Что такое антиматерия и почему она стоит $62.5 триллиона за грамм?
История о том, как открыли то, чего в природе нет - так бы можно было назвать статью об антиматерии. Антиматерии не было обнаружено в естественной окружающей среде: её научились добывать в лабораториях, для её создания требуются триллионы долларов - но это не самое интересное про антивещество.
Эта статья доступно расскажет про античастицы, антиматерии и антигалактики - запасайтесь кружечкой чая, будет интересно.
Как открыли антиматерию
Конец 19 века и начало 20 века - время выдающихся гипотез, заложивших основы современной науки. Ярким доказательством является английский физик Артур Шустер, который в 1898 году пришёл к выводу о существовании антиматерии после открытия электрона как частицы Дж. Томсоном и Э. Вихертом.
Напомним, что электрон - стабильно отрицательно заряженная элементарная частица.
В свою очередь Шустер предположил существование «двойника» электрона - частицы с той же массой, но с противоположными физическими характеристиками. То есть он предположил существование его зеркального отражения - антиэлектрона, который заряжен положительно.
Встреча частицы и её двойника всегда фатальна: при взаимодействии частицы и парной её античастицы происходит взаимное уничтожение, их масса преобразуется в энергию - этот процесс называется аннигиляцией (переводится с латинского как «уничтожение»).
Наглядный пример:
Если вырыть ямку лопатой, в поле появятся два объекта - выкопанная ямка и кучка грунта рядом с ней, где кучка грунта - это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», - античастица. Если мы засыплем ямку ранее извлеченным из нее грунтом, то не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.
Примеры частиц и их двойников:
- Электрон несёт отрицательный электрический заряд = Позитрон его двойник с положительным зарядом
- Протон с положительным зарядом = Антипротон с отрицательным.
Из гипотезы Шустера вытекает: существует антивещество, в котором живут античастицы. Учёный строил своё предположение на одном соображении - природа должна была создать симметрию между отрицательным и положительным. Аргумент не самый научно убедительный, и антиматерией еще 30 лет не интересовались.
Как доказали существование антиматерии
Поль Дирак доказал существование антиэлектрона спустя 30 лет через… уравнение! Вклад в науку Дирака сопоставим с теорией Эйнштейна, так что в 1933 году учёный получил Нобелевскую премию. Он предложил изящный математический аппарат, который описывает процессы на уровне частиц - в 1928 году Дирак выработал формулу, объединяющее специальную теорию относительности и квантовую теорию. Также, как уравнение x²=9 (либо x=3, либо x=-3), уравнение Дирака имеет два решения:
- 1-е - для электрона с положительной энергией
- 2-е - для электрона с отрицательной энергией.
Дирак вывел двойника электрона, но с положительным зарядом, и назвал его позитроном. Позже существование античастиц было доказано в наблюдениях и экспериментах, проводящихся в специальных лабораториях на высокогорьях, в которых изучали космические лучи. Отметим, что существование антиматерии, в которой живут античастицы, на Земле так и не было обнаружено.
Об антиматерии в цифрах:
- Антивещество - самая дорогая субстанция на Земле. Производство самой легко добываемой античастицы - 1 миллиграмм позитронов = 25 миллионов долларов США
- 62,5 триллиона долларов США стоит 1 миллиграмм антиводорода
- Сотни миллионов франков стоила миллиардная доля грамма антивещества (она формировалась в течение 10 лет).
Поль Дирак пришёл к выводу, что античастицы рядом с нами долго жить не могут - сталкиваясь с электронами, они аннигилируют, то есть превращаются в иные частицы или вовсе исчезают. Почему? Учёный предполагал, если наша Солнечная система построена из электронов, то существовать рядом с нами античастицы не могут - скорее в сего они существуют в других галактиках или, точнее, антигалактиках.
К слову, с момента появления статьи американского учёного Владимира Рожанского «Гипотеза о существовании неземельной материи» идея о параллельных вселенных активно культивируется в массовой культуре. Вышла не одна книга о «неземелье» и не один фильм о том, какими бы могли быть параллельные вселенные. В 2018 году на эту тему вышел анимационный фильм «Человек-паук: через Вселенные», собравший премии кинокритиков «Оскар», «Золотой Глобус» и «BAFTA».
Антигалактики так и не были найдены, и сегодня мало кто верит, что они существуют. Учёные пришли к выводу об асимметрии Вселенной, в которой материя есть, а антиматерии очень мало. Но если античастицы прилетают к нам из космоса, значит, где-то они рождаются? Верно, источники их появления известны: например, сильно замагниченные окрестности нейтронных звезд, разные взрывы, ускорение космических лучей на фронтах ударных волн в межзвездной среде.
Античастицы возникают в природе и живут ничтожно мало
Открытие античастиц считается крупнейшим открытием XX столетия. Античастицы возникают в окружающем мире, но живут здесь ничтожно мало - столкнувшись с атомами, они аннигилируют. На практике это происходит так - небольшая вспышка света, и от античастицы не останется никаких следов. Вы даже и не заметите!
Самая распространенная античастица - антинейтрино: она содержится в каждом кубическом сантиметре нашей Вселенной, но практически никак не взаимодействует с материей и не наносит нам вреда. Позитроны - античастицы электронов, возникают в космических лучах, при грозовых разрядах, при распаде вполне распространенных на Земле элементов.
Например, изотоп калия-40 довольно редко при распадах испускает позитрон. Он содержится в природной смеси, и в результате в нашем организме появляется около одного позитрона в минуту. Вреда здоровью он не наносит. Но есть такие античастицы, которые несут большой риск мутаций в организме - космические лучи, в состав которых входят антимюоны, сотни которых пролетают через нас за секунду.
Преобладание материи над антиматерией, или асимметрия - одна из главных загадок современной физики
Как так вышло, что материя в разы преобладает над антиматерией? Учёные предполагают, что в момент Большого взрыва материи и антиматерии было равное количество. Всё антивещество и вещество должно были либо самоуничтожиться, либо существовать раздельно в равных количествах.
Однако открытие, сделанное в 60-х, помогло немного разобраться в этой загадке. Оказалось, что антиматерия всё же немного отличается от материи: именно благодаря этому отличию после Большого взрыва одинаковое количество частиц и античастиц не самоуничтожилось. Как пишет физик Павел Пахлов, небольшая доля частиц материи «выжила»:
На самом деле, благодаря разности свойств материи и антиматерии небольшая доля частиц материи выжила (одна на миллиард проаннигилировавших!), и этого уцелевшего в грандиозной битве остатка хватило, чтобы сделать нас с вами.
Создание антиматерии в лабораторных условиях
Для изучения антиматерии физики работают над её созданием в лабораторных условиях. Для этого они используют античастицы, о нескольких видах мы рассказывали выше. В 1965 году был создан объект, полностью состоящий из античастиц - антидейтрон, затем были получены более тяжелые антиядра.
В 1995 году физики синтезировали атом антиводорода. В 2000-х учёные работают с ловушкой античастиц и изучают облако, состоящее из множества антиатомов. С помощью адронного коллайдера удалось произвести около 10 миллионов антипротонов в минуту. Но при таком темпе для создания 1 грамма антиматерии понадобится более 100 миллиардов лет.
С точностью до наоборот - фраза, идеально описывающая антиматерию:
Антипротоны + антинейтроны = антиядро
Антиядро + позитроны = антиатомы
Много антиатомов = антивещество.
На сегодняшний день исследования, требующие огромные финансовые инвестиции, позволили производить антиматерию, но эффективность процесса производства и хранения очень низкая.
Для создания антивещества требуется примерно в 1 миллиард раз больше энергии, чем содержится в её массе.
Другая проблема - хранение антиматерии, так как она подвергается воздействию частиц в окружающей среде. Большим достижением стал эксперимент ALPHA в ЦЕРНе, когда учёным удалось хранить антиматерию 1000 секунд!
Применение антиматерии
Хотя исследование антиматерии достаточно абстрактная область, античастицы используются для конкретных задач.
- Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), ставшая важным инструментом для изучения функционирования организма. Позитрон - самая легко добываемая античастица, которая помогает диагностировать онкологические заболевания. Пациенту дают аналог глюкозы с радиоактивной примесью: это вещество накапливается в активно растущих (раковых) клетках. В опухоли будет происходить электрон-позитронная аннигиляция, откуда будут вылетать фотоны. Специальное сканирующее устройство уловит их и обнаружит точное расположение опухоли в организме.
- Позитроны используются также в материаловедении: с их помощью можно изучать поверхности полупроводников для их применения в электронике, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты.
Вокруг потенциала антиматерии много предположений:
- Антиматерию рассматривали в качестве одного из составляющих ядерного оружия. Реакция 1 кг антиматерии и 1 кг вещества = 180 петаджоулей (немного меньше отдачи крупнейшего термоядерного оружия весом 26500 кг, когда-либо взорванного).
- Антиматерию можно будет использовать в качестве топлива для космических путешествий (учёные считают, что одного грамма будет достаточно для пилотируемой миссии на Марс).
Физик Павел Пахлов приводит следующие сравнения для оценки мощи антиматерии:
Сжигая 1 грамм угля, мы получим энергию, составляющую примерно одну миллионную от его массы
Из 1 грамма урана, запустив цепную реакцию, можно извлечь энергию, достигающую величины 0,001 (т. е. одной тысячной) при идеальных условиях
1 грамм антиводорода при анигилляции даст 2 (!) грамма энергии.
Есть одно совсем немаленькое «НО»: да, в 1 грамме антиматерии больше энергии, чем в 1000 тонн угля. Но на Земле нет залежей антивещества: чтобы получить 1 грамм антиводорода, нужно сжечь больше 1000 тонн угля.
Фантастика или перспективы?
Изучение антиматерии относится к абстрактным областям, но уже через 10 лет учёные планируют получать антивещество, измеряемое микрограммами. Антивещество ассоциируется с опасным, подозрительным, будоражащим воображение.
Законы физики не запрещают создания сверхмощных бомб и космического топлива, но наши опасения безосновательны: на современном этапе науки невозможно создать сверхмощную бомбу, маловероятно, что так легко будет создать топливо для космических путешествий. Физик Игорь Иванов в статье «С точностью до наоборот. Все, что вы хотели знать об антиматерии - в вопросах и ответах» пишет:
Однако реализация этих идей настолько далека от реальности, от современных технологий и от технологий ближайших десятилетий, что прагматический ответ простой: нет, для современного мира это всё неправда. Разговор на эти темы - это просто фантастика, опирающаяся не на реальные научные и технические достижения, а на их экстраполяцию далеко за пределы современных возможностей. Если хотите серьезно пообщаться на эти темы серьезно, приходите ближе к 2100 году.