Що таке антиматерія?

Антиматерія (або антиречовину) – матерія, що складається з античастинок. За сучасними уявленнями, сили, що визначають структури матерії (сильна взаємодія, що утворить ядра, і електромагнітне взаємодія, що утворить атоми і молекули) абсолютно однакові як для частинок, так і для античастинок. Це означає, що структура антиречовини повинна бути ідентична структурі звичайної речовини.

Приставка «анти» в словах «античастинки», «антиматерія», «антиречовину» підштовхує фантазерів до міркувань про якусь Антівселенной, що знаходиться чи то далеко-далеко, чи то в «паралельному просторі». Особливо захоплюються особистості приплітають сюди ж «добро і зло», «інь і ян» … Насправді містики тут – не більше, ніж у взаємному «знищенні» води і вогню, яке так надихало древніх філософів. «Речовина не з нашого світу» – цілком з нашого: воно народжується і гине тут, а не в якихось «інших вимірах». «Антиподи» є в кожної з сотень відомих частинок, крім фотона і ще декількох, істинно нейтральних (для них античастинка точно збігається з часткою).

Відмінність речовини і антиречовини можливо тільки за рахунок слабкої взаємодії, однак при звичайних температурах слабкі ефекти пренебрежимо малі.

Ведеться досить багато міркувань на тему того, чому спостережувана частина всесвіту складається майже виключно з речовини і чи існують інші місця, заповнені, навпаки, практично повністю антиречовиною; але на сьогоднішній день спостерігається асиметрія речовини і антиречовини у Всесвіті – одна з найбільших невирішених завдань фізики . Передбачається, що настільки сильна асиметрія виникла в перші частки секунди після Великого Вибуху.

Першим об'єктом, цілком складеним з античастинок, був синтезований в 1965 році анти-дейтронів; потім були отримані і більш важкі антіядра. У 1995 році в ЦЕРНі був синтезований атом антиводню, що складається з позитрона й антипротона. В останні роки антиводень був отриманий в значних кількостях і було розпочато детальне вивчення його властивостей.

При взаємодії речовини і антиречовини їх маса перетворюється на енергію. Таку реакцію називають анігіляцією. Антиречовину – лідер серед відомих речовин по щільності енергії. Підраховано, що при вступі у взаємодію 1 кг антиматерії і 1 кг матерії виділиться приблизно 1,8-1017 джоулів енергії, що еквівалентно енергії виділяється при вибуху 42,96 мегатонн тротилу. Найпотужніше ядерний пристрій з коли-небудь вибухають на планеті, «Цар-бомба» (вага ~ 20 т), відповідало 57 мегатоннам. Слід зазначити, що близько 50% енергії, що виділилася при анігіляції (реакції пари нуклон-антінуклон), виділяється у формі нейтрино, які практично не взаємодіють з речовиною.

У 2010 році фізикам вперше вдалося короткочасно зловити в «пастку» атоми антиречовини. Для цього вчені охолоджували хмару, що містить близько 30 тисяч антипротонів, до температури 200 кельвінів (мінус 73,15 градуса Цельсія), і хмару з 2 мільйонів позитронів до температури 40 кельвінів (мінус 233,15 градуса Цельсія). Фізики охолоджували антиречовину в пастці Пеннінга, вбудованої всередину пастки Іоффе-Пітчарда. У загальній складності було спіймано 38 атомів.

У нормальних умовах частинки антиматерії практично миттєво знищуються за рахунок контакту із звичайною матерією, перетворюючись в гамма-промені. Вважається, що в перші миті після Великого Вибуху кількість позитронів і електронів у Всесвіті було приблизно однаково, проте при охолодженні ця симетрія порушилася. Поки температура Всесвіту не знизилася до 1 МеВ, теплові фотони постійно підтримували в речовині певну концентрацію позитронів шляхом народження електрон-позитронного пар (такі умови існують і зараз в надрах гарячих зірок). Після охолодження речовини Всесвіту нижче порога народження пар залишилися позитрони анігілювати з надлишком електронів.

У космосі позитрони народжуються при взаємодії з речовиною гамма-квантів та енергійних частинок космічних променів, а також при розпаді деяких типів цих частинок. Таким чином, частина первинних космічних променів складають позитрони, так як у відсутність електронів вони стабільні. У деяких областях Галактики виявлені анігіляційних гамма-лінії, що доводять присутність позитронів.

Антиматерія тісно пов'язана з темою походження Всесвіту в результаті Великого Вибуху близько 14 мільярдів років тому. Вважається, що античастинок в ньому утворилося стільки ж, скільки і частинок. Однак зараз антиречовини у Всесвіті спостерігається набагато менше, ніж речовини. Куди ж воно поділося? Якщо відлетіло в іншу область простору, чому така кількість антиматерії нічим не реєструється? Маса-то у античастинок та ж, що і у частинок. Якщо ж антиречовину зникло після анігіляції з речовиною, то чому залишилося стільки «зайвого» речовини, з якої складається світ? Може, «нерівність» виникло раніше, ніж думають? Або античастинки таки не тотожні «своїм» часткам за властивостями і більш схильні до розпаду? Вирішити ці загадки і може допомогти антиречовину – вже не просто передбачене формулами, а цілком відчутне детекторами.

Чим відрізняється антиматерія від матерії за будовою і властивостями
За сучасними уявленнями – нічим. Але вони не можуть існувати в безпосередній близькості один від одного і повинні анігілювати.

Чи має антиматерія такий же колір, як і протилежна їй матерія
Колір – це людська характеристика частоти електромагнітного випромінювання, яке потрапляє в око. Електромагнітне випромінювання «нейтрально» по відношенню до частинок або античастинок. Антиречовину очима людини буде видно, як і речовина, але антиречовину може бути виявлено спеціальними детекторами, які «бачать» не тільки електромагнітне випромінювання.

Як буде виглядати анігіляція
При дуже малих швидкостях зіткнення електрона і позитрона з'являться тільки фотони. Але при великій енергії зіткнення народжується багато самих різних частинок і античастинок – порівну. Вони можуть розлетітися в різні боки і тільки потім зустрітися з антиподами. Якщо енергія зіткнення мала – то, в основному, спалах. Якщо велика – багато нових частинок і античастинок. Вже більше 20 років працює в США прискорювач «Теватрон», в якому зіштовхують протони і антипротони.

Чи потрібен для анігіляції, скажімо, водню саме антиводень. Або антигелів і будь-яке інше «анти» теж підійде? Що буде, якщо доторкнутися рукою, тканини якої не містять свинцю, «антісвінец»?

Якщо зіштовхнути антиводень з атомом гелію, то анігілюють тільки один протон і один електрон з гелію, інші складові гелію будуть жити і далі. Тільки це вже не буде атом гелію. Якщо торкнешся антісвінца – антипротони, антинейтрони і позитрони з нього проаннігіліруют з будь-якими протонами, нейтронами і електронами з руки. У будь-якому випадку ви залишитеся без руки, якщо взагалі виживете.

Чи небезпечні досліди з антиречовиною
Ще в 2003 році Європейський центр ядерних досліджень опублікував звіт незалежних фахівців, які оцінювали ймовірність різних ризиків, пов'язаних з роботою колайдера. Імовірність – в тому числі з антиматерією – була визнана мізерно малою. А частинки з космосу, що володіють набагато більшою енергією, постійно влітають в земну атмосферу, теж приводять до появи античастинок – але за мільйони років нічого не трапилося.

Чи є у Всесвіті об'єкти, що складаються з антиматерії
Якщо і є, то дуже мало. Переконливих доказів існування великих об'єктів, що складаються з антиматерії, немає.

Фантасти розглядають анігіляцію як ідеальний спосіб отримання енергії. Зараз на отримання антиматерії йде набагато більше енергії, ніж потім дає анігіляція.

Є проекти фотонних двигунів, можна уявити електростанції, але це все поки з області фантастики. Принципово все зрозуміло, а реалізувати на практиці ученим поки не вдалося.

Практична користь від досліджень
Історія вчить, що даремних відкриттів не буває. Чи могли люди думати, що буде практична користь від рівнянь Максвелла для електромагнітних взаємодій? А адже зараз це основа для розрахунків всього, що має відношення до електрики. Чи міг хтось передбачити після дослідів Резерфорда, що з'явиться ядерна фізика, а з її потреб народиться електроніка, без якої ми зараз не можемо уявити своє життя?

Цифри

  • 1 тонна антиречовини в рік покрила б енергетичні потреби всієї планети
  • $ 62,5 трильйона коштує один грам антиводню, отриманий сьогоднішніми способами.

Ціна антиматерії

Антиречовину відомо як найдорожча субстанція на Землі, за оцінками НАСА 2006 року, виробництво міліграма позитронів коштувало приблизно 25 мільйонів доларів США. За оцінкою 1999 року, один грам антиводню коштував 62,5 трильйона доларів. За оцінкою CERN 2001 року, виробництво мільярдної частки грама антиречовини (обсяг, використаний CERN в зіткненнях частинок і античастинок протягом десяти років) коштувало кілька сотень мільйонів швейцарських франків.

Джерела та додаткова інформація:

  • Антиматерія – Вікіпедія;
  • «Фізики вперше зловили в пастку атоми антиречовини» – Лента.Ру;
  • Антиматерія створена – ТОВ «Будинок Сонця»;
  • Антиматерія, якої даремно боялися – ТОВ «Видавництво« Пресцентр ».
  • New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions – NASA (англ., 2006);
  • Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft – NASA (англ., 12 квітня 1999);
  • Questions & Answers – CERN (англ., 2001);

Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply