Антиматерия: что это такое, как выглядит, где используется и почему такая дорогая
В первые десятилетия XX века открытие вещества, получившего название антиматерия, породило серьезную проблему: оно ставило под вопрос саму возможность существования нашей Вселенной, состоящей из обычного вещества. Эта загадка легла в основу целого направления физики. Сегодня антиматерию создают и исследуют в лабораториях, чтобы лучше понять, из чего состоит мир — и почему он вообще существует. Что это за вещество, как оно устроено, где встречается и может ли когда-нибудь принести пользу — рассказываем в этом материале.
Антиматерия считается самым дорогим материалом во Вселенной. Всего только один ее грамм оценивается в миллиарды долларов. На антиматерию денег не хватило бы ни у Илона Маска, ни у Марка Цукерберга, ни у Джеффа Безоса — трех богатейших людей на Земле. Производство антивещества невероятно сложно — пока специалистам удавалось получить лишь его крошечные количества. Но для чего это все нужно? Какова реальная стоимость антиматерии, почему ее так мало и чем она отличается от темной материи?
Что такое антиматерия
Антиматерия — это форма вещества, состоящая из античастиц, которые совпадают с частицами материи по массе и спину, но имеют противоположный электрический заряд и другие квантовые характеристики. При встрече частицы и античастицы полностью уничтожают друг друга, превращаясь в энергию — этот процесс называется аннигиляцией.
В 1928 году Поль Дирак сформулировал новое элегантное уравнение, описывающее поведение частиц вроде электрона при движении со скоростью, близкой к скорости света. К его удивлению, уравнение имело два решения — примерно как квадратный корень из положительного числа имеет два значения. Дирак понял, что одно решение соответствует электрону, а второе — загадка, которую он поначалу считал чисто математическим артефактом. Позже он признавался, что ему понадобилось три мучительных года, чтобы набраться смелости заявить: второе решение описывает реальное явление — антиматерию.
Точнее говоря, первое решение описывало электрон, второе — антиэлектрон. Антиэлектрон имеет ту же массу и спин, что и электрон, но противоположный электрический заряд. Поскольку заряд электрона отрицателен, антиэлектрон имеет положительный заряд — поэтому его в итоге назвали позитроном. Уравнение Дирака предполагает, что так обстоит дело с любыми частицами: у кварков есть антикварки, если кварки образуют протоны, то антикварки образуют антипротоны, а антипротоны вместе с антиэлектронами могут образовывать антиатомы и так далее. Теория Дирака была выдающимся достижением — если бы ее подтвердили, число известных частиц бы удвоилось.
Подтверждение пришло удивительно быстро. Всего через четыре года, в 1932-м, Карл Андерсон получил снимок частицы, прошедшей через камеру Вильсона — это прибор, заполненный переохлажденным паром, который находится в неустойчивом состоянии и готов конденсироваться при малейшем возмущении. Когда через него проходит заряженная частица, она ионизирует молекулы воздуха вдоль своей траектории, и в этих точках образуются капельки — это след, который можно сфотографировать. Из измерений следовало, что она имеет ту же массу, что и электрон, но заряд ее не отрицательный, а положительный— это было первое обнаружение антиматерии, подтвердившее предсказание Дирака.
Свойства антиматерии
Масса. Та же, что у соответствующих частиц материи. Например, позитрон и электрон имеют одинаковую массу: 9,11 × 10⁻³¹ кг.
Заряд. Противоположен по знаку. У электрона — отрицательный, у позитрона — положительный. То же справедливо для протона и антипротона, нейтрона и антинейтрона и т.д.
Спин. Спин — это внутреннее квантовое свойство частицы, грубо говоря, аналог вращения (но не буквально вращение, так как у элементарных частиц нет размера и поверхности, соответственно вращаться в пространстве они не могут). Спин определяет, как частица ведет себя в магнитных полях и при взаимодействии с другими частицами. У античастиц спин совпадает по величине с соответствующими частицами. Например, и у электрона, и у позитрона спин ½ — это означает, что их спин равен половине квантовой единицы углового момента.
Загадка вот в чем: если при встрече материя и антиматерия полностью аннигилируют, то возникает главный вопрос — почему вообще осталось какое-то вещество? Если единственное отличие между материей и антиматерией — это знак заряда, и если законы физики, насколько мы знаем, не отдают предпочтения «плюсу» или «минусу», то в момент Большого взрыва должно было возникнуть равное количество вещества и антивещества. Перемешавшись, они должны были полностью аннигилировать, оставив однородное море излучения. В таком случае Вселенная в ее нынешнем виде не могла бы существовать. Так почему же этого не произошло?
Физики бьются над этим вопросом уже более полувека. Одни предполагают, что вещество и антивещество могли разойтись по разным углам, и где-то во Вселенной все еще существуют анти-планеты, анти-звезды, анти-галактики — возможно, даже анти-вселенная. Другие считают, что вскоре после Большого взрыва возник крошечный перекос: немного больше вещества, чем антивещества. По расчетам, чтобы хоть что-то уцелело, на каждый миллиард антипротонов должен был приходиться миллиард плюс один протон. Это микроскопическое нарушение симметрии, но именно оно оставило ровно столько вещества, сколько нужно, чтобы сформировать все, что мы видим сегодня.
Как выглядит антиматерия
Антиматерия — зеркальное отражение обычной материи. Она чрезвычайно редка, но если бы вы могли на нее посмотреть, она выглядела бы как обычное вещество: те же химические свойства, та же структура. Разница в том, что при прикосновении к ней происходила бы мгновенная аннигиляция с окружающей материей — со вспышкой света и высвобождением энергии, сравнимой с взрывом пары-тройки ядерных бомб.
Энергетические уровни в атомах антиматерии совпадают с уровнями в обычных атомах, поэтому свет взаимодействует с ними точно так же: отражаясь от них, он бы создавал те же цвета и прочие оптические эффекты. Конечно, все это справедливо только в том случае, если, скажем, антистул находится в вакууме или окружен анти-воздухом — иначе он тут же взорвался бы.
Интересный момент: в нашем мире из вещества мы никогда на самом деле не касаемся ничего напрямую — между атомами действует кулоновское отталкивание — то есть одинаково заряженные частицы (например, электроны в оболочках наших атомов, и атомов стула) отталкиваются друг от друга. Так что возникает вопрос: если сесть на стул из антивещества, будет ли он притягивать нас (из-за разности зарядов), прежде чем произойдет аннигиляция? Ответ — нет. Атомы в целом электрически нейтральны, так что прямого притяжения не возникнет. Но если электронные оболочки попытаются перекрыться — то есть начнется химическое взаимодействие, — произойдет аннигиляция: электроны столкнутся с позитронами и уничтожат друг друга, высвобождая гамма-излучение.
Так или иначе, даже если бы вся Вселенная состояла из антиматерии, мы бы не заметили никакой разницы. Фотоны — частицы света — являются собственными античастицами. Свет от антизвезды выглядел бы так же, как от обычной звезды. Поэтому внешний вид вещества и антивещества одинаков, и визуально отличить их невозможно.
Как создают антиматерию
Антиматерия не встречается в природе в стабильной форме, но ее можно получить в лаборатории — например, в ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера. Такие установки работают, в частности, в ЦЕРН — международном центре физики высоких энергий недалеко от Женевы. Но сделать антиматерию — это только полдела. Ее еще нужно успеть отделить, замедлить и удержать, прежде чем она аннигилирует. Вот как это происходит:
Создание античастиц
Античастицы вроде позитронов и антипротонов появляются при высокоэнергетических столкновениях — например, когда ускоренные протоны врезаются в металлическую мишень, чаще всего из иридия или никеля. При столкновении часть кинетической энергии превращается в массу, и рождаются пары «частица — античастица», как положено по уравнению E = mc2.
Разделение вещества и антивещества
После столкновения частицы и античастицы разлетаются, и магнитные поля позволяют их разделить: у них противоположные заряды, так что траектории искривляются в разные стороны.
Замедление античастиц
Новорожденные античастицы несутся почти со скоростью света. Чтобы с ними можно было работать, их нужно замедлить — для этого используют электромагнитные поля и специальные кольца-замедлители, как, например, установка ELENA в ЦЕРН.
Удержание в ловушке
В банку антиматерию не положишь — она тут же аннигилирует при контакте с веществом. Поэтому античастицы удерживают в специальных ловушках: это сложные системы из магнитных и электрических полей, где частицы висят в вакууме, не касаясь стенок.
Сборка антиатомов
Если все прошло идеально, можно попробовать соединить антипротон с позитроном — и получить нейтральный антиатом, например, антиводород. Это редко удается, но такие эксперименты действительно проводят: например, в проекте ALPHA в ЦЕРН.
Антиматерия падает вниз: что подтвердил эксперимент ALPHA
Создание даже одного антиатома требует колоссальных усилий и ресурсов. Вся антиматерия, когда-либо произведенная человечеством, весит меньше микрограмма.
Хотя антивещество аннигилирует при любом контакте с материей, ученым все же удается удерживать его — в малых количествах и в специальных условиях. Обычно античастицы существуют доли секунды: они рождаются при столкновениях частиц в ускорителях, а затем почти сразу исчезают. Однако в ряде экспериментов удалось продержать их дольше. В ЦЕРН, например, рекорд составил около 16 минут — настолько долго антиводород (нейтральный антиатом) удавалось удерживать в магнитной ловушке без аннигиляции.
Абсолютный рекорд принадлежит эксперименту BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment), где антипротоны — заряженные античастицы, с которыми технически работать проще, чем с антиатомами, — были захвачены и удерживались более года. Это один из самых долгоживущих объектов из антивещества в истории. Ловушка охлаждалась до 6 K (–267 °C) и находилась в почти идеальном вакууме — менее трех частиц обычного вещества на кубический сантиметр. Иначе аннигиляция была бы неминуема.
Но сказать, что антиматерия не встречается в природе вообще, было бы тоже некорректно. К естественным источникам антиматерии относятся вспышки сверхновых, удары молний и бананы. В типичном банане содержится около 360 мг калия, из которых 0,04 мг — это радиоактивный изотоп калий-40. И примерно каждые 75 минут один из таких радиоактивных атомов распадается с испусканием позитрона. Но получить товарное количество позитронов из бананов не получится: учитывая, что антиматерия стоит $25 млрд за грамм, то если взять все бананы на планете, они будут производить антиматерии всего на 11 центов в год. При этом каждый из этих позитронов аннигилирует со своим близнецом-электроном через десятую долю наносекунды.
Для чего нужна антиматерия
Несмотря на сложность производства и хранения, антиматерия находит применение в ряде научных и технологических областей, хотя пока в очень ограниченных масштабах. Вот где ее уже используют или теоретически планируют использовать:
Антиматерия в медицине
Самое распространенное применение антиматерии — в ПЭТ-сканерах (позитронно-эмиссионная томография). В таких установках пациенту вводят радиоактивный препарат, испускающий позитроны. При аннигиляции с электронами тела образуются гамма-кванты, которые фиксируются детекторами и позволяют получить детализированное изображение внутренних органов — особенно это важно при диагностике опухолей и метастазов.
Бояться аннигиляции при этом не стоит: количество позитронов в ПЭТ ничтожно — они аннигилируют поодиночке, выделяя микроскопические порции энергии. Вся процедура абсолютно безопасна и ни в коем случае не приводит к взрыву пациента.
Антиматерия в фундаментальной физике
Практически все применение антиматерии в теоретической и экспериментальной физике сегодня связано с изучением ее самой. Античастицы используют для точных измерений и проверки симметрий физического мира. Например, эксперименты в ЦЕРН сравнивают свойства водорода и антиводорода, чтобы выяснить, действительно ли антиматерия зеркально отражает материю. Эти исследования могут пролить свет на загадку асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
Антиматерия в энергетике
В теории аннигиляция материи и антиматерии может давать колоссальную энергию: при полном превращении массы в излучение эффективность достигает 100%, по сравнению с 0,7% в термоядерной реакции. Значит, потенциально антиматерию можно использовать, например, как топливо для космических аппаратов будущего. Проблема в том, что производство даже микрограммов антивещества обходится в миллиарды долларов, и пока это убыточный процесс.
Антиматерия в оружии
Иногда обсуждается гипотетическая возможность создания антиматерии как детонатора для термоядерной бомбы: крошечное количество антивещества могло бы заменить обычный ядерный заряд. Пока это остается на уровне спекуляций, но интерес со стороны военных ведомств в прошлом фиксировался.
Сколько стоит антиматерия
Точных расценок, конечно, нет — антиматерией не торгуют на бирже. Но ученые и инженеры пытались оценить, сколько бы стоило ее производство с использованием современных технологий. Один из самых часто цитируемых ориентиров — порядка $25 млрд за грамм позитронов. Цифра гипотетическая, но основана на реальных затратах: это суммарная стоимость работы ускорителей, детекторов, ловушек и систем охлаждения, необходимых для создания и удержания антивещества.
На практике человечество никогда не производило даже миллиграмма антиматерии. Всего за десятилетия экспериментов удалось синтезировать и ненадолго удержать меньше микрограмма, и то не одной порцией, а в виде отдельных античастиц, собранных по крупицам. Производительность антиматерии ничтожная: даже если ЦЕРН работал бы исключительно на производство позитронов, на один грамм ушли бы миллионы лет.
Оценки стоимости варьируются: для антиводорода она может быть еще выше, поскольку нейтральные антиатомы собрать и удержать куда труднее, чем заряженные античастицы. Все это делает антиматерию самым дорогим веществом, когда-либо созданным человеком — и самым неуловимым.
Частые вопросы
В чем разница антиматерии и темной материи?
Антиматерия — это зеркальное отражение обычной материи, с теми же массами, но противоположными электрическими зарядами. Она хорошо описана в рамках Стандартной модели — теории, которая объясняет, как устроен микромир и как взаимодействуют элементарные частицы (все, кроме гравитации). В рамках этой модели у каждой частицы есть античастица, и поведение антиматерии точно предсказывается уравнениями. Ее активно исследуют в экспериментах [1].
Темная материя — гипотетическая форма вещества, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением и потому не видна напрямую. Мы знаем о ее существовании только по гравитационным эффектам. Что именно она собой представляет, до сих пор неизвестно [2].
Физики обнаружили неожиданно много частиц антигелия: при чем тут темная материя
Что происходит при встрече материи и антиматерии?
Происходит аннигиляция — полное взаимное уничтожение частиц и античастиц с выделением энергии в виде гамма-излучения. Например, электрон и позитрон при столкновении исчезают, производя два фотона высокой энергии. Это один из самых эффективных способов превращения массы в энергию [3].
Почему во Вселенной так мало антиматерии?
Согласно теории Большого взрыва, материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Но по наблюдаемой картине ясно, что антиматерии почти нет. Почему — до конца не понятно.
Существуют две основные гипотезы: по одной из них, антивещество могло просто уйти в другие области Вселенной, возможно, в виде целых антизвезд или антигалактик. По другой — в ранней Вселенной возник микроскопический дисбаланс: на миллиард антипротонов приходился миллиард плюс один протон. Этого было достаточно, чтобы вся антиматерия аннигилировала, а оставшееся вещество сформировало наблюдаемую Вселенную. Пока физики не могут сказать, какой сценарий верен [4].
Можно ли увидеть антиматерию невооруженным глазом?
Сама по себе антиматерия ничем не отличается по виду от обычной материи — атомы антиводорода будут испускать тот же свет, что и атомы водорода. Но поскольку антиматерию невозможно изолировать в обычных условиях, она мгновенно аннигилирует при контакте с веществом. Поэтому увидеть ее напрямую нельзя. Все наблюдения ведутся косвенно, через следы в детекторах или излучение при аннигиляции [5].
Главное об антиматерии
Антиматерия — это форма вещества, состоящая из античастиц с той же массой, но противоположным зарядом по сравнению с обычными частицами.
Главное свойство антиматерии — при контакте с материей происходит аннигиляция: частицы полностью исчезают, превращаясь в энергию.
Антиматерию предсказал Поль Дирак в 1928 году, а через четыре года позитрон был обнаружен в камере Вильсона.
Создать антиматерию можно только в ускорителях — при высокоэнергетических столкновениях, где рождаются пары частица-античастица.
Для работы с антиматерией ее нужно замедлить, отделить и удерживать в ловушках — иначе она сразу аннигилирует.
Наиболее устойчивые результаты достигнуты в экспериментах ЦЕРН: антиводород удерживали 16 минут, а антипротоны — более года.
В природе антиматерия тоже возникает, например, при ударах молний или распаде калия-40 в бананах, но ее количество ничтожно.
Основное практическое применение — ПЭТ-сканеры, где позитроны помогают диагностировать опухоли.
В теоретической физике антиматерию используют для проверки симметрий и исследования причин асимметрии Вселенной.
Стоимость антиматерии — около $25 млрд за грамм, но таких количеств человечество не производило.
Ранее мы рассказывали о том, что такое астрономическая единица — чему она равна и в каких вычислениях используется.
Читайте также:
Чем знаменита комета Галлея, когда была в последний раз и опасно ли ее возвращение
Эклиптика: что это простыми словами, какие созвездия пересекает и как влияет на планеты
Что такое Альдебаран, в каком созвездии он находится и как его найти на небе
Изображение на обложке Goddard Space Flight Center
