Антивещество это: Access denied | nangs.org used Cloudflare to restrict access

АНТИВЕЩЕСТВО | Энциклопедия Кругосвет

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. (Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть «энергия покоя» электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии. Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода ¹H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия ²H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра – ядро ³He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-³He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H₂O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа – очень тонкими высокотемпературными «слоями Лейденфроста». Таким образом, можно говорить о «ячеистой» структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Становится все более очевидным, что основная альтернативная ей теория – теория «большого взрыва» – серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет «симметричная космология».

Роли антивещества в проблемах космологии посвящена книга автора Миры – Антимиры: Антиматерия в космологии (1966). См. также КОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Физика»

Что такое изотоп, чему равно число Авогадро и что изучает наука реология?

Пройти тест

От античастиц к антимирам. Интервью с профессором А.Д. Долговым об антиматерии

Источник фото: Наука из первых рук.

Если существует отрицательное электричество, то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?

Артур Шустер (1898)

Астрономические наблюдения последних лет убедительно свидетельствуют, что наша Галактика Млечный путь обильно населена антивеществом, или антиматерией. Античастицы по своим свойствам противоположны нашей материи ― обычным элементарным частицам. Открытие антивещества считается одним из важнейших событий в физике XX в. А что известно об антиматерии сегодня? Рассказывает Александр Дмитриевич Долгов ― доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра астрофизики и физики частиц Новосибирского государственного университета.

Александр Дмитриевич Долгов ― доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра астрофизики и физики частиц Новосибирского государственного университета. С 1996 г. профессор Центра теоретической астрофизики в Копенгагене С 2000 г. профессор Феррарского филиала Итальянского института ядерных исследований. С 2006 г. профессор Университета Феррары. В 2011 г. создал и возглавил лабораторию космологии и физики элементарных частиц в Новосибирском государственном университете (в рамках правительственного мегагранта).

― Что такое антиматерия?

― Как предсказывает квантовая теория поля, и мы также видим это в экспериментах, практически для каждой элементарной частицы существует своя античастица. Например, для протона это антипротон ― частица с той же массой и тем же собственным моментом вращения, или спином. У протона и антипротона все одинаково за исключением электрического заряда, который имеет противоположный знак. Но существуют и такие «самодостаточные» частицы, которые не имеют античастиц. Это, например, полностью нейтральные фотон, гравитон или пи-мезон, для которых нет пары. Пожалуй, наиболее известная пара частицы и античастицы, то есть материи и антиматерии, это электрон и позитрон. Позитрон был первой в истории предсказанной и обнаруженной античастицей. Теоретическое обоснование существования позитрона впервые сделал Поль Дирак в 1928 г. Через три года эту античастицу в эксперименте впервые обнаружил американский физик Карл Андерсон.

Частицы и античастицы имеют равные массы и времена жизни и равные по абсолютной величине значения всех присущих им зарядов, однако с противоположными знаками.

― И до сих пор, насколько я знаю, позитрон остается античастицей, которую мы лучше всего умеем получать в эксперименте.

― Да. Интересно, что позитрон имеет очень небольшую массу: она в 2 тыс. раз меньше, чем масса протона. Поэтому позитроны рождаются в столкновениях частиц без больших проблем. Они также рождаются, пусть и в небольшом количестве, в космических лучах. Из центра нашей Галактики исходит колоссальный и неожиданно высокий поток позитронов. Впервые это было обнаружено на русско-итальянском спутнике «Памела» около десяти лет назад, а затем повторено с большей точностью на антиметр-спектрометре космической станции «Мир». Частицы и античастицы аннигилируют, выделяя очень большое количество энергии. Если взять и проаннигилировать, например, один грамм протонов и один грамм антипротонов, то такая двухграммовая субстанция выделит примерно столько же энергии, сколько дает атомная бомба.

Понятия «антивещество» и «антиатом» впервые использовал английский физик Артур Шустер. В 1898 г. он предположил возможность существования такой необычной материи. Его работа была опубликована в журнале Nature. Источник фото: Уильям Орпен, «Википедия», общественное достояние.

― Можно ли сказать, что вся наша материя появилась в каком-то смысле благодаря ошибке? Ведь, как известно, в ранней Вселенной на каждый миллиард частиц и миллиард античастиц, которые взаимно уничтожали друг друга, приходилась всего одна лишняя частица материи и в результате этой «погрешности» появился весь наблюдаемый нами мир. 

― Я бы сказал, что это произошло не из-за ошибки, а в результате действия некоего динамического механизма. Этот механизм был описан А.Д. Сахаровым в 1967 г. Идея состояла в том, что взаимодействия частиц и античастиц немного различны и за счет этого различия при расширении Вселенной возник избыток частиц относительно античастиц. Основная доля частиц космической плазмы, состоящая из частиц и античастиц, проаннигилировала, и, таким образом, вся сегодняшняя материя состоит из этого небольшого избытка, превалирования частиц над античастицами в ранней Вселенной. Вообще, есть разные теории. В некоторых из них существует избыток частиц, а в других, напротив, ― избыток античастиц. Не исключено даже, что во Вселенной могут существовать большие и разделенные между собой домены вещества и антивещества.

― Галактики из антивещества? Интересно!

― Да. Возможно, даже не галактики, а целые группы галактик, которые находятся очень далеко от нас, на расстоянии миллиардов световых лет.

― То есть проаннигилировать с нами в обозримом будущем они не могут? 

― К счастью, нет. Каноническая схема говорит нам, что существуют скопления галактик, состоящие целиком из материи или из антиматерии, но они, как я уже сказал, находятся очень далеко друг от друга. Наблюдения последних лет убедительно свидетельствуют, что наш Млечный Путь обильно населен антивеществом. Это открытие стало настоящей сенсацией для ученых. Никто, кроме нас, этого не предвидел и не верил, что такое вообще возможно. Мы с коллегами предсказывали существование таких объектов еще в 1993 г., дальнейшее развитие эта идея получила в 2009 г. Буквально полгода назад были открыты объекты, которые, как пишут сами авторы, по-видимому, представляют собой антизвезды. Эти звезды находятся в облаке нашего галактического газа. Плотность такого галактического газа ― примерно один протон на кубический сантиметр, что и позволило астрономам наблюдать процессы аннигияции протонов с антипротонами в этих звездах по электромагнитному излучению высокой энергии. Протоны из межзвездного газа падают на поверхность этой звезды, аннигилируют и испускают фотоны с энергией около 500 млн эВ. Возникают несколько фотонов высокой энергии, происхождение которых в обычном случае было бы неясно. В своей работе авторы говорят об избыточном излучении таких энергичных фотонов, естественным объяснением которого может быть то, что звезда состоит из антиматерии.

Согласно нашим исследованиям, антизвезд в Галактике может быть довольно много, поскольку процесс аннигиляции там довольно слабый. В принципе, на антизвезду можно направить телескоп и изучить ее. Есть способы определить, что перед нами именно антизвезда, а не что-то другое: у такой звезды должен быть необычный химический состав и т. д. Но упомянутые мною ученые пока это не искали. Они просто просканировали все небо и обнаружили вот такие интересные подозрительные объекты.

А.Д. Сахаров в 1967 г. предложил красивое динамическое объяснение наблюдаемому избытку вещества над антивеществом. Три принципа Сахарова (ни один не обязателен): несохранение барионного числа, различие взаимодействий частиц и античастиц, нарушение C- и CP-инвариантности, а также отклонение от теплового равновесия. Фото: архив «Научной России».

― Почему барионная асимметрия не наблюдается на Большом адронном коллайдере, почему не рождается эта лишняя частица материи на миллиард частиц и античастиц, как было в ранней Вселенной?

― На Большом адронном коллайдере происходит столкновение частиц с энергией порядка тераэлектронвольт ― то есть с энергией, в тысячу раз превышающей энергию покоя протона. Хотя в классических схемах, где происходит эта генерация частиц над античастицами, должны быть задействованы энергии колоссально бóльшие. При низких энергиях количество барионов минус количество антибарионов остается прежним, не меняется. Чтобы сгенерировать лишнюю частицу, нужны гораздо более высокие энергии. Энергии БАК для этого просто недостаточно ― она должна быть в 10 млрд раз выше! Только тогда эта лишняя частица материи может родиться. Правда, существуют и другие схемы, где рождение лишних частиц материи возможно и при более низких энергиях, но они все равно должны быть на порядок выше, чем те, что есть сегодня на БАК.

― Как далеко в прошлое уже смог заглянуть Большой адронный коллайдер?

― Это момент времени, который примерно в миллион раз короче, чем миллионная доля секунды. Это время существенно короче, чем хорошо известная эпоха первичного нуклеосинтеза, но несравненно длиннее, чем момент времени, когда возникала разница между количеством вещества и антивещества.

По оценкам NASA, антивещество ― самая дорогая субстанция на Земле. Так, производство одного миллиграмма позитронов может стоить не менее $25 млн. На фото: первое в истории наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх, — трек позитрона. Источник изображения: Carl D. Anderson (1905–1991) — Anderson, Carl D. (1933). «The Positive Electron». Physical Review 43 (6): 491–494. «Википедия», общественное достояние.

― Образование антизвезд, антиобъектов в вашей модели описывается как побочный результат рождения первичных черных дыр. Расскажите, пожалуйста, подробнее о своих исследованиях.

― Наша теория предсказывает существование так называемых первичных черных дыр, которые образовались в очень ранней Вселенной — возрастом одна десятитысячная доля секунды после Большого взрыва. Мы предсказали спектр масс этих первичных черных дыр (то есть количество этих черных дыр как функцию массы) ― так называемый логнормальный спектр, который прекрасно согласуется с наблюдательными данными. Кстати, это единственный спектр черных дыр, который проверяется экспериментом.

─ А как именно эти первичные черные дыры связаны с антиматерией?

― Дело в том, что, согласно нашей теории, одновременно с этими ранними черными дырами образовалось небольшое количество компактных антизвезд. В галактиках нашей Вселенной сейчас видно очень много странных звезд, которые вполне могут быть антизвездами. Они имеют очень высокую скорость движения. Выглядит это так, будто такие звезды не были рождены в этой галактике, а «забежали» в нее ненадолго и уже «убегают»: то есть они не удерживаются гравитационным полем галактики и собственным гравитационным полем.

Согласно нашей теории, благодаря одному и тому же механизму можно родить и черные дыры, и антизвезды. Как я уже говорил, эта схема хорошо согласуется с экспериментом, и для меня это очень сильный аргумент в пользу того, что наша модель может быть правильной. Данные, что мы получаем, многообещающие, но вопросов пока еще очень много.

─ Антизвезды, галактики из антивещества… А антижизнь возможна? Антилюди?

― Очень хороший вопрос. Думаю, скорее всего, да. Двойная спираль ДНК, по-видимому, одинакова и для вещества, и для антивещества. Если какие-то различия и есть, то они, вероятно, совершенно ничтожны. Я думаю, что жизнь и антижизнь были бы практически неразличимы.

Антимиры ― это не просто набор античастиц, а звездные и планетные системы, то есть места, где в принципе могла бы быть антижизнь. Античастицы, вне всякого сомнения, существуют, но остается неизвестным, существуют ли во Вселенной антимиры. На этот счет сегодня единого мнения нет.

Позитронный луч от пульсара PSR J2030+4415. В 2022 г. рентгеновская обсерватория  NASA Chandra сфотографировала пучок материи и антиматерии длиной около 60 трлн км, который породил пульсар. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal. Источник изображения: M. de Vries / NASA / CXC / Stanford Univ.

─ Как вы считаете, а мы вообще когда-нибудь сможем узнать, что было до инфляционной стадии, которая, как предполагают, предшествовала горячему Большому взрыву?

― Вы знаете, люди пишут статьи о том, что могло быть до инфляции и как это можно обнаружить. Но дело в том, что эта расширяющаяся пустота как бы все замывает, не оставляя нам ничего. Однако, по мнению А.А. Старобинского, инфляция имеет так называемые волосы, или дополнительные характеристики, которые, может быть, и удастся когда-нибудь увидеть. Но это все модельно-зависимо, то есть ответ зависит от конкретной формы теории и может быть различным. Пустота размазалась, и никаких следов прошлого у нас нет. Думаю, Алексей Александрович говорит правильно, он квалифицированный человек и в таких вещах не должен ошибаться. Но я все-таки буду настаивать, возможно, и ошибочно, что это модельно-зависимая вещь.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Фото на главной странице сайта: фотобанк 123RF.

Астрономы обнаружили в космосе гигантский луч антивещества

16.03.2022 | 14:42

Совмещенное изображение в оптических и рентгеновских лучах. Пульсар — объект в рамке

X-ray: NASA/CXC/Stanford Univ./M. de Vries; Optical: NSF/AURA/Gemini Consortium

Новое открытие поможет объяснить, почему в нашей галактике аномально много антиматерии.

Ученые сфотографировали луч материи и антиматерии длиной 65 трлн км с помощью рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Гигантская нить питается от пульсара — быстро вращающейся мини-звезды с сильным магнитным полем. Благодаря своему огромному масштабу этот луч может объяснить удивительно большое количество позитронов, частиц антивещества, во всей галактике Млечный Путь.

Научная статья принята к публикации в Astrophysical Journal, прочесть ее можно в архиве препринтов.

Астрономы впервые обнаружили луч в 2020 году, но не знали, насколько он на самом деле длинен, потому что он выходил за пределы детектора «Чандры». Новые наблюдения в феврале и ноябре 2021 года показывают, что нить примерно в три раза длиннее, чем казалось первоначально. Если смотреть с Земли, она бы занимала примерно половину диаметра полной Луны на небе. Это самый длинный джет пульсара за всю историю наблюдений.

«Удивительно, что пульсар диаметром всего 12 км может создавать структуру настолько большую, что мы можем видеть ее за тысячи световых лет», — сказал Мартин де Врис из Стэнфордского университета в Пало-Альто (США), который руководил исследованием.

Пульсар называется PSR J2030+4415 и находится примерно в 1600 световых годах от Земли. Этот объект размером с небольшой город вращается примерно три раза в секунду — быстрее, чем большинство потолочных вентиляторов.

Открытие может дать новое представление об источнике антиматерии Млечного Пути, которая похожа на обычную материю, но с перевернутыми электрическими зарядами. Например, позитрон является положительно заряженным эквивалентом электрона.

Почти вся Вселенная состоит из обычной материи, антивещества крайне мало. Однако все же не так мало, как предполагают расчеты, что приводит к вопросу: каковы возможные источники этой антиматерии?

Исследователи считают, что пульсары, такие как PSR J2030+4415, могут быть одной из причин. Сочетание двух крайностей — быстрого вращения и сильных магнитных полей пульсаров — приводит к ускорению частиц и высокоэнергетическому излучению, создающему пары электронов и позитронов.

Пульсары генерируют потоки заряженных частиц, которые обычно заключены в пределах их мощных магнитных полей. PSR J2030+4415 движется в межзвездном пространстве со скоростью около 450 км/с, а за ним следует поток частиц. Перед ним несется ударная волна газа, подобно скоплению воды перед движущейся лодкой. Однако около 20–30 лет назад движение головной ударной волны, по-видимому, остановилось. Это значит, что пульсар догнал ее, и это привело к взаимодействию с межзвездным магнитным полем, идущим почти по прямой линии слева направо.

«Это, вероятно, вызвало утечку частиц. Магнитное поле пульсарного ветра соединилось с межзвездным магнитным полем, и высокоэнергетические электроны и позитроны вырвались наружу через сопло, образованное этим соединением», — сказал соавтор Роджер Романи, также из Стэнфорда.

Когда частицы затем двигались вдоль этой межзвездной линии магнитного поля со скоростью, примерно равной трети скорости света, они светились в рентгеновских лучах, которые увидела «Чандра».

Ранее астрономы наблюдали большие ореолы вокруг близлежащих пульсаров в гамма-излучении, что означает, что позитроны обычно с трудом просачиваются в Галактику. Это ставило под сомнение идею о том, что пульсары объясняют избыток позитронов. Однако недавно обнаруженные пульсарные нити PSR J2030+4415 показывают, что частицы действительно могут выходить в межзвездное пространство и в конечном итоге достигать Земли.

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации

• Внеземное

• Остальные теги

Расскажите друзьям

• University of Arizona

  Астрономы обнаружили новый тип мини-галактик, в которых есть только молодые звезды

• Shutterstock

  Тайны Черного моря

• Установка для создания атомного лазера

  Scixel

  Физики создали атомный лазер, который может работать вечно

• Mirosław Blicharski/Aleksander Poznań

  В Польше археологи открыли погребение женщины-«вампира» с серпом у горла

• Shutterstock

  Ученые объяснили, почему люди стали прямоходящими

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Что это такое и почему оно не уничтожило вселенную?

Звучит как научная фантастика: у нормальной материи есть «злой двойник», который уничтожается, как только они вступают в контакт. Но эта антиматерия вполне реальна и, несмотря на десятилетия изучения, остается очень загадочной. Так что же такое на самом деле антивещество? Где это находится? Почему важно, чтобы мы это понимали? И почему он еще не уничтожил вселенную?

Что такое антивещество?

Как бы странно это ни звучало, антивещество по сути ничем не отличается от обычного вещества, за исключением того, что его частицы имеют противоположный заряд. Но это простое различие имеет некоторые важные последствия: если когда-нибудь частица и ее античастица встретятся, они аннигилируют друг друга во взрыве энергии.

К счастью для нас, антиматерия чрезвычайно редка. Он вырабатывается естественным образом в крошечных количествах при взаимодействии с космическими лучами, во время ураганов и гроз, а также как часть некоторых видов радиоактивного распада — на самом деле, все, что содержит калий-40, время от времени выбрасывает частицы антивещества. Это включает в себя бананы и да, даже вы. Но не волнуйтесь, он не уйдет далеко, прежде чем столкнется с электроном и снова исчезнет.

Искусственно антиматерия в основном производится на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, но опять же только в мизерных количествах, и обычно она не сохраняется долго.

Часть эксперимента BASE в ЦЕРН, где антивещество производится и хранится в лаборатории

CERN

У каждой частицы есть эквивалентная античастица — например, есть антипротон, антинейтрон и антиэлектрон (более известный как позитрон). Некоторые частицы, например фотоны, на самом деле являются античастицами сами по себе.

Эти античастицы также могут соединяться с образованием антиатомов, например, антипротон и антиэлектрон могут образовывать атом антиводорода. У каждого элемента должен быть эквивалент антиматерии, и они должны обладать всеми теми же свойствами, что и их аналоги из обычной материи, за исключением заряда.

Конечно, антиматерия по своей природе не «хуже», чем обычная материя — мы просто определяем ее как «анти», потому что она обратна тому, к чему мы привыкли. Но если где-то там есть существа из антиматерии, живущие на планете из антиматерии, вращающиеся вокруг звезды из антиматерии в галактике из антиматерии (что, кстати, теоретически возможно) — они, вероятно, поменяют местами ярлыки материи и антиматерии. .

Антиматерию легко спутать с темной материей, но они очень разные. Предполагается, что темная материя распространена по всей Вселенной, и, хотя существует множество свидетельств ее существования, она все еще ускользает от прямого обнаружения. Антиматерия, с другой стороны, чрезвычайно редка, но подтверждена экспериментально и является предметом постоянного изучения.

Итак, как мы изучаем антивещество?

Ученые на таких объектах, как ЦЕРН, могут создавать антиматерию, сталкивая определенные частицы вместе в ускорителе, который создает поток пар материи и антиматерии. Когда эти пары разделены, антивещество можно сохранить и изучить.

Тем не менее, это сложная процедура, поэтому искусственно было получено всего несколько десятков нанограммов. Это также делает его самым дорогим в производстве материалом в мире: по оценкам ученых, его стоимость составляет до 25 миллиардов долларов США за грамм. Часть трудностей и затрат связана с хранением, потому что, конечно, это не так просто, как просто засунуть его в банку, поскольку он уничтожит большинство контейнеров при контакте.

Итак, ученые используют так называемую ловушку Пеннинга. Частицы антиматерии подвешены внутри вакуумной камеры электромагнитными полями, что удерживает их от боковых сторон. Используя этот метод, ученым впервые удалось уловить атомы антиводорода на несколько долей секунды в 2010 году, а затем увеличить это время до более чем 16 минут в 2011 году. Текущий рекорд — хранение антипротонов в течение 405 дней.

Если хранение антиматерии кажется сложной задачей, то ее транспортировка представляет собой совершенно другой уровень сложности. В 2020 году ЦЕРН подробно описал новую конструкцию ловушки, которую можно было бы использовать для перемещения больших количеств антивещества на большие расстояния.

Полное поперечное сечение транспортного устройства BASE-STEP

Christian Smorra

Устройство под названием BASE-STEP будет состоять из двух ловушек Пеннинга, одна из которых принимает и выпускает антипротоны, а другая хранит их для транспортировки. Ловушки будут окружены сверхпроводящим магнитом мощностью 1 Тесла, чтобы стабилизировать их, а слой жидкого гелия будет охлаждать систему в течение длительных периодов времени. Весь блок достаточно мал, чтобы его можно было загрузить на грузовик, который затем мог бы транспортировать антиматерию на другие объекты для более подробного изучения.

Достаточно, чтобы задаться вопросом, почему мы вообще беспокоимся, но у антиматерии огромный технологический потенциал. Фактически, он уже нашел одно полезное применение, которое вы, возможно, испытали на себе.

Для чего мы можем использовать антивещество?

Если вам когда-либо делали ПЭТ, значит, врачи наблюдали за вашим телом в поисках событий аннигиляции антивещества внутри вас. Это прямо в названии — ПЭТ расшифровывается как позитронно-эмиссионная томография, а позитрон — это версия электрона из антивещества.

ПЭТ-сканирование работает путем введения пациентам радиоактивных индикаторных химических веществ, которые испускают позитроны при распаде своих частиц. Затем эти позитроны сталкиваются с электроном в ткани пациента, испуская фотоны гамма-излучения, которые фиксируются специальной камерой. Отслеживая эти события, врачи могут реконструировать трехмерные изображения органов и опухолей.

ПЭТ-сканирование пациента, показывающее нормальное накопление индикаторного красителя в сердце и почках, а также опухоль в печени

Йенс Маус

Если антивещество когда-либо будет производиться или собираться в больших масштабах, мы сможем использовать его для более революционных приложений. Энергия, высвобождаемая при столкновении материи и антиматерии, огромна — всего один грамм каждой из них произвел бы примерно энергию атомной бомбы в 40 килотонн. Использование этого может помочь очень эффективно продвигать космические корабли далекого будущего через Вселенную — всего нескольких десятков миллиграммов антивещества было бы достаточно, чтобы отправить корабль на Марс.

Темная сторона, однако, заключается в том, что антиматерия может стать оружием невероятной разрушительной силы, но, к счастью, непомерно высокая стоимость удерживает это в сфере романов Дэна Брауна. На данный момент.

Но прежде чем строить какие-либо грандиозные планы относительно антивещества, нам нужно изучить его более подробно. В конце концов, есть некоторые фундаментальные вопросы, на которые у нас до сих пор нет ответов.

Большие антивопросы

Помимо противоположного заряда, материя и антиматерия должны быть в основном одинаковыми и подчиняться одним и тем же законам физики, но ударение здесь делается на «должен». Предположения не делают твердой науки, поэтому физики на всякий случай перепроверяют основы, потому что любые аномалии могут указывать на совершенно новую главу Стандартной модели физики элементарных частиц.

Например: у каждого элемента и соединения есть уникальный отпечаток, называемый его спектром излучения, в зависимости от того, какие длины волн света они поглощают и какие излучают. Согласно Стандартной модели, атомы материи и антиматерии одного и того же элемента должны иметь одинаковый спектр, но только в 2016 году ученые ЦЕРНа наконец проверили это. Команда исследовала атомы антиводорода лазером, чтобы измерить его спектр, и обнаружила, что он соответствует спектру обычного водорода.

В ЦЕРНе проводится эксперимент ALPHA-g, в ходе которого будет сбрасываться антивещество, чтобы увидеть, как на него влияет гравитация.0002 ЦЕРН

Другой важный вопрос заключается в том, реагирует ли антивещество на гравитацию так же, как обычное вещество. Опять же, ожидается, что так и должно быть, но существует примерно один шанс на миллион, что вместо этого антиматерия может упасть с вверх на . Это звучит как довольно простая вещь, которую мы уже должны были знать, но до сих пор все работы с антивеществом приходилось задерживать его в электромагнитных ловушках.

ЦЕРН проводит два отдельных эксперимента для проверки этой идеи, известных как GBAR и ALPHA-g. В обоих случаях план эксперимента довольно прост — выключите эту ловушку и посмотрите, будут ли аннигиляции происходить под ней или над ней. Надеюсь, результатов ждать осталось недолго.

Но есть еще одна важная космическая загадка, которую мы могли бы разгадать, изучая антивещество. Почему мы вообще здесь?

Асимметрия материи и антиматерии

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, Большой взрыв должен был произвести материю и антиматерию в равных количествах. Но если это так, то все содержимое космоса уничтожило бы себя в результате столкновений с течением времени, оставив сегодня во Вселенной очень пустое место.

Очевидно, этого не произошло. Так что же случилось со всей антиматерией?

Он может быть где-то там. Теоретически антивещество должно быть способно слипаться в звезды, планеты и галактики точно так же, как и обычное вещество (пока вокруг нет обычного вещества, способного его аннигилировать). Это означает, что во Вселенной могут быть уголки, где доминирует антивещество.

И это может быть не так далеко, как вы думаете. Некоторые ученые предполагают, что в нашей галактике могут скрываться звезды из антивещества, сияющие так же, как обычные звезды. Однако мы могли бы идентифицировать эти «антизвезды» по необычным гамма-всплескам, которые они испускают, когда частицы материи касаются их.

Но это также может опровергнуть идею. Даже если бы области материи и антиматерии во Вселенной были разделены огромными участками межгалактического пространства, вдоль границ все равно происходили бы довольно регулярные события аннигиляции. Это привело бы к четким сигналам гамма-излучения, которые не наблюдались, что делает маловероятным существование областей с преобладанием антивещества в наблюдаемой Вселенной.

Вместо этого основной ход рассуждений состоит в том, что на заре существования Вселенной что-то вызвало дисбаланс в соотношении материи и антиматерии, так что в итоге одного оказалось немного больше, чем другого. Это означало бы, что вся материя во Вселенной сегодня — лишь мизерная доля — всего лишь одна 10-миллиардная — того, что когда-то существовало, оставшаяся после космического катаклизма аннигиляции антиматерии.

Так что же могло вызвать этот дисбаланс? Есть несколько гипотез.

Одна идея гласит, что мы должны благодарить нейтрино за наше существование. Эти нейтральные субатомные частицы являются их собственными античастицами, и считается, что они могли преобразовать некоторое количество антиматерии в материю, когда ранняя Вселенная претерпела фазовый переход.

Другие субатомные частицы, такие как шарм-мезон, были пойманы при переключении между материей и антиматерией в лаборатории. Если по какой-то причине переключиться с антиматерии на материю для них легче, чем наоборот, они могли создать дисбаланс в самом начале истории Вселенной.

Художественная модель того, как колебания аксионов (черный шар) в ранней Вселенной могли создать больше материи (цветные шары), чем антиматерии

Harigaya and Co/NASA

Другая история указывает на гипотетическую частицу, называемую аксионом. По прогнозам, они невероятно легкие, не имеют электрического заряда и плавают по Вселенной волнами, редко взаимодействуя с другим веществом. Согласно одному исследованию, аксионное поле начало колебаться в ранней Вселенной, создав на крошечную долю больше материи, чем антиматерии.

Интересно, что аксионы могут оказаться очень удобной частицей. Их существование может решить не только проблему асимметрии материи и антиматерии, но и одновременно две другие космические загадки — они также являются кандидатами в темную материю и затыкают еще одну дыру в нашем понимании физики элементарных частиц, известную как Сильная КП. тоже проблема.

Загадка, присущая антиматерии, вероятно, еще долго будет ставить в тупик ученых. Лабораторные эксперименты и астрономические наблюдения, несомненно, дадут новые подсказки, которые помогут нам понять эволюцию Вселенной, пределы Стандартной модели физики элементарных частиц и то, как использовать это странное вещество для целей, которые мы даже не можем себе представить.

Ознакомьтесь с другими нашими объяснениями физики о темной материи и темной энергии.

Происхождение: ЦЕРН: Идеи: Антивещество | Эксплораториум

Что такое антивещество? – EWT

Фон

Хотя это звучит как научная фантастика, антиматерия существует. Это противоположность материи. Материя формируется из частиц, которые мы видим в окружающем нас мире, — атомов, состоящих из протонов и электронов. Противоположность частицы называется античастицей. Для электрона противоположностью является позитрон. Для протона противоположность называется антипротоном. По массе и размеру античастицы идентичны частицам. Масса позитрона точно такая же, как у электрона. Разница в заряде. Электрон имеет заряд -1; позитрон имеет заряд +1. Целые атомы могут быть построены из компонентов антиматерии. Атом с одним протоном и одним электроном называется водородом. Эквивалентом в мире антиматерии является антиводород, который может быть построен из одного антипротона и позитрона. См. изображение ниже.

Антивещество можно найти на Земле, хотя оно не будет существовать очень долго. Антиматерия быстро аннигилирует с материей. В экспериментах обнаружено, что электрон и позитрон аннигилируют и производят два гамма-луча.

На Земле и в окружающей нас галактике мы знаем, что материи намного больше, чем антиматерии. В противном случае мы бы увидели аннигиляцию и стали бы свидетелями гамма-излучения. Если частица и ее античастица идентичны, за исключением заряда, почему в нашей галактике Млечный Путь доминирует обычная материя? Этот вопрос асимметрии является постоянной темой в науке, чтобы понять, почему материя доминирует. Однако стоит отметить, что фотон является своей собственной античастицей, а это означает, что фотон идентичен независимо от того, генерируется он материей или антиматерией. Вполне возможно, что далекая галактика, которую мы воспринимаем как фотоны (свет), может состоять из антивещества и генерировать тот же самый фотон. Единственный способ узнать, состоит ли галактика из антивещества, — это столкнуться с галактикой, состоящей из обычного вещества, в котором мы бы обнаружили аннигиляцию в виде гамма-лучей. Это приводит к возможности того, что материя и антиматерия могут быть симметричны, если половина Вселенной разделена и состоит из антиматерии. Или все же остается другая возможность, что материя доминирует, и нам нужно понять, почему.

Авторы и права: Popular Mechanics

Объяснение

Единственным правилом теории волн энергии для движения центра волны или частицы является движение, направленное на минимизацию амплитуды волны (Закон № 4 Законов Теории). Это управляет не только всеми силами, но также созданием и вращением частиц. Частица состоит из центров волн, которые отражают продольные волны, создавая стоячие волны ( см. среднюю часть диаграммы ниже для стоячей волны ).

Когда внутренняя и обратная волны объединяются для создания стоячей волны, имеется два узла для каждой длины волны , где амплитуда равна нулю. Следуя правилу движения, центры волн перемещаются к узлам стоячих волн, чтобы минимизировать амплитуду волны. Частицы представляют собой образование центров волн, размещенных в этих узлах. Два возможных узла разделены на половине длины волны , иначе известной как 180-градусное фазовое разделение или то, что также называют противофазой волны.

Частицы, такие как электрон, образуются из комбинации центров волн, расположенных на разных длинах волн. В этих стоячих волнах каждый центр волны стабилен, потому что амплитуда в узле равна нулю. В приведенном выше примере электрон можно рассматривать как фиолетовый значок с отрицательным символом. Для сравнения, эквивалентом электрона в антиматерии является позитрон. Он также образован из того же числа волновых центров, что и электрон, но в противоположном узле волны. В приведенном выше примере позитрон можно рассматривать как черный значок с положительным символом.

За пределами радиуса частицы волны распространяются по форме. Нет узла стоячей волны, где центры волн можно было бы удобно расположить для минимальной амплитуды. Конструктивная интерференция волн возникает для двух частиц, находящихся в одном узле (одной и той же фазе). Например, два позитрона или два электрона будут 90 286 конструктивными, а амплитуда между частицами будет увеличиваться 90 287, заставляя частицы удаляться, чтобы минимизировать амплитуду. Но позитрон и электрон будут разрушительными и амплитуда уменьшится между двумя частицами — притяжение частиц, так как они минимизируют амплитуду. Последнее проявляется в аннигиляции частиц.

Материя состоит из электронов, протонов и нейтронов. Однако заряженные частицы — это электрон и протон, которые находятся в противоположных узлах стоячей волны и создают деструктивную интерференцию волн, чтобы быть привлекательными. Заряженными частицами антивещества являются позитрон и антипротон. Ниже приводится сводка положения частицы в каждом узле стоячей волны:

• Позитрон, Протон – Узел №1 (+)
• Электрон, Антипротон – Узел №2 (-)

Различие между материей и антиматерией заключается просто в положении узла стоячей волны.

В видеоролике Что такое антиматерия ниже представлено описание антиматерии и ее поведения.