Как получают антивещество


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.


рабль «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.
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.

Источник: MilitaryArms.ru

В 1928 году британский физик Поль Дирак вывел уравнение, объединяющее квантовую теорию и специальную теорию относительности для описания поведения электрона, который движется
с релятивистской скоростью (relativus — относительный).

Иллюстрация: Public Domain / Поль Дирак

В 1933 году Дирак удостоен Нобелевской премии за выведенное уравнение. Подобно уравнению x²=9 (либо x=3, либо x=-3), уравнение Дирака также имеет два возможных варианта решения: первое для электрона с положительной энергией, второе для электрона, обладающего отрицательной энергией.

Однако на тот момент классическая физика (и здравый смысл) диктовали, что энергия частицы исключительно выражается положительным числом.

Дирак интерпретировал собственное уравнение таким образом, что для каждой частицы существует соответствующая античастица, в точности
её повторяющая, но с противоположным зарядом.

Например, для электрона существует "антиэлектрон" или позитрон, абсолютно идентичный во всех отношениях, но обладающий положительным электрическим зарядом.

Иллюстрация: Public Domain / Фото из камеры Вильсона / Трек от позитрона

Это открытие фактически распахнуло понимание того, что могут существовать целые галактики, состоящие из антиматерии.

Но в случае контакта материи и антиматерии, они аннигилируют — исчезая во вспышке энергии. Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Но возникает вопрос, на который пока сложно ответить, почему во Вселенной гораздо больше материи?

Антиматерия образуется естественным образом при различных распадах природных, радиоактивных изотопов, например, калий-40. Также античастицы возникают в среде с достаточно высокой температурой (молнии, например).

Кроме того аниматерию можно получить искусственно в укорителях частиц. В частности, этим занимается ЦЕРН.

Антиматерия имеет ряд применений, как предполагаемых, так и уже вполне реальных.

Рассматривалась в качестве одного из составляющих ядерного оружия. Однако её достаточно сложно получить в больших количествах и нет чёткого понимания решения этой задачи.

Иллюстрация: Wikimedia Commons/Luc Viatour/CC BY-SA 3.0

Изолированная, накопленная антиматерия может использоваться
в качестве топлива для космических путешествий. Вероятно, одного грамма будет достаточно для пилотируемой миссии на Марс.

Так, при реакции 1 кг антиматерии с 1 кг вещества выделилась бы энергия в 180 петаджоулей, чуть меньше отдачи Царь-бомбы, весом 26 500 кг, крупнейшего термоядерного оружия, когда-либо взорванного.

Наконец, реальное применение это позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Чрезвычайно полезный и ценный инструмент,
для изучения функционирования организма.

Человеку дают сахар, содержащий радиоактивный кислород, полученный в медицинском циклотроне. Кислород испускает позитроны, мгновенно аннигилирующие, излучающие гамма-лучи.

Один позитрон дешёв, его стоимость менее цента. Но он очень маленький и весит около 10⁻²⁷ грамма. Подсчитано, что на производство всего 10 миллиграммов позитронов потребуется $250 млн.

А за грамм антиводорода придётся выложить целых $62.5 триллиона. Для сравнения на производство атомного оружия в рамках Манхэттенского проекта потребовалось $23 млрд с учётом инфляции.
Обязательно подписывайтесь, Вам также понравится:
Что произойдёт, если на Земле возникнет звук громкостью в 1100 децибел?
Как понимать фразу, что Вселенная простирается на 93 миллиарда световых лет, если ей всего 13.8 млрд лет?
Как Эрнесту Резерфорду удалось получить золотую фольгу толщиной 1000 атомов в начале XX века?

Источник: zen.yandex.by

Простейшие атомы антиводорода

В последние 25 лет ученые смогли создать простейшие атомы антиматерии и держать их стабильными в виде антиводорода. Проведены измерения и определена внутренняя структура антиводорода.

антиводород

Если позитрон и электрон сталкиваются, они будут уничтожать друг друга и выплескивать энергию. То же самое для взаимодействия протон – антипротон. Так как наша Вселенная полна электронов, протонов и различных комбинаций, это исключительно трудно держать античастицы вокруг очень долго.

Атомная Вселенная является сложной, так как полна экзотических частиц со свойствами спина (вращение вокруг своей оси) и особенностей, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них.

Античастицы

Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как “возбуждаются” электроны (то есть, сколько энергии у них есть).

В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом.

В циркулярном ускорителе на встречных пучках как большой адронный коллайдер частицы получают удар энергии каждый раз, когда они завершают вращение.

Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки.

Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях.

Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя.

Как образовалась материя Вселенной

Частицы антиматерии создаются при высокоскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого взрыва существовала только энергия. Поскольку Вселенная охлаждается и расширяется, частицы как вещества, так и антивещества были произведены в равных количествах. Почему одна материя стала доминировать над другой это ученым еще предстоит открыть.

Физики – теоретики античастиц

Антивещество впервые было предсказано в 1928 году английским физиком Поль Дираком, которого английские ученые назвали “величайшим теоретиком Британии, как сэр Исаак Ньютон».

Дирак собрал специальное уравнение относительности Эйнштейна (в котором говорится, что свет имеет определенную скорость во Вселенной) и квантовую механику (которая описывает то, что происходит в атоме). Он вывел уравнение для электронов с отрицательным и с положительным зарядом. Дирак в конце концов сказал, что каждая частица во Вселенной будет иметь зеркальное отображение. Американский физик Карл Д. Андерсон обнаружил позитроны в 1932 г.

Дирак получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, а Андерсон получил премию в 1936 году.

Антивещество на космическом корабле

антиматерияКогда частицы антивещества взаимодействуют с частицами вещества, они уничтожают друг друга и производят энергию.

Это дало повод инженерам предположить, что антивещество может быть колоссальной и эффективной энергией для космического корабля, чтобы исследовать Вселенную.

Однако, по состоянию на сейчас антиматерия стоит около $ 100 млрд, чтобы создать миллиграмм антивещества. Это тот минимум, который будет необходим для применения. Для того, чтобы эта энергия была коммерчески жизнеспособной, эта цена должна была бы упасть примерно в 10000 раз. Сейчас электроэнергии необходимо гораздо больше, чтобы создать антиматерию, чем получить обратно от реакции антивещества.

Но это не останавливает ученых от работ по совершенствованию технологии, чтобы сделать возможным применение антиматерии в космических аппаратах. Ученые утверждают, что вполне возможно, что антивещество можно было бы использовать через 50-70 лет в будущем.

Сейчас прорабатываются варианты как космический аппарат может работать на этом топливе.

Конструкция предусматривает гранулы дейтерия и трития (тяжелые изотопы водорода с одним или двумя нейтронами в ядрах, в отличие от общего водорода, который не имеет нейтронов). Антипротонный луч будет воздействовать на гранулы. После того, как антипротоны достигнут урана, они будут уничтожены с созданием продуктов деления, которые были бы искрой реакции термоядерного синтеза. Использование этой энергии может заставить космический аппарат двигаться.

Ракетные двигатели на антиматерии гипотетически возможны, но основное ограничение это сбор достаточного количества антивещества, чтобы это произошло. Самые дорогие вещества в мире сейчас – это антиматерия.

В настоящее время нет технологии для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимой для всех приложений.

Источник: v-nayke.ru

Во второй половине XIX века учёные пытались создать обобщающую теорию строения материи. В ходу тогда была концепция эфира, утверждавшая, что существуют мельчайшие частицы, которые наполняют всё сущее и передают наблюдаемые взаимодействия, в том числе и гравитацию.

Чтобы объяснить, как из эфирных частиц формируется материя, английский математик Карл Пирсон в книге «Грамматика науки» (The Grammar of Science, 1892) выдвинул гипотезу, что эфир — продукт более высокого, четвёртого измерения, а в нашем трёхмерном пространстве он проявляется как сочетание «эфирных струй». Пирсон не смог ответить, откуда и куда текут «струи», но предположил, что направление им задаёт взаимодействие материи нашего трёхмерного мира и «отрицательной» материи, скрытой в четвёртом измерением.

В 1898 году, вскоре после открытия электрона, идею «отрицательной» материи попытался развить английский физик Артур Шустер. Он был сторонником идеи глобальной симметрии, на основе которой и строил свои рассуждения. Как известно, электрон — это отрицательно заряженная субатомная частица, и физик предположил, что должен существовать и его «симметричный» аналог с положительным зарядом, называемый антиатомом.

Письма в научный журнал не были полноценной теорией — скорее результатом случайного озарения. Коллеги восприняли их скептически, однако вскоре стало ясно, что идея Шустера не так уж далека от реальности.

В начале XX века физика зашла в тупик. Теория эфира, призванная описать мир, не подтверждалась экспериментами. На помощь пришла появившаяся в 1920-х квантовая механика. Параллельно сформировалась специальная теория относительности (релятивистская механика), которая описывает эффекты, проявляющиеся при очень больших скоростях. В какой-то момент учёные решили «скрестить» два предельных случая: большие скорости (релятивистская механика) и субатомные расстояния (квантовая механика). Довольно быстро вывели уравнение, связывающее две новые механики. Вот только решения этого уравнения приводили к парадоксам, в том числе к описанию частиц с отрицательными энергиями. Как такое возможно? Ответить на вопрос взялся английский физик Поль Дирак.

Работы Поля Дирака вполне сопоставимы по значению с теорией Эйнштейна, но англичанин менее известен, чем прославленный коллега, поскольку отличался большой скромностью, а его замечательные открытия трудны для понимания. А ведь именно Дирак предложил изящный математический аппарат, позволяющий описывать процессы, происходящие на субатомном уровне. Благодаря своим формулам он сумел объяснить природу корпускулярно-волнового дуализма и описать так называемое «квантовое поле», то есть выразить через формулы всю совокупность состояний микрочастиц.

В 1927 году Дирак взялся применить специальную теорию относительности к субатомному миру. В результате он создал релятивистскую теорию электрона, которая через пять лет принесла ему Нобелевскую премию по физике. Однако открытие Дирака поставило перед учёными очередной трудный вопрос. Его формулы согласуются друг с другом, только если предположить, что во Вселенной ровно столько же антивещества, сколько и вещества. Но этого не наблюдается — иначе мы видели бы непрерывные аннигиляционные процессы, сопровождаемые мощным выделением энергии.

Чтобы объяснить парадокс, учёный придумал гипотетическую модель вакуума, позднее получившую название «море Дирака». Согласно этой модели, всё пространство заполнено «ненаблюдаемыми» электронами. При приложении внешней энергии электрон переходит с «ненаблюдаемого» уровня на «наблюдаемый». На его месте образуется «дырка», имеющая массу электрона, но противоположный заряд, — то есть рождается антиэлектрон. При аннигиляции (то есть при столкновении электрона и антиэлектрона) электрон снова заполняет «дырку» и становится «ненаблюдаемым», возвращая реальности то количество энергии, которое приобрёл ранее, когда переходил в «наблюдаемое» состояние.

Поскольку к моменту, когда Дирак сформулировал свою концепцию, физики знали о существовании всего трёх субатомных частиц — фотона (квант света), электрона (квант отрицательного заряда) и протона (квант положительного заряда), он предположил, что «дыркой» является протон. Коллеги встретили новую идею Дирака с большим скепсисом: протон в 2000 раз тяжелее электрона, и было неясно, из-за чего образуется подобная разница в массе.

Если Дирак прав, то получалось, что атом водорода состоит из электрона и «дырки». Поскольку электрон стремится занять состояние с меньшей энергией, то он неизбежно должен «упасть» на протон и аннигилировать, превратившись в гамма-кванты (фотоны высоких энергий). Молодой американский физик Роберт Оппенгеймер, будущий «отец» первой ядерной бомбы, посчитал, что в таком случае время жизни атома водорода составит 10^−10 секунды.

Посыпались насмешки. Например, швейцарец Вольфганг Паули заявил, что любую физическую теорию нужно применять прежде всего к её автору, — следовательно, Дирак должен давно исчезнуть во вспышке света. Даже великий Нильс Бор пошутил, заявив, что знает, как поймать слона: надо разместить на тропе, по которой слоны ходят на водопой, плакат с изложением концепции Дирака; слон прочтёт, задумается, и в этот момент его можно брать голыми руками.

Поль Дирак и сам понял, что протон не годится на роль «дырки», поэтому выдвинул новую гипотезу в сентябре 1931 года: «Дырка должна быть новым типом частицы, неизвестной ещё в экспериментальной физике. У неё должна быть та же масса, что и у электрона, а заряд — противоположный заряду электрона. Мы можем получить такие частицы экспериментально в высоком вакууме, где они будут вполне стабильны и доступны для изучения. Столкновение двух жёстких гамма-лучей должно привести к одновременному рождению электрона и антиэлектрона… протоны же должны иметь свои собственные состояния с отрицательной энергией».

Осмысленный результат был получен, когда поисками позитронов занялся американский физик Карл Андерсон. В августе 1932 года он зарегистрировал их, исследуя космическое излучение. Теоретические выкладки Дирака и Шустера были подтверждены экспериментально.

Началась «охота» на позитроны. Ещё через два года знаменитые французские экспериментаторы-ядерщики Ирен и Фредерико Жолио-Кюри зафиксировали позитроны, рождающиеся в результате радиоактивного распада изотопов различных веществ. Тогда появилась альтернативная таблица химических элементов, составленная инженером Чарльзом Джанетом: она учитывала открытия в области квантовой механики и могла быть использована для описания антивеществ.

Однако позитрон — это всего лишь субатомная частица; антиатом должен состоять ещё из антинейтрона и антипротона. Зарегистрировать их оказалось гораздо сложнее. Антипротон был получен только в 1955 году на специальном ускорителе «Беватрон» в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли; там же через год удалось по косвенным признакам определить наличие антинейтрона. В 1965 году в Европейском центре ядерных исследований были синтезированы ядра дейтерия (стабильного изотопа водорода), сложенные из антипротона и антинейтрона.

Теория, придуманная Полем Дираком буквально «на кончике пера», получила подтверждение в наблюдениях и экспериментах. Антивещество оказалось реальным! Напрашивался вывод, что где-то есть планеты, звёзды и даже галактики, целиком состоящие из антивещества, причём их количество, если принцип глобальной симметрии работает, не должно уступать количеству космических объектов, состоящих из обычной материи.

К такому умозаключению пришёл американский физик Владимир Рожанский, опубликовавший в 1940 году статью «Гипотеза о существовании неземельной материи» (The Hypothesis of the Existence of Contraterrene Matter). За пять лет до этого Рожанский ввёл понятия «земелье» (terrene) и «неземелье» (contraterrene) для объектов, состоящих из вещества и антивещества соответственно. Физик был убеждён, что Вселенная переполнена антивеществом, но в Солнечной системе его осталось мало — антивещество аннигилировало на заре ее формирования.

В то же время среди тел, которые иногда к нам прилетают (кометы, метеороиды), вполне могут оказаться «неземельные». Их можно обнаружить по аномально высокой температуре поверхности и характерному гамма-квантовому излучению, которое они должны испускать при столкновениях с частицами «земельного» вещества. Гипотезу Рожанского поддержал астроном Линкольн Лапас, который заявил, что с её помощью можно объяснить наличие на земле ударных кратеров, в которых не обнаружено метеоритного вещества.

Статья «Гипотеза о существовании неземельной материи» попалась на глаза Джону Кэмпбеллу-младшему — писателю и редактору знаменитого журнала Astounding Science Fiction, давшего путёвку в жизнь не одному культовому фантасту. Он всегда внимательно следил за достижениями физики и астрономии, предлагая авторам, сотрудничавшим с его журналом, свежие идеи для рассказов. Гипотетические тела из антивещества захватили его воображение: Кэмпбелл решил, что в будущем отчаянные космонавты будут охотиться за ними на окраинах Солнечной системы, пренебрегая опасностью случайного соприкосновения, которое чревато мгновенной аннигиляцией.

Сначала Джон Кэмпбелл предложил написать об охотниках за «неземельными» телами Роберту Хайнлайну, но тот отказался. Пришлось искать более сговорчивого автора. В итоге за тему взялся опытный фантаст Джек Уильямсон, публиковавшийся в то время под псевдонимом Уилл Стюарт. В июле 1942 года появилась первая новелла «Орбита столкновения» (Collision Orbit): в ней рассказывалось о космическом инженере Джиме Дрейке, который научился управлять астероидами из антивещества с помощью магнитных полей.

Следующая история «Знак минус» (Minus Sign) о сыне инженера Рике Дрейке появилась в ноябрьском номере за тот же год, а ещё более пространный текст «Противоположное действие» (Opposites — React!) — в январском и февральском номерах следующего года. В 1951 году цикл был издан в виде книги под названием «Неземельный корабль» (Seetee Ship). Отдельно вышел и тематически связанный с циклом роман «Неземельный удар» (Seetee Shock, 1949), известный у нас под заголовком «Судьба астероида».

Благодаря Джону Кэмпбеллу и Джеку Уильямсону тема «неземельной» материи, которую со временем всё-таки стали по старинке называть «антиматерией», сделалась одним из обязательных атрибутов фантастики о космическом будущем человечества. Скажем, именно на двигателе, использующем аннигиляцию антивещества, летает корабль «Энтерпрайз» из бессмертной саги «Звёздный путь».

Антиматерия. Позитроны. Миры из антивещества 3

В дальнейшем фантасты неоднократно обыгрывали гипотезу Рожанского. Например, в романе Джеймса Блиша «Триумф времени» (A Clash of Cymbals, 1958) о ней рассказывается как о доказанном факте, имеющем значительные космологические последствия. В повести польского писателя и астронома-любителя Кшиштофа Боруня «Антимир» (Antyświat, 1960) представлена бесславно провалившаяся попытка контакта землян с обитателями системы звезды Процион, которая оказалась полностью состоящей из антивещества. Известный научный фантаст Ларри Нивен в остроумной новелле «Брюхошлёп» (Flatlander, 1967) описал несущуюся с релятивистской скоростью сквозь пространство «протозвезду», вокруг которой вращается «антипланета». Персонажи отправляются на «самую странную» планету в Галактике и только после прибытия выясняют, что она состоит из антивещества

Концепцию антимира развил и Иван Ефремов в романе «Час Быка» (1970). Ефремов описывал антимир как некое чёрное инфернальное пространство:

«Антимир, чёрный мир был назван учёными Тамасом, по имени океана бездеятельной энергии в древнеиндийской философии. Он во всех отношениях полярен нашему миру и поэтому абсолютно не воспринимаем нашими чувствами. Только недавно специальными приборами, как бы «вывернутыми» по отношению к приборам нашего мира, условно названного миром Шакти, начали нащупывать контуры Тамаса».

Вдохновлённые успехами науки по синтезированию позитронов, фантасты пришли к мнению, что для достижения антимира вовсе нет необходимости летать в дальний космос — достаточно построить оборудование, способное преодолеть незримый барьер, находящийся в высших измерениях пространства-времени. Такой вариант можно найти в рассказах советских писателей Олеся Бердника «Путешествие в антимир» (1962), Анатолия Днепрова «Лицом к стене» (1962), Севера Гансовского «Кристалл» (1969). Впрочем, игры с измерениями могут привести к инверсии материи в антиматерию, что чревато негативными последствиями, как в романах Чарльза Харнесса «Кольца Риторнеля» (The Rings of Ritornel, 1968) и Владимира Михайлова «Дверь с той стороны» (1971) — в последней рассказывается о злоключениях космонавтов, тела которых превратились в антиматерию.

Складывалось впечатление, что антивещество — это нечто распространённое и доступное, ведь позитроны, как выяснилось, испускает даже человеческое тело (точнее, изотоп калий-40, который в нём содержится). И тут природа подбросила сюрприз.

Первооткрыватели антипротона и антинейтрона получили Нобелевскую премию, и о них активно писала пресса. Казалось, что ещё немного — и будет освоен источник неиссякаемой энергии за счёт аннигиляции. Например, подсчитано, что при взаимодействии 1 кг вещества с 1 кг антивещества выделится энергия, соответствующая взрыву 43 мегатонн тротила. Это сопоставимо с энерговыделением термоядерной «Царь-бомбы», которая весила 26,5 т. Поэтому футурологи конца 1950-х годов ожидали, что аннигиляция будет повсеместно использоваться на электростанциях или даже на звездолётах.

Идею фотонного двигателя выдвинул австрийский учёный Эйген Зенгер. Он вошёл в историю как конструктор межконтинентального бомбардировщика «Серебряная птица» (Silbervogel), который он проектировал во время войны для авиации Третьего рейха. В 1956 году Зенгер опубликовал солидную монографию «К механике фотонных ракет» (Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe). Она почти сразу была переведена на русский язык и стала одним из источников вдохновения для Аркадия и Бориса Стругацких, которые в то время активно работали над своим первым романом «Страна багровых туч» (1959).

Идея Зенгера была проста: при контакте вещества и антивещества образуются фотоны высоких энергий; если их направить на поверхность с высокими отражающими свойствами (идеальное зеркало), то возникнет реактивный импульс, причём можно достичь скоростей, близких к световой. Растущая известность братьев Стругацких и многочисленные статьи, в которых популяризировалась идея фотонных ракет, сделали её актуальной на два десятилетия — по крайней мере, в советской литературе (кстати, на фотонной тяге летает и «Непобедимый» из одноимённого романа Станислава Лема).

Однако позднее выяснилось, что при аннигиляции получаются не чистые гамма-кванты, а довольно пёстрая смесь субатомных частиц, из-за чего две трети энергии невозможно использовать в двигателе. Серьёзные трудности вызывает и создание «идеального зеркала». Но самым сложным оказалось получить антивещество. Поиски, предпринятые астрономами, и исследования Солнечной системы с помощью межпланетных аппаратов показали, что в обозримом космосе нет гипотетических «неземельных» объектов Рожанского. Хуже того, никак не удаётся синтезировать достаточное количество антивещества, ведь добывать его можно только в огромных ускорителях частиц — «беватронах» и «тэватронах», а хранить придётся в сильном электромагнитном поле, поскольку, как мы помним, любое соприкосновение с веществом приводит к аннигиляции.

Все эти проблемы заставили учёных задуматься о том, что принцип глобальной симметрии по каким-то причинам нарушен. То есть вполне вероятно, что в момент рождения Вселенной возникли примерно равные количества вещества и антивещества, но потом, после аннигиляции, осталось только «обычное» вещество, из которого и сложился весь известный нам мир.

Гипотезу требовалось проверить, что и было сделано. Восемь лет продолжался эксперимент DZero на «Тэватроне» Национальной лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс). Исследователи из международной группы наблюдали сто триллионов столкновений протонов с антипротонами и обнаружили, что образующихся при аннигиляции мюонов на 1% больше, чем антимюонов.

Получается, что непосредственный опыт выявил фундаментальную асимметрию при рождении новых частиц: вещества всегда возникает больше, чем антивещества. Объяснения этому странному явлению нет. И до тех пор, пока оно не будет получено, мы не узнаем, куда исчезли антимиры, существующие сейчас лишь в нашем воображении.

Источник: www.MirF.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.