Что такое антивещество: Что такое антивещество?

Содержание

Что такое антивещество? | 07.10.2022, ИноСМИ

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ

Антивещество — от этого слова веет научной фантастикой. Что же это такое? И почему его так мало? Ответ на эти вопросы отчасти дает история его открытия — охота за антиэлектроном. На самом деле мы сталкиваемся с антивеществом и в нашей повседневной жизни. Многие проходили обследования при помощи медицинских сканеров, и уж точно каждый хотя бы иногда съедает банан.

Хенрик Бендикс (Henrik Bendix)

Антивещество. От этого слова веет увлекательными книгами и фильмами, в которых злодеи добираются до взрывчатки из антивещества или космические корабли перемещаются на таком топливе.

Но что из себя представляет эта субстанция — что такое, по сути, антивещество?

Это очень хотелось бы знать читателям «Виденскаб». Они прочитали кое-какие из множества статей, которые мы публиковали об опытах физиков с антивеществом, но с удовольствием узнали бы больше.

Во-первых, мы должны уточнить, что нельзя путать антивещество физиков с теми антителами, которые известны нам из биологии и медицины. Там антитела (которые еще называют иммуноглобулинами) — это особые белковые соединения, часть защиты организма против болезней. Они могут связываться с чужеродными молекулами и тем самым защищать тело от микроорганизмов и вирусов.

Но здесь мы будем говорить не о них. Мы связались с ученым из мира физики: преподаватель кафедры физики и астрономии Орхусского университета Николай Синнер (Nikolaj Zinner) с радостью расскажет нам об антивеществе.

Вещество с противоположным зарядом

«Все те частицы, которые, как мы знаем, есть в природе, все, из чего состоит наш мир, существует в вариантах с противоположным зарядом. Это и есть антивещество», — говорит Николай Синнер.

«Антивещество выглядит точно так же и имеет ту же массу, что и обычное вещество, но при этом обладает ровно противоположным зарядом. Например, у положительно заряженных позитронов есть негативно заряженные электроны. Позитроны — античастицы электронов».

Так что в антивеществе нет ничего такого принципиально необыкновенного. Это всего лишь вещество с противоположным зарядом относительно того вещества, в окружении которого мы обычно находимся. А вот почему его так мало — это как раз загадка, и мы к этому еще вернемся.

«В повседневной жизни мы с антивеществом не сталкиваемся, но оно возникает во многих ситуациях, например, при радиоактивном распаде, под воздействием космического излучения и в ускорителях. Оно просто очень быстро снова исчезает. Когда позитрон встречается с электроном, в результате получается чистая энергия виде двух световых частиц с высокой энергией — квантов».

Исчезает вспышкой света

«Вот электрон и позитрон, у них противоположные заряды, поэтому они притягиваются. Они могут подойти очень близко друг к другу, и когда это происходит, они сливаются и образуют два фотона. Это следствие законов природы, — рассказывает Николай Синнер. — Масса двух частиц превращается в энергию в форме двух частиц — квантов гамма-излучения».

«Если бы у вас было много антивещества, и вы позволили бы ему проконтактировать с обычным веществом, то вызвали бы очень мощную реакцию. И наоборот: энергию можно преобразовать в вещество и антивещество, и это происходит в ускорителях частиц».

Используется в медицинских сканерах

Именно это явление, когда встреча вещества и антивещества приводит к их исчезновению и высвобождению энергии, наверное, в первую очередь и завораживает авторов научной фантастики.

Например, антивещество играет важную роль в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна (Dan Brown), а в «Звездном пути» межзвездные корабли работают на антивеществе.

Но в реальном мире у антивещества — более мирное применение.

Антивещество в виде позитронов, возникающих в результате распада радиоактивных материалов, используется в больницах в сканерах ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), которые могут сделать снимки внутренних органов и обнаружить в них нездоровые процессы.

Перейти в фотобанк

«То есть антивещество не такое уж и мистическое. Это часть природы, которой мы с удовольствием пользуемся», — говорит Николай Синнер.

А еще мы подвергаем себя воздействию антивещества, поедая бананы. Они содержат калий, который немного радиоактивен и выделяет позитроны при распаде. Примерно каждые 75 минут банан испускает позитрон, который быстро сталкивается с каким-нибудь электроном, и они превращаются в два гамма-фотона.

Но это все совершенно не опасно. Чтобы получить дозу излучения, соответствующую той, что мы получаем, делая рентгеновский снимок, нам придется поглотить несколько сотен бананов.

Его предсказали еще до открытия

Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.

В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.

Молодой британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) бросился решать эту проблему и сумел вывести уравнение, которое позволяет комбинировать квантовую механику со специальной теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.

Обнаружен в камере Вильсона

Тогда о частицах с отрицательной энергией ничего не знали, и Поль Дирак интерпретировал свое открытие так: может существовать частица, совершенно такая же, как электрон, за исключением противоположного заряда.

Если у электрона — негативный заряд, то должна существовать и соответствующая частица с позитивным зарядом. Согласно расчетам, то же правило должно касаться всех элементарных частиц, то есть вообще всех частиц, из которых состоит мир.

И вот началась охота за антиэлектроном. Американский физик Карл Андерсон (Carl Anderson) использовал туманную камеру (она же камера Вильсона), чтобы обнаружить следы частиц из космоса, имеющих ту же массу, что и электрон, но с противоположным зарядом.

Так был открыт антиэлектрон Дирака, который получил название позитрон — сокращение от «позитивного электрона». С того момента шаг за шагом открывали все новые античастицы.

Вселенная вначале была чистой энергией

Дирак предположил, что отдаленные звезды — возможно, половина из всех, что мы видим на небе, — могут состоять из антивещества, а не вещества. Это следует, например, из его речи, которую он произнес, принимая Нобелевскую премию по физике в 1933 году.

Но сегодня мы знаем, что все во вселенной состоит только из вещества, а не из антивещества. И это действительно загадочно, потому что в начале существования вселенной должно было быть примерно одинаковое количество того и другого, объясняет Николай Синнер.

«Если мы начнем отматывать назад развитие вселенной, энергии будет становиться все больше и больше. Плотность возрастет, температура повысится. Наконец, все превратится в чистую энергию — энергонесущие или силовые частицы вроде фотонов. Таково было начало вселенной, согласно нашим самым распространенным космологическим теориям».

«А если мы снова пойдем вперед от этой точки отсчета, то в какой-то момент энергия должна будет начать превращаться в вещество. Вполне можно создавать вещество из чистой энергии, но в таком случае у вас получается столько же антивещества, сколько и вещества. Вот в чем проблема — можно было ожидать, что будет одинаковое количество того и другого».

«Должен существовать какой-то закон природы, который отвечает за то, что сегодня существует больше вещества, чем антивещества. И ничего больше не скажешь об этом дисбалансе. А так можно было бы объяснить эту ассиметрию».

Нейтрино помогут решить загадку

Большой вопрос заключается в том, где в законах природы следует искать причину победы вещества над антивеществом. Это физики пытаются выяснить с помощью экспериментов.

В научно-исследовательском центре ЦЕРН в Швейцарии антивещество производят и удерживают в магнитных полях и с помощью ряда экспериментов с антиводородом физики пытаются найти ответ на вопрос, являются ли вещество и антивещество точным зеркальным отражением друг друга.

Возможно, между ними все-таки есть небольшая разница, за исключением заряда, и эта разница поможет объяснить, почему во вселенной так много вещества относительно антивещества.

Удалось создать антигелий

Так как антивещество очень редкое и быстро исчезает при встрече с веществом, в природе молекул антивещества нет, а создавать получается лишь самые маленькие его молекулы.

В 2011 году американским ученым удалось создать антигелий. Более крупных атомов не получилось.

Мы на «Виденскаб» немало писали об этих экспериментах, которые пока что демонстрируют, что антивещество ведет себя точно так же, как и вещество, о чем, например, рассказывается в статье «Орхусский ученый провел самые точные измерения антиводорода за всю историю». И, возможно, решение этой загадки помогут нам найти элементарные частицы под названием нейтрино. Об этом мы писали в статье «Ледяной эксперимент раскроет тайну вещества».

«Можно надеяться, что мы найдем ответ в нейтрино, потому что мы уже сейчас знаем, что оно ведет себя странно. Здесь остается много пробелов в физике, так что разумно будет тут и начать копать», — говорит Николай Синнер.

Само по себе антивещество не такое уж мистическое, но физики пока что не выяснили, почему во вселенной сегодня настолько больше вещества, чем антивещества. Они работают над этим вопросом.

Антивещество

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом – протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

Содержание:

1 История открытия
2 Частицы и античастицы
3 Материалы по теме
4 Общие сведения об антивеществе
5 Получение антивещества
6 Стоимость антивещества
7 Применение

История открытия

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год – антинейтрон.

Частицы и античастицы

Стандартная модель в физике

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

Масса – физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
Спин – собственный момент импульса элементарной частицы.
Электрический заряд – характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
Цветовой заряд – абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

Материалы по теме

Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции – их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.

Общие сведения об антивеществе

Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества. Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем. Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».

Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач.

Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.

Получение антивещества

Водород и антиводород

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.

Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода – 0,28 аттограмм (10^-18грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.

Стоимость антивещества

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA –создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.

Применение

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе – варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии.

Корабль из фильма Стартрек

В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.

Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность – около 35 килотонн. А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42 960 килотонн. Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством — АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58 000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 13758

Запись опубликована: 14.11.2015
Автор: Максим Заболоцкий

Что такое антивещество?

Мы живем во вселенной, где куча вещества и по большому счету совсем нет антивещества. Двое наших читателей хотят знать, что такое антивещество, и на этот вопрос им дает ответ физик.

Но что из себя представляет эта субстанция — что такое, по сути, антивещество?

Вещество с противоположным зарядом

Исчезает вспышкой света

Используется в медицинских сканерах

Но в реальном мире у антивещества — более мирное применение.

Его предсказали еще до открытия

Обнаружен в камере Вильсона

Читать далее.

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 (открывается 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.

Что такое антивещество? — Scientific American

Р. Майкл Барнетт из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Хелен Куинн из Стэнфордского центра линейных ускорителей предлагают этот ответ, части которого перефразированы из их книги Очарование странных кварков:

В 1930 году Поль Дирак сформулировал квантовую теорию движения электронов в электрическом и магнитном полях, первую теорию, которая правильно включила специальную теорию относительности Эйнштейна в эту теорию.
контекст. Эта теория привела к неожиданному предсказанию: уравнения, описывающие электрон, также описывали и фактически требовали существования другого типа частиц с точно такой же массой, как у электрона, но с положительным, а не отрицательным электрическим зарядом. Эта частица, называемая позитроном, является античастицей электрона и является первым примером антиматерии.

Его открытие в экспериментах вскоре подтвердило замечательное предсказание антивещества в теории Дирака. Снимок из камеры Вильсона, сделанный Карлом Д. Андерсоном в 1931 году, показал, как частица входит снизу и проходит через свинцовую пластину. Направление кривизны траектории, вызванной магнитным полем, указывало на то, что частица была положительно заряженной, но с такой же массой и другими характеристиками, что и электрон. Современные эксперименты обычно производят большое количество позитронов.

Предсказание Дирака применимо не только к электрону, но и ко всем фундаментальным составляющим материи (частицам). Каждому типу частиц должен соответствовать тип античастицы. Масса любой античастицы равна массе частицы. Все остальные его свойства также тесно связаны, но с обратными знаками всех зарядов. Например, протон имеет положительный электрический заряд, а антипротон — отрицательный. Существование партнеров антиматерии для всех частиц материи в настоящее время является хорошо проверенным явлением, и наблюдаются оба партнера для сотен таких пар.

Новые открытия ведут к новому языку. Придумывая термин «антиматерия», физики фактически переопределили значение слова «материя». До этого времени «материя» означала все, что имело субстанцию; даже сегодня школьные учебники дают такое определение: «материя занимает пространство и имеет массу». Добавив понятие антиматерии в отличие от материи, физики сузили определение материи, чтобы оно применялось только к определенным видам частиц, включая, однако, все те, которые встречаются в повседневном опыте.

Любая пара совпадающих частиц и античастиц может быть создана в любое время, когда имеется достаточно энергии для обеспечения необходимой массы-энергии. Точно так же каждый раз, когда частица встречает соответствующую античастицу, они могут аннигилировать друг друга, то есть они оба исчезают, оставляя свою энергию преобразованной в какую-то другую форму.

Между частицами и античастицами нет внутренней разницы; они появляются по существу на одной и той же основе во всех теориях частиц. Это означает, что законы физики для
античастицы почти идентичны античастицам; любая разница — это крошечный эффект. Но, безусловно, есть существенная разница в количестве этих объектов, которые мы находим в окружающем нас мире; весь мир состоит из материи. Любая антиматерия, которую мы производим в
лаборатория вскоре исчезает, потому что встречается с соответствующими частицами материи и аннигилирует.

Современные теории физики элементарных частиц и эволюции Вселенной предполагают или даже требуют, чтобы антиматерия и материя были одинаково распространены на самых ранних стадиях, так почему же антиматерия так редко встречается сегодня? Наблюдаемый дисбаланс между материей и антиматерией — загадка, которую еще предстоит объяснить. Без него сегодняшняя Вселенная, безусловно, была бы гораздо менее интересной, потому что вокруг не осталось бы практически никакой материи; аннигиляции уже превратили бы все в электромагнитное излучение. Так что ясно, что этот дисбаланс является ключевым свойством мира, который мы знаем. Попытки объяснить это сегодня являются активной областью исследований.

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно лучше понять ту крошечную часть законов физики, которые различаются для материи и антиматерии; без такой разницы не было бы возможности возникновения дисбаланса. Это различие является предметом изучения в ряде экспериментов по всему миру, которые сосредоточены на различиях в распадах частиц, называемых B-мезонами, и их партнеров-античастиц. Эти эксперименты будут проводиться как на электронно-позитронных коллайдерах, называемых В-фабриками, так и на адронных коллайдерах высоких энергий, потому что каждый тип установок предлагает разные возможности для участия в изучении этой детали законов физики — детали, которая очень важна. отвечает за такое важное свойство мироздания, как то, что там вообще что-то есть!

Мария Спиропулу — докторант по физике в Гарварде. Ее ответ следующий:

Начнем с определения материи. Люди спрашивали: «Что такое материя?» довольно долгое время. Демокрит, т.
древнегреческий философ и математик, предвидел структуру строительных блоков всего и
основу этой структуры он назвал атомом; он писал: «Нет ничего, кроме атомов и пустого пространства:
все остальное — мнение». На атомарном уровне мир можно описать с точки зрения элементов,
включая водород, кислород, углерод и т.п.

Однако оказывается, что атомы не являются фундаментальными составляющими материи. Когда мы приближаемся к
материи, исследуя ее на меньших расстояниях, раскрывается субатомный мир. Чем ближе мы смотрим, тем страннее это
мир, квантовый мир, ведет себя на самом деле. Мы не можем установить с ним прямую связь: в малых масштабах
объекты ведут себя не как палочки, или шары, или волны, или облака, или что-то еще, что мы когда-либо испытывали непосредственно.
Но квантовая механика этого мира позволяет нам описать, как атомы образуют молекулы.

Это также позволяет нам изобразить «движение» определенных частиц внутри атомов. Действительно, атомы состоят из
электроны, которые вращаются вокруг неподвижных протонов и нейтронов в своих ядрах, состоящих из кварков. Эти
все частицы взаимодействуют друг с другом с помощью частиц-посредников, таких как фотоны, глюоны, W
и Z. Основываясь на свойствах этих частиц, мы присваиваем им идентификационные номера, или квантовые
числа. А с помощью симметрий и законов сохранения, включающих квантовые числа
частиц, мы можем описать их взаимодействие. Примерами таких чисел являются заряд и собственный угловой
импульс или вращение.

Если , то — это любая частица, и эта частица не имеет никаких атрибутов, кроме линейного и углового момента (которые включают
энергию и вращение), то a — это его собственная античастица — одна из составляющих антивещества. Например,
фотон сам себе античастица. Если у частицы есть другие атрибуты (например, электрический заряд Q), то
античастица имеет противоположные атрибуты (или заряд -Q). Протон и нейтрон обладают такими свойствами.
В случае протона его положительный заряд отличает его от отрицательно заряженного антипротона.
нейтрон, хотя и электрически нейтрален, имеет магнитный момент, противоположный антинейтрону. Протоны
а нейтроны имеют другое квантовое число, называемое барионным числом, которое также имеет противоположный знак в
соответствующие античастицы.

Операция замены частиц античастицами называется зарядовым сопряжением (С). Частицы и
античастицы имеют точно такую же массу и одинаковые, но противоположные заряды и магнитные моменты; если они
нестабильны, они имеют одинаковый срок службы. Этот период называется временем зарядового сопряжения-четности (CPT).
инвариантность, которая устанавливает тот факт, что если вы поменяете местами частицы на античастицы (C), посмотрите на три
мерное зеркало (P) и обратное время (T), вы не можете отличить их друг от друга. Большинство
жесткими испытаниями КПП на сегодняшний день являются измерения отношения магнитных моментов электрона и
позитрона до двух частей на триллион (Р. Ван Дайк-младший и П.Б. Швинберг, Вашингтонский университет,1987)
и измерения заряда на массу протона и антипротона — найдено от 0,999 999 999,91 до 90
частей на триллион (G. Gabrielse, Harvard, 1998).

Антиматерия возникла как решение того факта, что уравнение, описывающее свободную частицу в движении (уравнение
релятивистская связь между энергией, импульсом и массой) имеет не только положительное энергетическое решение, но
тоже отрицательные! Если бы это было правдой, ничто не помешало бы частице упасть в бесконечное отрицательное
энергетические состояния, излучающие бесконечное количество энергии в процессе — то, чего не происходит. В
1928, Поль Дирак постулировал существование положительно заряженных электронов. В результате получилось уравнение
описывая как материю, так и антиматерию в терминах квантовых полей. Эта работа была поистине историческим триумфом,
потому что это было подтверждено экспериментально и положило начало новому способу мышления о частицах и
поля.

В 1932 году Карл Андерсон открыл позитрон при измерении космических лучей в камере Вильсона.
эксперимент. В 1955 году в Беркли Беватрон Эмилио Сегре, Оуэн Чемберлен, Клайд Виганд и
Томас Ипсилантис открыл антипротон. А в 1995 в ЦЕРН ученые синтезировали антиводород
атомов впервые.

Когда частица и ее античастица сталкиваются, они аннигилируют в энергию, переносимую «силой».
частицы-мессенджеры, которые впоследствии могут распадаться на другие частицы. Например, когда протон и
антипротон аннигилирует при высоких энергиях, может образоваться пара топ-антитоп-кварк!

Интригующая загадка возникает, когда мы считаем, что законы физики трактуют материю и антиматерию почти как
симметрично. Почему же тогда у нас не бывает встреч с антилюдьми из антиатомов? Почему это
звезды, пыль и все остальное, что мы наблюдаем, состоит из материи? Если бы космос начался с равных количеств
материя и антиматерия, где антиматерия?

Экспериментально отсутствие аннигиляционного излучения от скопления Девы показывает, что небольшое количество антиматерии может
можно найти в пределах ~ 20 мегапарсеков (Мпк), типичного размера галактических скоплений. Тем не менее, насыщенная программа
поиск антивещества в космическом излучении существует. Среди прочего, результаты формируют High-Energy
Телескоп на антиматерии, эксперимент с космическими лучами на воздушном шаре, а также данные за 100 часов.
с альфа-магнитного спектрометра на борту космического корабля НАСА, подтверждают доминирование материи в
наша Вселенная. Однако результаты орбитальной гамма-обсерватории Комптона НАСА
обнаружение того, что может быть облаками и фонтанами антиматерии в Галактическом центре.

Мы заявили, что существует приблизительная симметрия между материей и антиматерией. Малая асимметрия есть
Считается, что она, по крайней мере, частично ответственна за то, что материя переживает антиматерию в нашей Вселенной.
Недавно и эксперимент NA48 в ЦЕРНе, и эксперимент KTeV в Фермилабе напрямую
измерил эту асимметрию с достаточной точностью, чтобы установить ее. И ряд экспериментов, в том числе
Эксперимент BaBar в Стэнфордском центре линейных ускорителей и Belle в KEK в Японии столкнутся с
один и тот же вопрос в разных системах частиц.

Антиматерия при более низких энергиях используется в позитронно-эмиссионной томографии (см. это ПЭТ-изображение мозга).
Но антивещество привлекло общественный интерес главным образом как топливо для вымышленного космического корабля «Энтерпрайз» в «Звездном пути».
На самом деле НАСА обращает внимание на антиматерию как на возможное топливо для межзвездного движения. В штате Пенсильвания
Университет, группа Antimatter Space Propulsion решает проблему использования антиматерии.
аннигиляция как источник энергии для движения. Увидимся на Марсе?

Ответ первоначально опубликован 18 октября 1999 г.

Что такое антивещество? | BBC Sky at Night Magazine

Антиматерия звучит как научная фантастика: материал, который выглядит как обычная материя, но высвобождает столько же энергии, сколько атомная бомба, если даже его частичка соприкоснется с чем-либо вокруг нас.

Неудивительно, что ученый, который первым предсказал существование антивещества, не мог понять то, что он обнаружил.

В настоящее время физики используют гигантские детекторы частиц для исследования тонких эффектов, которые, как они надеются, объяснят главную загадку антивещества: куда все это делось?

Еще космология:

Что такое ядерная паста?
Что такое пространство-время?
Как мы измеряем расстояние в космосе

Где вся антиматерия?

Могут ли там быть антипланеты, вращающиеся вокруг антизвезд? Предоставлено: ESA/Hubble & NASA

Это вопрос, решение которого лежит в самых первых моментах Большого Взрыва почти 14 миллиардов лет назад.

Что-то произошло тогда, когда Вселенная, рожденная с таким же количеством антивещества, как и обычная материя, превратилась во что-то странным образом лишенное материи.

Исчезла ли антиматерия в результате какой-то странной причуды законов природы, или она все еще где-то там, образуя антипланеты на орбитах вокруг антизвезд?

Одно можно сказать наверняка: несмотря на свою странность и редкость, антиматерия существует.

Первые намеки на существование антивещества появились в 1928 году, когда 26-летний британский физик Поль Дирак объявил об открытии единого уравнения, объединяющего не менее трех ключевых теорий физики: квантовую теорию, электромагнетизм и специальную теорию Эйнштейна относительность.

Уравнение антиматерии Поля Дирака

Британский физик Поль Дирак получил Нобелевскую премию 1933 года за «открытие новых продуктивных форм атомной теории». Фото: Bettmann/Getty Images

В 1928 году Поль Дирак сделал поразительное заявление, сделав антиматерию объектом беспрецедентного внимания.

Это было выдающееся достижение, за которое Дирак получил Нобелевскую премию, но последствия его были загадочными.

Подобно квадратным уравнениям, знакомым по школьной математике, уравнение Дирака имело не одно, а два решения.

Один из них имел смысл и описывал свойства самой знакомой из частиц — электрона.

Но другое решение, казалось, описывало другую субатомную частицу, чьи свойства были точным зеркальным отражением электрона, с той же массой, но противоположным электрическим зарядом — антиэлектрон.

Изображение первого наблюдаемого позитрона. Предоставлено: Карл Д. Андерсон (1905–1991) — Андерсон, Карл Д. (1933). «Положительный электрон». Физический обзор 43 (6): 491–494. DOI: 10.1103/PhysRev.43.491.

Что беспокоило Дирака, так это то, что никто никогда не видел такой частицы или чего-то подобного.

Несмотря на это, он решил довериться своему уравнению и рассматривать новую частицу как предсказание.

Вера Дирака была быстро вознаграждена. В 1932 году физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института разработал новый тип детектора частиц для изучения космических лучей, невероятно быстрых частиц, проносящихся сквозь атмосферу из глубокого космоса.

Фотография, сделанная с помощью детектора, выявила нечто совершенно странное: след частицы, ведущей себя так, как если бы она была точным зеркальным отражением электрона.

Впервые была обнаружена частица, предсказанная уравнением Дирака четырьмя годами ранее: идентичная по массе электрону, но с положительным зарядом. Он был должным образом назван позитроном.

Однако это открытие только пролило свет на тайну антиматерии.

Хотя электроны встречаются повсеместно, для обнаружения хотя бы одного позитрона понадобился современный детектор частиц.

Поиск антиматерии

Большой взрыв мог создать 50:50 материи и антиматерии. Так почему же материи во Вселенной больше, чем антиматерии? Авторы и права: NASA/WMAP Science Team

Ни в уравнении Дирака, ни в известных законах физики не было ничего, что объясняло бы, почему Вселенная должна отдавать предпочтение материи антиматерии — так где же все это было?

Одно из предположений заключалось в том, что Земля случайно оказалась в относительно свободной от антиматерии области Вселенной. Возможно, там были целые звезды, сделанные из притаившегося там материала.

Если это так, то это было бы достаточно легко сказать, поскольку как только антиматерия вступает в контакт с обычной материей, она полностью разрушается в мощном всплеске радиации.

Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc² показывает, что если всего один грамм антивещества вступает в контакт с обычным веществом, высвобождаемая энергия эквивалентна взрыву атомной бомбы.

На самом деле аннигиляция материи и антиматерии является самым мощным источником энергии во Вселенной, и ее последствия трудно не заметить.

Изображение, полученное космическим телескопом Хаббла, показывает ряд галактик, в которых, как предполагается, происходят яркие гамма-всплески. Предоставлено: NASA, ESA, A. Fruchter (STScI) и GOSH Collaboration

. Итак, если действительно существуют антизвезды или даже целые антигалактики помимо нашей собственной, Земля должна купаться в постоянном сиянии гамма-излучения — явный признак аннигиляции материи и антиматерии.

Реальность вряд ли может быть более иной. С начала 1960-х годов астрофизики посылали все более сложные детекторы гамма-излучения над защитным слоем атмосферы, чтобы увидеть, что там.

Больше похоже на это

И сообщение было последовательным: во Вселенной нет никаких признаков объектов антивещества.

Отсутствие гамма-лучей в нашей собственной Галактике предполагает, что ближайшая антизвезда должна находиться на расстоянии не менее 10 световых лет от нас, при этом не более одной звезды из 10 000 состоит из антивещества.

В более крупном масштабе отсутствие антиматерии еще более поразительно: уровень гамма-излучения, исходящего от далеких галактик, предполагает, что не более одной части из 100 000 внегалактической материи может быть в форме антиматерии.

Почему материи больше, чем антиматерии?

‘Обычная материя состоит из звезд, галактик и нас. Предоставлено: Рольф Валь Олсен

Произошло ли что-то во время Большого взрыва, чтобы избавиться от антиматерии, оставив при этом достаточно обычной материи, чтобы создать галактики, звезды и нас?

Первые намеки на то, что это может быть, появились в 1964 году, когда американские физики, изучающие так называемые К-мезонные частицы, обнаружили странный эффект, называемый нарушением зарядовой четности (СР).

Это означало, что антивещество не всегда идеально отражает свойства обычного вещества.

Обнаруженный уровень СР-нарушения был очень мал, но в 1967 году блестящий советский физик и диссидент Андрей Сахаров показал, что это может объяснить, почему материя, созданная при Большом взрыве, не спарилась в точности со всей антиматерией.

Но над предложением Сахарова висели два больших знака вопроса. Во-первых, чтобы иметь шанс объяснить тайну антиматерии, СР-нарушение должно относиться не только к K-мезонам.

И, во-вторых, даже если бы это относилось ко всем частицам, эффект должен был быть достаточно сильным, чтобы объяснить огромное преобладание материи над антиматерией, которое мы наблюдаем сегодня.

Советский физик Андрей Сахаров Андрей Сахаров. Предоставлено: Ullstein Bild / Getty Images

В настоящее время физики исследуют оба этих вопроса с помощью гигантских машин, которые пытаются воссоздать условия ранней Вселенной.

В Стэнфордском университете, Калифорния, 1200-тонный детектор частиц BaBar используется для изучения эффектов столкновения электронов и позитронов с силой, невиданной со времен Большого взрыва.

В результате столкновений образуются нестабильные частицы, называемые B-мезонами, и их аналоги из антивещества, распад которых можно изучить на наличие признаков CP-нарушения.

А в 2001 году ученые, работающие в BaBar, а также в аналогичном эксперименте Belle в Японии, объявили, что им удалось обнаружить CP-нарушение среди B-мезонов и их античастиц, тем самым показав, что эффект не ограничен к одному типу частиц.

В соответствии со стандартной моделью

Стандартная модель объясняет фундаментальные силы, управляющие Вселенной. Предоставлено: Millenium Simulation Project

Более того, уровень СР-нарушения точно соответствовал теоретическим расчетам, основанным на так называемой Стандартной модели, наилучшей теории, доступной в настоящее время для понимания субатомных частиц.

Плохая новость заключалась в том, что измеренный уровень был намного ниже того, который необходим для объяснения наблюдаемого преобладания материи над антиматерией в нашей Вселенной.

Физики считают это признаком того, что Стандартной модели не хватает чего-то важного.

Что именно это может быть, пока неясно, но уже планируются эксперименты, чтобы выяснить это.

Астрофизика и физика элементарных частиц часто отвергаются как совершенно не относящиеся к повседневной жизни.

Но, пытаясь объяснить, как антиматерия уступила место обычной материи при рождении космоса, они держат ключ к пониманию самого нашего существования.

Прочтите наше интервью с физиком-теоретиком Джоном Эллисом

Как Вселенная могла потерять антиматерию

Шаг 1

Рождение Вселенной в период Большого взрыва 13.8 миллиардов лет назад чрезвычайно быстрого расширения (инфляции) и создания частиц материи и антиматерии в равных количествах.

Шаг 2

Частицы материи и антиматерии подвергаются взаимной аннигиляции, высвобождая огромное количество гамма-излучения.

Шаг 3

Абсолютно совершенная аннигиляция блокируется комбинацией расширения Вселенной и эффекта СР-нарушения, что обеспечивает выживание большего количества материи, чем антиматерии.

Этап 4

Излучение оставляет отпечатки пальцев в количестве фотонов частиц в космосе, как видно на этом космическом микроволновом фоне, предполагая, что материя и антиматерия аннигилировали друг друга с точностью до одной части на миллиард.

Шаг 5

Примерно через девять миллиардов лет после завершения процесса аннигиляции около 10 ⁵⁷ частиц материи объединяются под действием гравитации, образуя Солнечную систему.

На что была бы похожа Вселенная из антиматерии?

Слова: Маркус Чаун

Что, если Вселенная полностью состоит из антиматерии? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала признать, что у каждой субатомной частицы есть античастица с противоположными свойствами.

Античастицей отрицательно заряженного электрона, например, является положительно заряженный позитрон.

Античастицы могут объединяться, чтобы создавать антиатомы и, в конечном счете, антиматерию.

Важно отметить, что фотон — частица света — является собственной античастицей. Следовательно, если бы Вселенная была сделана из антиматерии, она не выглядела бы иначе!

Итак, откуда мы знаем, что звезды не антизвезды и галактики не антигалактики?

Итак, когда частицы материи и антиматерии встречаются, они «аннигилируют» друг друга: их масса-энергия вспыхивает в высокоэнергетический свет или гамма-лучи.

Мы знаем, что в нашей Галактике нет антизвезд или антигалактик в Местной Группе, потому что материя смешивается внутри этих систем, однако мы не видим аннигиляционного излучения.

Похоже, мы живем во Вселенной материи.

Это загадка, потому что частицы и их античастицы всегда создаются вместе.

Так почему же Вселенная не содержит смесь материи и антиматерии 50:50?

Подсказка исходит из того факта, что на каждую частицу материи приходится около 30 миллиардов фотонов.