Антиматерия что это такое: Материя, антиматерия, темная материя — все самое интересное на ПостНауке

что это такое и какая разница между ними

Одним из древнейших понятий в физике является материя, ей дали определение ученые, которые стояли у истоков науки. Сейчас современные ученые классифицируют ее на четыре типа: обычная материя, негативная материя, темная материя и антивещество. Последние два типа часто путают между собой. Чтобы понять, в чем разница между темной материей и антиматерией, нужно узнать, чем является каждое из них. В этой статье ты найдешь определение данных терминов простыми словами. Мы рассмотрим отличия этих материй и особенности каждой из них. Ты убедишься, что физика бывает очень занимательной.

Подробное определение материи, каким его видят ученые, сложное. Антиматерия на сегодняшний день — это уже не гипотетическая концепция. После большого взрыва, когда вселенная начала остывать, было создано равное количество частиц и античастиц, это неоспоримый факт.

Помимо этого специалисты в области физики могут создавать античастицы самостоятельно в искусственных условиях. Для этого они сталкивают заряженные частицы из высоких энергий. Всегда, когда антивещество и его вещество соединяются, они аннигилируют, частицы и античастицы поступают точно так же. Их общая масса преображается в энергию и соответствует формуле E = mc2, это уравнение Эйнштейна.

Существование темной материи доказано вполне убедительными фактами, однако, провести непосредственное наблюдение не предоставляется возможным. Это и есть ключевое отличие между понятиями, которые мы рассматриваем. Чтобы понять, в чем заключаются другие отличия, нужно обратиться к определениям.

Об антивеществе

Так называют полную противоположность обычной материи. Она состоит из частиц, а антивещество — из античастиц. Частица и ее античастица обладают одинаковой массой, но их отдельные характеристики будут разными. Например, магнитный момент, заряд, спин, число лептонов и барионов будут обладать противоположными значениями.

Существование антиматерии в современном понимании предсказывали еще в 1928 году. Предположения принадлежали Полу Дираку. Согласно выдвинутой им теории, возможно существование частиц с равной массой электрона, но противоположным зарядом равного значения. В 1932 Карл Д.Андерсон смог доказать данную гипотезу. Он открыл существование позитрона, это двойник электрона или антиэлектрон, часть антиматерии. Ученый совершил данное открытие, когда изучал космические лучи.

Так была открыта первая античастица, и это стало прорывом для физики.

Если отталкиваться от стандартной модели, то у каждой частицы обычной материи есть аналог, и он представлен античастицей. Это еще не все, свой аналог есть и у кварка. К примеру, для нейтрона, протона и электрона таким аналогом будут антинейтрон, антипротон и позитрон соответственно. Существуют простейшие анти-атомы, самый простой из них — антиводород, в его состав входят позитрон и антипротон. Ученые пытаются создать анти-нуклеусы, которые будут тяжелее, чем антигелий, но у них до сих пор не получается этого сделать. Несмотря на то, что на данный момент практически не получается, если исходить из законов физики, это возможно.

В теории взаимодействие антивещества происходит в четырех видах: электромагнитное, гравитационное, сильное ядерное и слабое. Антиматерия тоже способна искривлять время-пространство так же, как это делает обычная материя.

О темной материи

По факту обнаружить темную материю, как это вышло с антивеществом, не удалось. Однако, открыты довольно убедительные доказательства ее существования. Длительные наблюдения позволили ученым сделать выводы, что должно существовать больше темного вещества, чем есть в нашей вселенной.

Как вспомогательное доказательство того, что темная материя есть, ученые используют спиральные галактики. С какой скоростью будет вращаться такая галактика, зависит от ее массы, они увеличиваются прямо пропорционально. Большинство спиральных галактик, включая наш Млечный путь, вращаются быстрее, чем предполагалось изначально. Выходит, что их масса должны быть выше, чем та, что специалисты наблюдают. Разница представлена отсутствующей или ненаблюдаемой материей, теоретически ее можно отнести к темной материи.

В соответствии с теми теориями, от которых отталкивается современная наука, темная материя может взаимодействовать только через слабые и гравитационные взаимодействия. Гравитационное влияние однозначно существует, оно заметно. Однако, темную материю, нельзя увидеть, и поэтому она труднодоступная, ее очень трудно обнаружить. Все было бы по-другому, если бы она могла производить электромагнитные и сильные взаимодействия.

В чем разница?

Антивещество не только обнаружено, но и может синтезироваться по воле человека, это происходит за счет сталкивания заряженных частиц высоких энергий. Более того, человечеству удалось создать искусственным путем антигелий и антиводород. Темная материя не наблюдаемая. Несмотря на то, что есть убедительные доказательства ее существования, на данный момент она существует только в теории.

Если и другие ключевые отличия темной материи и антиматерии. Что касается антивещества, которое образовалось в таком же количестве, что и обычное вещество, после большого взрыва, сегодня его практически не наблюдаем. Никто не знает, куда оно делось, но во вселенной его очень мало. Темной материи намного больше, чем обычной, но на данный момент мы знаем это только по подсчетам.

Физики открыли относительно простой способ создания антиматерии

Георгий Голованов

Самые большие загадки космологии связаны с антиматерией, которую, к тому же, трудно изучать — вещество это редкое и трудное для получения в лабораторных условиях. Команда физиков из США, Германии и Швеции разработала относительно простой способ производства антиматерии при помощи двух лазеров, направленных друг на друга. Столкновение двух лучей воспроизводит условия, близкие к тому, что происходит в нейтронной звезде, когда свет преобразуется в вещество и антивещество.

Антиматерия — в точности как обычное вещество, за исключением того, что ее частицы имеют противоположный заряд. Правда, это фундаментальное отличие имеет далеко идущие последствия: если антиматерия и материя встретятся, они уничтожат друг друга с выбросом энергии. Непонятно, почему Вселенная до сих пор не была уничтожена в таком взрыве и куда делось подавляющее большинство антиматерии.

Из-за этого, впрочем, антиматерию трудно изучать. Естественным путем она возникает в экстремальных условиях, например, в результате разряда молнии или рядом с черной дырой и нейтронной звездой, а искусственным образом ее можно получить в Большом адронном коллайдере.

Однако теперь исследователи разработали новый метод получения антиматерии, для которого достаточно небольшой лаборатории. Опытный образец оборудования еще не построен, но расчеты и моделирование показали, что принцип рабочий, пишет New Atlas.

В основе устройства — два мощных лазера, стреляющих лучами по дуге в боковые стороны пластикового блока. Сам блок испещрен крошечными микрометровыми каналами. Когда луч попадает в цель, он ускоряет облако электронов в материале и посылает их в разные стороны, пока они не столкнутся с облаком электронов, движущихся со стороны второго лазера.

От столкновения возникает множество гамма-лучей и, поскольку каналы очень узкие, вероятность столкновения фотонов оказывается выше. Так возникают частицы материи и антиматерии, в частности электроны и позитроны. А магнитные поля вокруг системы фокусируют позитроны в луч антиматерии и ускоряют их до чрезвычайно высоких значений.

«Такие процессы, вероятнее всего, происходят, в числе прочих, в магнитосфере пульсаров, то есть в быстро вращающихся нейтронных звездах, — сказал Алексей Арефьев, автор исследования, из Калифорнийского университета в Сан-Диего. — С помощью нашей новой концепции такие феномены можно будет имитировать в лаборатории, по крайней мере, до определенной степени, что позволит нам лучше их понять».

По словам ученых, новая технология позволяет получать в 100 000 раз больше позитронов, чем один лазер, а необходимая мощность аппаратов не слишком высокая. Луч антиматерии на выходе способен достигать 1 гигаэлектронвольт энергии в пространстве всего 50 микрометров, хотя обычно на это требуются большие ускорители частиц.

В прошлом году ученые ЦЕРН, работающие над экспериментом BASE, разработали новую ловушку для антиматерии, позволяющую безопасно перевозить это непостоянное вещество между разными корпусами. Это поможет физикам открыть фундаментальные загадки Вселенной.

Антиматерия | Ангелы и Демоны

В сильном жару Большого Взрыва частицы материи образовались из чистой энергии. Но для каждой сотворенной частицы материи рождался и «близнец» — «античастица», идентичная по массе, но с противоположным электрическим зарядом.

В первые мгновения своего существования Вселенная была сбалансирована, материя и антиматерия были созданы в равном количестве. Затем, всего через одну секунду после Большого взрыва, антиматерия почти исчезла вместе с почти всей материей, оставив мизерное количество материи в покое, чтобы сформировать все, что мы видим вокруг нас — от звезд и галактик до Земли и всего остального. жизнь, которую он поддерживает.

В Angels&Demons эта канистра украдена из секретной лаборатории ЦЕРНа. Он содержит один грамм антиматерии и предназначен для использования в качестве разрушительного оружия. Но что такое антивещество? Это реально? Это опасно? В этом разделе вы можете открыть для себя науку об антиматерии.

Изображение: © Columbia Pictures Industries, Inc. — все права защищены. Воспроизведено с разрешения.

Антиматерия: зеркальное отражение материи

Наш мир состоит из материи, которая состоит из трех типов частиц, называемых электронами, протонами и нейтронами. Каждая частица имеет определенную массу и электрический заряд. Например, электрон имеет отрицательный заряд, а протон положительный.

Частицы антивещества имеют ту же массу, что и частицы, из которых состоит наш мир, но несут противоположный заряд. Например, у электрона, имеющего отрицательный заряд, есть «двойник» из антивещества с той же массой, но с противоположным зарядом; мы называем «антиэлектрон» позитроном .

Частицы и античастицы идут вместе. Представьте, что вы сидите на песчаном пляже. Когда вы роете яму, вы также создаете кучу песка. Одно нельзя сделать, не создав другое: они дополняют друг друга, как частицы и античастицы.

Антиматерия и материя были созданы в равных количествах во время Большого взрыва, но сегодня мы не видим вокруг себя антиматерию.

Фундаментальные частицы

Протоны, нейтроны и многие другие частицы состоят из комбинаций 12
фундаментальных частиц, называемых кварками, которые также имеют античастицы с
противоположными зарядами. Антикварки, составляющие антипротоны, например
, несут заряды, противоположные кваркам, составляющим протоны.

Всю материю составляют 12 фундаментальных частиц, у каждой из которых есть «двойник» из антиматерии

E = mc

2

Знаменитая формула Эйнштейна означает, что «масса — это конденсированная энергия». Поскольку «с» — это скорость света, которая является очень большим числом, уравнение говорит нам, что небольшое количество массы содержит огромное количество энергии. Это похоже на обмен денег между разными валютами с огромным обменным курсом.

Масса 1 кг содержит энергию 90 миллионов гигаджоулей, что эквивалентно мировому потреблению энергии за 90 минут.

Сильнолетучий

Когда античастицы и частицы встречаются, они уничтожают друг друга. Этот процесс, называемый «аннигиляцией», высвобождает всю энергию, которая хранится в их массе. Аннигиляция может создать гамма-лучи или даже новые пары частица-античастица.

Ученые ЦЕРН исследуют большие загадки, такие как: если материя и антиматерия были созданы в равных количествах во время Большого взрыва, а материя и антиматерия аннигилируют, то почему вся эта материя осталась, чтобы сформировать нашу Вселенную?

10 странных физических фактов об антиматерии

Футуризм

7. 11. 15 от Sarah Marquart

/ Hard Science

Бананы производят позитроны, Вселенная асимметрична и другие интересные факты об антиматерии.

/ Твердые науки/ Антиматерия/ Большой взрыв/ ЦЕРН

7. 11. 15 Сара Маркварт

Изображение НАСА

Что такое антиматерия?

Антиматерия — это не просто вымышленное топливо, питающее «Энтерпрайз» во время его путешествий по «Звездному пути ». Наоборот, антивещество — это то, что ученые в настоящее время используют. На самом деле антиводород был создан в 1995 (хотя это длилось недолго).

Антиматерия — это просто материя с перевернутым электрическим зарядом. Например, антипротоны похожи на протоны, но с отрицательным зарядом.

Первичная антиматерия еще не обнаружена во Вселенной, но в лабораториях ускорителей частиц создаются античастицы. Их даже можно ловить и хранить неделями. Например, позитроны (разновидность античастиц) теперь производятся для многочисленных исследований благодаря ЦЕРН.

Но хранение антивещества может быть сложной задачей. При встрече материя и антиматерия аннигилируют друг друга, оставляя после себя другие субатомные частицы. Этот процесс приводит к взрыву, испускающему чистое излучение, движущееся со скоростью света. Поэтому важно держать антиматерию подальше от обычной материи. В случае с водородом ученые используют магнитные свойства антиводорода, чтобы удерживать его в ловушке достаточно долго для изучения.

Забавные факты об антиматерии

Хотя мы не знаем всего об антиматерии, мы узнали довольно много, включая эти 10 забавных фактов.

  • Антиматерия реагирует на гравитацию так же, как и обычная материя (она не отталкивает материал). Как уже отмечалось, частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но различаются свойствами, такими как электрический заряд и спин. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна оказывать одинаковое влияние на материю и антиматерию, и у нас нет реальных оснований полагать иначе.
  • Создание одного миллиграмма антиматерии (минимальное количество, необходимое для крупномасштабных приложений, таких как энергия или движение) обойдется нам в 100 миллиардов долларов.
  • Ученые, возможно, обнаружили частицу, которая одновременно является материей и антиматерией.
  • Большой взрыв должен был создать антиматерию и материю в равных количествах. Если бы это было так, все было бы разрушено, ну, в результате взрыва на больше, чем на . Насколько известно ученым, на каждый миллиард пар материи и антиматерии должна приходиться одна дополнительная частица материи. Физики до сих пор пытаются понять, почему Вселенная не уничтожила себя и почему существует эта асимметрия.

Изображение предоставлено НАСА

  • Бананы производят антивещество (один позитрон каждые 75 минут). Да, вы все еще можете смело есть бананы. Они лишь немного радиоактивны.
  • Вы могли бы производить позитроны прямо сейчас. Не волнуйтесь, хотя. Они не выживают достаточно долго, чтобы вступить в реакцию с обычным веществом и стать опасными.
  • Если бы вся антиматерия, когда-либо созданная людьми, была уничтожена сразу, произведенной энергии не хватило бы даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.
  • Однако в 2009 г., антивещество вызвало самый большой взрыв, когда-либо зарегистрированный в известной Вселенной.
  • В 1964 году физики обнаружили, что слабое взаимодействие не совсем симметрично в своих отношениях с материей и антиматерией, что приводит к так называемому «CP-нарушению».
  • Зеркальная вселенная антиматерии теоретически может существовать.