У каждой частицы нашего мира, будь то протон или нейтрон, есть «близнец» ― античастица. Она обладает той же массой, но имеет противоположный электрический заряд и другие квантовые свойства. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция — взаимное уничтожение с выделением колоссального количества энергии. Из множества античастиц складывается антиматерия, о тайнах и возможностях которой мы расскажем в статье.
Главное об антиматерии
Перечислим несколько ключевых фактов об антиматерии.
- Антиматерия — это полноценная материя, состоящая из античастиц. Даже физики в экспериментах отличают частицу от античастицы весьма условно.
- При контакте антиматерии с материей происходит аннигиляция — взаимное уничтожение с выделением огромной энергии.
- Антиматерию невероятно сложно создать и сложно удержать: для хранения используют магнитные ловушки и очень высокий вакуум.
- Антиматерия — самая дорогая субстанция на Земле: стоимость одного грамма оценивается в десятки триллионов долларов.
- Согласно существующим представлениям, после Большого взрыва материи и антиматерии должно было образоваться поровну. Однако Вселенная почти полностью состоит из материи.
История открытия антиматерии
История обнаружения антиматерии началась не в лаборатории, а в записях великих физиков-теоретиков.
В 1928 году британский ученый Поль Дирак пытался объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна. Выведенное им уравнение имело два решения: одно описывало привычный электрон, а второе — появление частицы с такой же массой, но с положительным зарядом. Дирак сначала предположил, что перед ним протон, а не антиэлектрон. Но вскоре он отказался от этой идеи.
Странная частица, позже названная учеными позитроном, была экспериментально обнаружена всего четыре года спустя. В 1932 году американский физик Карл Андерсон исследовал высокоэнергетические частицы, пролетающие через камеру Вильсона. По образующимся в ней каплям воды он заметил след частицы, которая вела себя как электрон. Однако ее путь изгибался в магнитном поле в противоположную сторону.
Свойства антиматерии
Антиматерия — это почти точное зеркальное «отражение» обычной материи.
- Масса. Античастицы имеют точно такую же массу, как и их «партнеры»-частицы.
- Заряд. У античастиц заряд противоположен заряду «близнеца». Например, у позитрона — положительный, у антипротона — отрицательный.
- Аннигиляция. Самое известное свойство антиматерии. При встрече частицы и античастицы «исчезают», преобразуясь в пары частиц-античастиц или в чистую энергию в виде фотонов (гамма-излучение).
Однако аннигиляция — самый эффективный источник энергии во Вселенной, так как вся масса частицы и античастицы выделяется в виде энергии. Например, аннигиляция половины грамма материи и половины грамма антиматерии выделит энергию, сравнимую со взрывом атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки в 1945 году. Если бы не заоблачная стоимость антиматерии и отсутствие возможности создать много античастиц, люди почти наверняка изобрели бы аннигиляционное оружие.
Другие свойства антиматерии еще изучаются. Так, под действием гравитации Земли она в теории должна была падать вниз. Эксперименты с антиводородом, которые проводились в CERN в 2023 году, подтверждают это, но исследования продолжаются.
Еще одна головоломка для ученых ― то самое отсутствие равновесия между объемами материи и антиматерии в космосе. Наш мир практически полностью состоит из материи, а антиматерия в теории рождается естественным образом в очень небольших количествах лишь там, где высокоэнергетические космические лучи врезаются в вещество.
Как создают антиматерию
Получить антиматерию в лаборатории — очень сложная задача. Для этого требуются огромные энергии. Основной фабрикой по производству античастиц на сегодняшний день является Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN). Эксперименты проводятся на Большом адронном коллайдере. Удержание (замедление и охлаждение) антипротонов производится, например, в накопительном кольце ELENA.
Процесс получения антиматерии состоит из следующих этапов:
- Ученые разгоняют пучки протонов до околосветовых скоростей и сталкивают их с плотной мишенью из металла.
- В результате таких столкновений рождается множество частиц, а также появляются пары частиц и античастиц.
- Рожденные античастицы охлаждают, замедляют и направляют в специальные установки-ловушки, такие как накопительное кольцо ELENA или антипротонный замедлитель. Без этого античастицы бы аннигилировали, столкнувшись со стенками установки.
Также позитроны появляются в ходе некоторых радиоактивных распадов.
Самым сложным достижением на сегодняшний день стало получение и удержание атомов антиводорода. Ученым удалось не только создать их, но и удержать на достаточно долгое время для изучения их свойств.
Применение антиматерии в науке и технике
Несмотря на сложность работы с антиматерией, ей уже сегодня находят практическое применение.
- Медицина. Антиматерия появляется при ПЭТ-сканировании живого организма. Это самый известный пример. В организм вводят препарат, который испускает позитроны. Они замедляются и аннигилируют с электронами вещества, выделяя гамма-лучи. Детекторы фиксируют это излучение и строят точную 3D-модель процессов внутри тела, что незаменимо для диагностики онкологических заболеваний.
- Изучение свойств антивещества. Сравнивая спектры водорода и антиводорода, ученые проверяют фундаментальные физические теории. Любое малейшее различие между ними изменило бы современную физику.
- Перспективные разработки. Ведутся исследования, которые потенциально позволили бы использовать антиматерию в качестве составляющей двигателей для межзвездных перелетов, а также новых источников энергии. Теоретически это возможно, но пока энергозатраты на производство антиматерии многократно превышают выход энергии при аннигиляции.
Загадки и перспективы изучения антиматерии
Антиматерия хранит величайшую тайну мироздания — барионную асимметрию Вселенной. То самое преобладание материи над антиматерией в космосе.
Согласно Стандартной модели ― физической теории, описывающей взаимодействия всех элементарных частиц, ― во время Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Как мы уже знаем, последующие столкновения частиц и античастиц должны были привести к уничтожению друг друга, оставив после себя лишь излучение.
Однако на каждые миллиард пар частица-античастица осталась одна «лишняя» частица материи. Из этого «излишка» и состоит все, что мы видим: звезды, планеты и мы сами.
Барионная асимметрия Вселенной — это одна из главных «головных болей» современной физики. Пока что ни одно объяснение ученых не было признано научно достоверным. Очевидно одно: Стандартную модель нужно дополнять. В попытке разобраться ученые построили Большой адронный коллайдер и планируют коллайдер FCC. В России соответствующие эксперименты будут проводиться на коллайдере NICA.
Вопросы и ответы
Чем антиматерия отличается от темной материи?
Это совершенно разные понятия, которые часто путают.
- Антиматерия — это вещество из античастиц. Мы можем ее создавать и изучать. Процесс аннигиляции пропустить невозможно.
- Темная материя — это пока еще гипотетическая форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Соответственно ее нельзя увидеть напрямую, а проявляет она себя только через гравитационное воздействие на галактики. Из чего состоит темная материя — до сих пор загадка для науки, хотя ученые то и дело выдвигают предположения о том, какие частицы являются составляющими темной материи.
Сколько стоит грамм антиматерии?
Антиматерия — самый дорогой материал на Земле. По некоторым оценкам, производство одного грамма антивещества потребовало бы энергии, на выработку которой человечеству пришлось бы работать несколько миллиардов лет при современном уровне технологий.
Стоимость одного грамма антиматерии может достигать десятков триллионов долларов США. Пока что ученые производят ее в количествах, измеряемых отдельными атомами или нанограммами.
В каком году физики впервые создали антиматерию?
Первую античастицу — позитрон — обнаружили в 1932 году с помощью камеры Вильсона. Однако целый атом антиводорода был впервые синтезирован значительно позже. Это удалось сделать в CERN в 1995 году.
В 2010 году ученые впервые смогли удержать атомы антиводорода в магнитной ловушке на целых 17 минут, что стало настоящим прорывом, так как позволило детально изучить их свойства.
