов под воздействием микроволнового излучения.

«Когда это происходит, атом антиводорода из «ловушки», схожей с миской, в которой лежит шарик, переходит в состояние, аналогичное такому же шарику на вершине горки», — рассуждает доктор Хангст.

«То есть, он стремится скатиться вниз, и когда это происходит, на пути он сталкивается с обычной материей и аннигилирует, а мы фиксируем факт его исчезновения», — поясняет он.

При этом физики могут установить, какое именно количество энергии необходимо для того, чтобы «переключить» атом, но это лишь первый шаг в запланированной исследовательской группой программе опытов.

В частности, они рассчитывают прозондировать атомы антиводорода лучами лазера. Этот эксперимент поможет установить более четкую картину энергетических уровней во внутренней структуре антиатома.

«Не знаем, как на наше исследование отреагирует публика, — заключает Хэнгст. — Но для нас этот эксперимент стал самым крупным достижением за всю нашу карьеру».

Источник: https://korrespondent.net/tech/science/1327685-eksperiment-s-antimateriej-raskryvaet-tajny-vselennoj

Что такое Антиматерия?

Антиматерия относится к суб-атомных частицам, которые имеют свойства противоположные нормальным суб-атомным частицам.

Антиматерия — это противоположность нормальной материи.

Более конкретно, субатомные частицы антивещества обладают свойствами, противоположными свойствам вещества, характерного для обычного вещества. Электрический заряд этих частиц меняется на противоположный.

Антиматерия была создана вместе с материей после Большого взрыва, но антиматерия редко встречается в сегодняшней вселенной, и ученые не знают, почему.

Чтобы лучше понять антиматерию, нужно больше знать о материи. Материя состоит из атомов, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Каждый элемент имеет определенное количество атомов: водород имеет один атом; гелий имеет два атома; и так далее.

Вселенная атома сложна, так как она полна экзотических частиц , которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них.

Античастицы

В физике частиц каждый тип частицы имеет ассоциированную античастицу с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (например, электрический заряд).

Например, античастица электрона является антиэлектроном (который часто называют позитроном).

В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественно генерируется в некоторых типах радиоактивного распада. Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются их собственной античастицей. В противном случае для каждой пары частиц с античастицами одна обозначается как нормальная материя (из которой мы сделаны), а другая (обычно с приставкой «анти»), как в антиматерии.

Пары частицы-античастицы могут аннигилировать друг друга, производя фотоны; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют себя электронами, производя пары гамма-лучей, процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать анти-водородный атом, который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к созданию вселенной, состоящей почти целиком из материи.

Где это?

Частицы антивещества создаются в сверхскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого Взрыва существовала только энергия. По мере того как вселенная охлаждалась и расширялась, частицы как материи, так и антиматерии были получены в равных количествах. Почему материя стала доминировать, это вопрос, который ученые еще не обнаружили.

Одна теория предполагает, что в начале было создано более нормальное вещество, чем антиматерия, так что даже после взаимной аннигиляции было достаточно нормальной материи, оставшейся для образования звезд, галактик и нас.

Открытие антиматерии

Антиматерия была впервые открыта в 1928 году английским физиком Полом Дираком, которого журнал New Scientist назвал «величайшим британским теоретиком, как сэр Исаак Ньютон».

По словам журнала, Дирак объединил специальное уравнение относительности Эйнштейна (которое говорит, что свет — это самая быстрая движущаяся вещь во Вселенной) и квантовая механика (описывающая то, что происходит в атоме). Он обнаружил, что уравнение работает для электронов с отрицательным зарядом или с положительными зарядами.

Хотя Дирак сначала не решался поделиться своими выводами, но в конце концов сказал, что каждая частица во Вселенной будет иметь зеркальное отражение. Американский физик Карл Д. Андерсон открыл позитроны в 1932 году. Дирак получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, а Андерсон получил приз в 1936 году.

Двигатель на антиматерии

Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами материи, они аннигилируют друг друга и производят энергию. Это привело к тому, что инженеры предположили, что двигатель на антиматерии космического аппарата может быть эффективным способом исследования Вселенной.

НАСА предупреждает, что существует огромная уловка с этой идеей: для создания миллиграмма антиматерии требуется около 100 миллиардов долларов.

«Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, эта цена должна снизиться примерно в 10 000 раз», — пишет агентство. Выработка энергии создает еще одну головную боль: «Для создания антивещества требуется гораздо больше энергии, чем энергия, которую можно получить от реакции антивещества».

Но это не помешало НАСА и другим группам работать над улучшением технологии, чтобы сделать двигатель на антиматерии возможным.

Источник: https://tagweb.ru/2017/10/29/chto-takoe-antimaterija/

Ссылка на основную публикацию