Содержание
что это, где находится, история изучения, теоретическое
Антиматерия — вещество, состоящее из античастиц, аналогичных протонам, нейтронам и электронам, но с противоположным знаком. Ядра сложены из антипротонов и антинейтронов, оболочки — из позитронов. В природе самостоятельно не образуется.
Свойства антиматерии зеркальны тем, которыми обладает обычное вещество, вследствие несохранения четности в слабых взаимодействиях.
Существование антиматерии теоретически обосновал английский физик-теоретик Поль Дирак. Но экспериментального подтверждения не было, пока Карл Андерсон, сотрудник лаборатории Роберта Милликена, не заметил необычные треки в туманной камере и опубликовал статью о странном явлении. Ученый мир ее проигнорировал, но Андерсон не сдался и продолжил эксперименты. Он доказал реальность позитрона Дирака, за что и получил в 1936 году Нобелевскую премию.
Где находится антиматерия во Вселенной
Согласно квантовой теории, выросшей из уравнений Дирака, при столкновении атомов вещества и антиматерии они аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются с выделением фотона.
Вероятность образования частиц с противоположными зарядами одинакова. Тем не менее ни в нашей галактике Млечный путь, ни во Вселенной вообще не наблюдается скоплений антиматерии. Она замечена только в виде позитронов в космических лучах. Причина этой асимметрии — нерешенная пока что проблема современной физики. Возможно, в пространстве и существуют области, целиком состоящие из антивещества, но это не доказано.
Получение антиматерии
В 1965 году американский физик Леон Ледерман впервые наблюдал образование ядер антидейтерия. В 1970–1974 годах на ускорителе в Серпухове получили ядра антитрития и антигелия. Наконец, в 2001 году в ЦЕРНе синтезировали полноценный атом антиводорода из антипротона и позитрона. Десять лет ушло на то, чтобы «поймать» 38 частиц антивещества на 172 миллисекунды в ловушку из статического магнитного и переменного электромагнитного полей.
В 2011 году еще 309 антипротонов удержали на 1000 секунд. Есть вероятность, что антиматерия обладает и антигравитацией, но для проверки этой теории необходима значительно большая масса.
В 2015–2016 годах экспериментально доказаны полная идентичность структур и неразличимость спектров вещества и антиматерии.
Сколько стоит антиматерия
По оценкам 2006 года, получение одного миллиграмма позитронов обошлось бы в $25 млн. А стоимость грамма антиводорода составит $62,5 трлн. Неудивительно, что антивещество считается самой дорогой субстанцией в мире. Но до его синтеза в таких количествах очень далеко.
Энергия аннигиляции
Теория предсказывает, что при взаимодействии одного килограмма вещества и антиматерии произойдет взрыв с тротиловым эквивалентом 42,96 мегатонн. Для сравнения: водородная «Царь-бомба» массой 26,5 тонны высвободила энергию 57 мегатонн тротила.
Практическое применение антиматерии
В аппаратах для позитронно-эмиссионной компьютерной топографии (ПЭТ КТ) используются изотопы, закрепленные на молекулах глюкозы и способные испускать позитроны. Они вводятся в кровь, распадаются, аннигилируют со встречными электронами, генерируя слабое гамма-излучение.
На его основе формируется компьютерное изображение с хорошо заметными новообразованиями.
В рамках ЦЕРН развивается проект лечения онкологических заболеваний антипротонами. Технология уже доказала эффективность на грызунах, но до испытаний на людях дело еще не дошло.
Антиматерия в медиапространстве
Писатели-фантасты регулярно вводят антивещество в сюжеты своих произведений. На этом топливе летел к Венере космолет «Хиус» в «Стране багровых туч», ранней повести братьев Стругацких. Но громче всех, пожалуй, прозвучал триллер Дэна Брауна «Ангелы и демоны». Террористы-иллюминаты похищают из ЦЕРНа контейнер с каплей антивещества, способной уничтожить Ватикан и Рим. ЦЕРН даже известил на своем сайте, что все события книги чистый вымысел и, с точки зрения современной физики, невозможны.
Не осталась в стороне и киноиндустрия. Фильм «Антиматерия» 2016 года повествует о сотруднице Стэнфордского университета, работавшей над проблемой перемещения в пространстве сквозь «червоточины».
Эксперимент удается, девушка попадает в антимир и ищет путь назад.
Любители рока ценят творчество российской группы «Антиматерия». С 2007 года она исполняет музыку в смешанном стиле из пост-панка, дарквэйва и электроник-рока.
Энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс
24 ноября 2010
10:37
Утро России
Физики Европейского центра ядерных исследований смогли получить и удержать почти на 0,2 секунды антиматерию. Это полная противоположность частицам, из которых состоит привычный нам мир. Теперь ученые надеются разгадать одну из самых больших тайн в науке: почему антиматерия отсутствует во Вселенной.
Физики Европейского центра ядерных исследований смогли получить и удержать почти на 0,2 секунды антиматерию.
Это полная противоположность частицам, из которых состоит привычный нам мир. Теперь ученые надеются разгадать одну из самых больших тайн в науке: почему антиматерия отсутствует во Вселенной.
Ведь в результате Большого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии. Однако по неизвестным причинам последняя исчезла. Более подробно об этом ведущие «Утра России» пообщались со старшим научным сотрудником Астрономического института имени Штейнберга Сергеем Поповым.
«Все-таки эксперимент ставили с научной целью, – говорит Попов. – Если мы говорим о практическом применении, то, может быть, не нужно идти по такому сложному пути, как создание антиводорода».
По словам ученого, чтобы был какой-то более или менее заметный эффект – полезный или вредный – нужно получить хотя бы микрограммы антиматерии. Сейчас речь идет о получении десятков миллионов антипротонов. Звучит много, но на самом деле, это в миллионы миллионов раз меньше, чем нужно для получения какого-либо значимого эффекта.
Кроме того, технология, которая будет существовать в сколько-нибудь обозримом будущем, не позволяет носить это в коробочке.
Уже сейчас называются цифры, что один грамм антиводорода стоит 63 миллиарда долларов. «Мне кажется, даже больше, – отмечает Попов. – Это, действительно, очень дорогие эксперименты и очень тяжелые. Пока антиматерия с коммерческой точки зрения не является сколько-нибудь интересной. Поскольку дешевле получать энергию другим способом».
Сейчас мы в принципе можем на ускорителях превращать свинец в золото. Но это золото оказывается во много раз дороже обычного, продолжает Попов. В то же время ученые признают, что антиматерия – мощнейший источник энергии. Так, для полета на Марс будет достаточно всего 1 миллиграмма антивещества.
новости
Ранее по теме
10 лет открытию бозона Хиггса. Что учёные до сих пор не знают о частице?
На Большом адронном коллайдере открыли «неуловимый» распад бозона Хиггса
Крупное научное открытие: бозон Хиггса разделили на кварки
Россия заключит с ЦЕРН более выгодное соглашение
Минобрнауки анонсировало подписание нового соглашения с ЦЕРНом
В ЦЕРН впервые измерили массу переносчика слабого взаимодействия
Что такое антивещество? | Живая наука
Космический корабль НАСА обнаружил всплеск антивещества, выпущенный грозой в атмосфере Земли.
(Изображение предоставлено НАСА)
Антиматерия такая же, как обычная материя , за исключением того, что она имеет противоположный электрический заряд . Например, у электрона, который имеет отрицательный заряд, есть партнер из антивещества, известный как позитрон. Позитрон — это частица с такой же массой, как у электрона, но с положительным зарядом.
Частицы без электрического заряда, такие как нейтроны, часто являются своими партнерами из антиматерии. Но исследователям еще предстоит определить, существуют ли таинственные крошечные частицы, известные как 9.0003 нейтрино , которые также нейтральны, являются их собственными античастицами.
Хотя это может звучать как что-то из научной фантастики, антивещество существует. Антиматерия была создана вместе с материей после Большого Взрыва . Но антиматерия редко встречается в современной Вселенной, и ученые не знают, почему.
Где находится антиматерия и как ее делают?
Люди создали частицы антиматерии, используя сверхвысокие скорости столкновений на огромных ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер , расположенный за пределами Женевы и управляемый ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований).
В ходе нескольких экспериментов в ЦЕРНе был создан антиводород, антивещественный двойник элемента водорода . Самый сложный элемент антиматерии, полученный на сегодняшний день, — это антигелий, аналог гелия .
Существуют также природные античастицы, время от времени образующиеся во Вселенной. Но когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют друг друга и производят энергию, а это означает, что в космосе, где доминирует материя, таком как наш, антиматерия не задерживается надолго.
Антиматерия также лежит в основе загадки того, почему вселенная вообще существует. В первые мгновения после Большого взрыва существовала только энергия. По мере того как Вселенная охлаждалась и расширялась, появлялись частицы как материи, так и антиматерии. Ученые измерили свойства частиц и античастиц с чрезвычайно высокой точностью и обнаружили, что и те, и другие ведут себя одинаково. Итак, если антиматерия и материя были созданы в равных количествах и ведут себя одинаково, то вся материя и антиматерия, созданные в начале времен, должны были аннигилировать при контакте, не оставив после себя ничего.
Почему материя стала доминировать над антиматерией, остается большой загадкой.
Одна из теорий предполагает, что в начале Вселенной было создано больше материи, чем антиматерии, так что даже после взаимной аннигиляции осталось достаточно материи для образования звезд, галактик и, в конце концов, всего на Земле . Расхождение было бы очень незначительным. Согласно Space.com (открывается в новой вкладке), дочерний сайт Live Science.
Если нейтрино — крошечная призрачная частица, которая почти не взаимодействует с другим веществом, — на самом деле является собственной античастицей, это может быть ключом к решению этой проблемы. В этой теории в начале времен небольшая часть нейтрино могла переходить из антиматерии в материю, потенциально создавая небольшой дисбаланс материи в начале Вселенной. Эксперименты пытались определить, является ли нейтрино собственной античастицей, но до сих пор 92 = 4 может иметь два возможных решения (x = 2 или x = минус −2), поэтому уравнение Дирака может иметь два решения: одно для электрона с положительной энергией и одно для электрона с отрицательной энергией», согласно CERN.
(открывается в новой вкладке)
Поначалу Дирак не решался поделиться своими открытиями, но в конце концов принял их и сказал, что у каждой частицы во Вселенной должна быть частица зеркального отражения, которая ведет себя так же, но имеет противоположный заряд .
Позитроны были открыты несколько лет спустя физиком из Американского Калифорнийского технологического института Карл Андерсон , изучавший высокоэнергетические космические лучи , которые исходят из космоса и попадают в атмосферу Земли, создавая поток других частиц. В своем детекторе Андерсон обнаружил след чего-то с такой же массой, как у электрона, но с положительным зарядом. По данным Американского института физики, редактор журнала Physical Review предложил название частицы позитрон.
За работу над этим открытием Дирак и Андерсон получили Нобелевская премия по физике — Дирак в 1933 году и Андерсон в 1936 году.
Космический корабль на антивеществе?
Поскольку соединение материи и антиматерии дает энергию, инженеры предположили, что космический корабль на антиматерии может быть эффективным способом исследования Вселенной.
NASA изучило возможность использования транспортных средств на антиматерии для полетов на Марс, но у этой идеи есть некоторые недостатки. Во-первых, это очень дорого.
«Грубая оценка производства 10 миллиграммов позитронов, необходимых для пилотируемой миссии на Марс, составляет около 250 миллионов долларов с использованием технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки», — сказал Джеральд Смит из Positronics Research LLC в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Статья 2006 года для NASA . Стоимость может показаться высокой, но отправка чего-либо на орбиту по-прежнему стоит около 10 000 долларов за фунт, поэтому запуск большого космического корабля с его человеческим экипажем также будет дорогим.
Совсем недавно, Исследователи НАСА изучили возможность использования энергии, вырабатываемой столкновениями материи и антиматерии, для отправки зонда к ближайшей звездной системе, Альфе Центавра. Энергия столкновений позволила бы транспортному средству разогнаться до 10% скорости света, а затем замедлиться достаточно, чтобы исследовать Альфу Центавра, возможно, в течение десятилетий.
Дополнительные ресурсы
- Прочтите об открытии и физике антивещества в ЦЕРН (откроется в новой вкладке).
- Узнайте больше об асимметрии материи-антиматерии в Fermilab.
- Посмотрите, как космический гамма-телескоп Ферми фиксирует грозы, производящие антивещество в атмосфере Земли, в этом видео от НАСА. (откроется в новой вкладке)
Адам Манн — независимый журналист с десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.
Объяснитель: что такое антивещество?
Антивещество было одним из самых захватывающих физических открытий 20-го века. Многие люди, подхваченные писателями-фантастами, такими как Дэн Браун, считают ее «внешней» теоретической идеей, не подозревая, что на самом деле она рождается каждый день.
Более того, исследования антиматерии действительно помогают нам понять, как устроена Вселенная.
Антивещество представляет собой материал, состоящий из так называемых античастиц. Считается, что у каждой известной нам частицы есть компаньон из антивещества, который практически идентичен ей, но с противоположным зарядом. Например, электрон имеет отрицательный заряд. Но его античастица, называемая позитроном, имеет ту же массу, но положительный заряд. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг друга — исчезают во вспышке света.
Такие частицы были впервые предсказаны британским физиком Полом Дираком, когда он пытался объединить две великие идеи физики раннего Нового времени: теорию относительности и квантовую механику. Раньше ученых ставил в тупик тот факт, что, казалось, предсказывалось, что частицы могут иметь энергию ниже, чем когда они находятся в «покое» (т.е. почти ничего не делают). В то время это казалось невозможным, поскольку означало, что энергии могут быть отрицательными.
Дирак, однако, согласился с тем, что уравнения говорили ему, что частицы на самом деле заполняют целое «море» этих более низких энергий — море, которое до сих пор было невидимо для физиков, поскольку они смотрели только «над поверхностью». Он предположил, что все существующие «нормальные» энергетические уровни объясняются «нормальными» частицами. Однако когда частица выпрыгивает из более низкого энергетического состояния, она появляется как обычная частица, но оставляет «дыру», которая представляется нам странной, зеркальной частицей — антиматерией.
Несмотря на первоначальный скептицизм, вскоре были найдены примеры таких пар частица-античастица. Например, они образуются при попадании космических лучей в атмосферу Земли. Есть даже свидетельства того, что энергия грозы производит антиэлектроны, называемые позитронами. Они также образуются при некоторых радиоактивных распадах, процесс, используемый во многих больницах в сканерах позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которые позволяют получать точные изображения внутри человеческого тела.
В настоящее время эксперименты на Большом адронном коллайдере (БАК) также могут производить материю и антиматерию.
Физика предсказывает, что материя и антиматерия должны быть созданы почти в равных количествах, и это должно было иметь место во время Большого Взрыва. Более того, предсказано, что законы физики должны быть одинаковыми, если частица меняется местами с ее античастицей — соотношение, известное как CP-симметрия. Однако вселенная, которую мы видим, похоже, не подчиняется этим правилам. Он почти полностью состоит из материи, так куда делась вся антиматерия? На сегодняшний день это одна из самых больших загадок в физике.
Экспериментальная зона в ЦЕРН, включая альфа-эксперимент.
Миккель Д. Лунд/wikimeda, CC BY-SA
Эксперименты показали, что некоторые процессы радиоактивного распада производят неодинаковое количество античастиц и частиц. Но этого недостаточно, чтобы объяснить несоответствие между количеством материи и антиматерии во Вселенной.
Следовательно, такие физики, как я на LHC, на ATLAS, CMS и LHCb, а также другие, проводящие эксперименты с нейтрино, такие как T2K в Японии, ищут другие процессы, которые могли бы объяснить загадку.
Другие группы физиков, такие как Альфа-коллаборация в ЦЕРНе, работают над гораздо более низкими энергиями, чтобы увидеть, действительно ли свойства антиматерии являются зеркалом их материи-партнеров. Их последние результаты показывают, что атом антиводорода (состоящий из антипротона и антиэлектрона или позитрона) электрически нейтрален с точностью до одной миллиардной доли заряда электрона. В сочетании с другими измерениями это означает, что заряд позитрона равен и противоположен заряду электрона с точностью до одной миллиардной доли, что подтверждает ожидаемое от антивещества.
Однако остается еще очень много загадок. Эксперименты также исследуют, влияет ли гравитация на антиматерию так же, как на материю. Если окажется, что эти точные симметрии нарушены, это потребует фундаментального пересмотра наших представлений о физике, что повлияет не только на физику элементарных частиц, но и на наше понимание гравитации и теории относительности.