Что такое антивещество и почему оно имеет значение?

04.11.2022

Физика

7 мин

1 008

Доброго здравия, друзья!

Сегодня мы узнаем что такое антивещество и почему оно имеет значение.

Антиматерия и обычная материя возникли одновременно во время Большого взрыва.

Это две стороны одной медали.

Они представляют собой обычную конфигурацию частиц, но с противоположными движениями или зарядами.

Противоположные частицы практически идентичны друг другу, обладают одинаковыми свойствами, отличаются только зарядом.

Отрицательно заряженные частицы в веществе, или, например, электроны, имеют противоположного двойника в антивеществе, позитрона с той же массой и спином, но с положительным зарядом.

Нейтральные частицы, такие как нейтроны в материи, также имеют свои аналоги из антиматерии.

И когда противоположные частицы сталкиваются, они сильно взрываются, высвобождая взрыв энергии.

Но мы пока не можем назвать это идеальной симметрией, поскольку ученые все еще пытаются сопоставить всех партнеров в обеих конфигурациях.

Частицы, подобные нейтрино в материи, например, по-прежнему являются синглтонами.

Кроме того, материя стала значительно доминировать в паре, и непропорциональная разница в их доступности до сих пор озадачивает ученых.

В 20-м веке антиматерия доминировала в научных дискуссиях, как и темная материя в 21-м веке.

Это также вдохновило новую волну искусства и литературы, в том числе художественных романов и фильмов, которые стали иконами популярной культуры.

Но вся эта помпезность и огласка сделали антивещество более вымышленным, а ложные утверждения из фильмов затмили реальное применение, которое постепенно обнаруживалось в ходе исследований.

Одним из таких приложений в реальной жизни является построение Стандартной модели физики, которая ведет к лучшему пониманию Вселенной и того, как она работает.

Как создается антивещество и как оно было обнаружено?

Люди впервые создали частицы антивещества в лабораториях после того, как они были выдвинуты гипотезой и обнаружены в природе.

И с тех пор они преследуют их бесчисленными сверхскоростными столкновениями на массивных ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРН.

На данный момент самым сложным из созданных элементов антивещества является антигелий, противоположный близнец гелия.

Большинство экспериментов было сосредоточено на создании антиводорода, противоположного водороду.

Антиматерия была впервые предложена британским физиком Полом Дираком (Paul Dirac) в конце 20-х годов.

Пытаясь связать две новые области современной физики, теорию относительности, изучающую расположение частиц во времени и пространстве, и квантовую механику, которая вращается вокруг субатомных свойств материи, он показал, как энергия частиц зависит от их скорость.

Его предположение, что энергия может быть отрицательной, когда частицы с одинаковым спином имеют противоположный заряд, сбило с толку ученых того времени.

Дирак впервые наткнулся на эту идею, когда пытался решить уравнение, описывающее движение электронов со скоростью, близкой к скорости света.

Его уравнения давали двоякие результаты — они могли быть как положительными, так и отрицательными.

Его идея поначалу поразила его, и он не решался ею поделиться.

Как и любая новая теория, предложение Дирака столкнулось с жестким сопротивлением, когда он, наконец, изложил его.

Лишь десять лет спустя появилось ощутимое доказательство.

В исследовании, проведенном физиком-технологом Карлом Андерсоном (Carl Anderson) из Американского Калифорнийского института, было обнаружено, что частицы космических лучей оставляют следы внутри камеры Вильсона, которые имеют поразительное сходство с антиэлектронами Дирака.

И Дирак, и Андерсон получили Нобелевскую премию по физике в 1933 и 1936 годах соответственно за свою работу.

Для Дирака его уравнения открыли измерение более низких энергий, которые в то время были намного ниже радаров обычной науки.

Он заявил, что весь «нормальный» диапазон энергий, зарегистрированный в лабораториях, был продуктом только «нормальных» частиц.

Однако «дыра» остается, когда частица переходит из более низкого энергетического состояния в распознаваемое более высокое состояние, создавая странное зеркальное отражение, которое мы можем наблюдать, или антивещество.

За прошедшие десятилетия было открыто больше пар частиц и античастиц.

Они были обнаружены при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой.

Также обнаружено, что они образуются в результате сильных гроз.

Антивещество встречается во Вселенной в результате множества естественных процессов.

Однако столкновение между антиматерией и материей разрушает и то, и другое, в результате чего возникает искра энергии.

Во вселенной, где доминирует материя, это означает, что антиматерия не существует слишком долго, прежде чем исчезнет.

Вселенная представляла собой огромный энергетический шар сразу после Большого взрыва, и по мере его охлаждения и расширения производились частицы и античастицы.

Антиматерия может помочь нам разгадать тайны Вселенной.

Как материя взаимодействует с антиматерией?

Антиматерия и материя имеют разные электрические заряды.

Когда материя и антиматерия сталкиваются, мы видим искру света, но для ученых частицы распадаются на гамма-излучение, форму энергии высокого уровня.

Гамма-распад является обычным явлением для многих различных излучающих материалов, таких как калий.

В научной фантастике высвобождение высокой энергии при столкновении античастиц с частицами использовалось для питания всего, от ракетных двигателей до оружия массового поражения.

Однако реальность на земле такова, что антивещество довольно сложно произвести.

При нынешних мощностях Большого адронного коллайдера ЦЕРН потребуется почти 100 миллиардов лет, чтобы произвести грамм антивещества.

Еще труднее хранить антивещество в ощутимых количествах для какого-либо практического использования.

Любой используемый контейнер сделан из материи, которая мгновенно уничтожает антиматерию.

Однако научные исследования показывают, что античастицы и частицы имеют совершенно идентичные свойства, и частицы могут быть заменены их античастицами — концепция, известная как CP-симметрия.

Также было высказано предположение, что к обоим применимы одни и те же законы физики.

А по законам физики они должны быть в наличии в равных количествах.

Но тогда, если они оба были созданы в равных количествах во время Большого Взрыва, они должны были мгновенно нейтрализовать друг друга при контакте, уничтожив все.

Однако, похоже, Вселенная изменила правила в пользу материи.

До сих пор ей удавалось удерживать непропорциональное количество материи для поддержания физического мира.

Относительная нехватка антивещества во Вселенной до сих пор остается большой загадкой для ученых.

Почему антивещества так мало?

Некоторые предположения с самого начала устраняют загадку, утверждая, что изначально после Большого взрыва материи было больше, чем антиматерии.

Теория утверждает, что было создано лишь незначительное количество антиматерии, и после первоначальной аннигиляции осталось огромное количество материи для формирования звезд и галактик.

Согласно теории, диспропорция составляла примерно один к одному миллиарду.

Другим вариантом было нейтрино, частица, еще не имеющая соответствия античастице.

Нейтрино имеют нейтральный заряд и почти не взаимодействуют с другими частицами.

Теоретически нейтрино могут быть их античастицами.

Несколько нейтрино могут время от времени переходить в низкоэнергетические состояния античастиц, но остальные в основном остаются в своих высокоэнергетических состояниях.

На универсальном уровне это могло бы объяснить преобладание высокоэнергетических состояний.

Но до сих пор эксперименты были безрезультатными.

Пока что ничто в физике не наделяет материю качествами, которые объясняли бы ее господство.

А поскольку пары частиц идентичны во всех измерениях, возникает вопрос, почему они должны существовать отдельно, а не только одна или вообще ничего.

И почему заряд превратился в энергетический суп при контакте?

Мы могли бы получить больше подсказок из радиоактивных экспериментов, производящих неравное количество частиц и античастиц.

Но расхождение в этих экспериментах не идет ни в какое сравнение с расхождением на универсальном уровне.

Большой андронный коллайдер кишит активностью античастиц, и ученые с каждым днем узнают все больше о зеркальных свойствах.

Например, исследовательская группа Большого андронного коллайдера показала несколько значительную разницу в количестве заряда позитронных частиц антиводорода по сравнению с их электронным аналогом.

Другие исследователи изучают влияние таких сил, как гравитация и электромагнетизм, на противоположные частицы.

Ожидается, что эти эксперименты также приведут нас к новаторским открытиям в таких областях, как квантовая механика и теория относительности.

Каковы некоторые реальные применения антивещества?

Антиматерия лежит в основе процессов радиоактивного распада, используемых в позитронно-эмиссионных томографах (ПЭТ) в больницах.

Этот сканер позволяет получать высокоточные изображения внутренних частей тела.

Искра энергии от столкновения антиматерии с материей может найти применение в космических путешествиях.

Инженеры предложили топливо из антивещества как более энергоэффективный способ питания космического корабля.

Идея была серьезно рассмотрена НАСА для путешествия на Марс и отправки зондов к ближайшей звездной системе, Альфе Центавра.

Энергия столкновения материи и антиматерии может заставить космический корабль летать со скоростью, близкой к световой, но при этом достаточно медленной, чтобы делать наблюдаемые изображения.

Небольшая унция топлива может питать космический корабль на околосветовых скоростях в течение десятилетий.

Тем не менее, идея непомерно дорогая с современными технологиями.

Как отмечалось ранее, для производства унции антивещества требуется невероятное количество ресурсов.

По словам Джеральда Смита из «Positronics Research LLC», «приблизительная оценка производства 10 миллиграммов позитронов, необходимых для пилотируемой миссии на Марс, составляет около 250 миллионов долларов с использованием технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки».

Это кажется довольно дорогим, но это недалеко от отметки текущих расходов.

С современными технологиями подъем в космос фунта стоит 10 000 долларов.

Путешествие человека на Марс обойдется в восьми- или девятизначную сумму.