Антиматерия как выглядит. FAQ: История открытия антиматерии. Физики – теоретики античастиц
Антивещество – противоположность обычной материи.
Если более конкретно, то субатомные частицы антивещества имеют свойства противоположные нормальной материи с противоположным электрическим зарядом внутренних частиц. Ученые утверждают, что антивещество было создано вместе с материей после Большого взрыва, но антивещество редко встречается в современной Вселенной и ученые не уверены почему.
Для того, чтобы лучше понять антиматерию, нужно знать больше о материи.
Вещество состоит из молекул в состав которых входят атомы, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Молекулы имеют определенное число элементов: водород имеет один электрон, гелий имеет два электрона и так далее.
Простейшие атомы антиводорода
В последние 25 лет ученые смогли создать простейшие атомы антиматерии и держать их стабильными в виде антиводорода. Проведены измерения и определена внутренняя структура антиводорода.
Водород является первым элементом в периодической таблице и состоит из одного электрона, движущегося вокруг одного протона. Его зеркало антиводород имеет один антиэлектрон или позитрон и один антипротон.
Если позитрон и электрон сталкиваются, они будут уничтожать друг друга и выплескивать энергию. То же самое для взаимодействия протон – антипротон. Так как наша Вселенная полна электронов, протонов и различных комбинаций, это исключительно трудно держать античастицы вокруг очень долго.
Атомная Вселенная является сложной, так как полна экзотических частиц со свойствами спина (вращение вокруг своей оси) и особенностей, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них.
Античастицы
Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как “возбуждаются” электроны (то есть, сколько энергии у них есть).
В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом.
Эти частицы антиматерии (которые называются «античастицы») были получены и изучены на огромных ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер управляемый Европейской организацией ядерных исследований.
В циркулярном ускорителе на встречных пучках как большой адронный коллайдер частицы получают удар энергии каждый раз, когда они завершают вращение.
Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки.
Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях.
Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя.
Как образовалась материя Вселенной
Частицы антиматерии создаются при высокоскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого взрыва существовала только энергия. Поскольку Вселенная охлаждается и расширяется, частицы как вещества, так и антивещества были произведены в равных количествах. Почему одна материя стала доминировать над другой это ученым еще предстоит открыть.
Одна из теорий предполагает, что после взаимного уничтожения осталось достаточно много нормальной материи с которой сформировались звезды, галактики и мы.
Физики – теоретики античастиц
Антивещество впервые было предсказано в 1928 году английским физиком Поль Дираком, которого английские ученые назвали “величайшим теоретиком Британии, как сэр Исаак Ньютон».
Дирак собрал специальное уравнение относительности Эйнштейна (в котором говорится, что свет имеет определенную скорость во Вселенной) и квантовую механику (которая описывает то, что происходит в атоме). Он вывел уравнение для электронов с отрицательным и с положительным зарядом. Дирак в конце концов сказал, что каждая частица во Вселенной будет иметь зеркальное отображение. Американский физик Карл Д. Андерсон обнаружил позитроны в 1932 г.
Дирак получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, а Андерсон получил премию в 1936 году.
Антивещество на космическом корабле
Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами вещества, они уничтожают друг друга и производят энергию.
Это дало повод инженерам предположить, что антивещество может быть колоссальной и эффективной энергией для космического корабля, чтобы исследовать Вселенную.
Однако, по состоянию на сейчас антиматерия стоит около $ 100 млрд, чтобы создать миллиграмм антивещества. Это тот минимум, который будет необходим для применения. Для того, чтобы эта энергия была коммерчески жизнеспособной, эта цена должна была бы упасть примерно в 10000 раз. Сейчас электроэнергии необходимо гораздо больше, чтобы создать антиматерию, чем получить обратно от реакции антивещества.
Но это не останавливает ученых от работ по совершенствованию технологии, чтобы сделать возможным применение антиматерии в космических аппаратах. Ученые утверждают, что вполне возможно, что антивещество можно было бы использовать через 50-70 лет в будущем.
Сейчас прорабатываются варианты как космический аппарат может работать на этом топливе.
Конструкция предусматривает гранулы дейтерия и трития (тяжелые изотопы водорода с одним или двумя нейтронами в ядрах, в отличие от общего водорода, который не имеет нейтронов). Антипротонный луч будет воздействовать на гранулы. После того, как антипротоны достигнут урана, они будут уничтожены с созданием продуктов деления, которые были бы искрой реакции термоядерного синтеза. Использование этой энергии может заставить космический аппарат двигаться.
Ракетные двигатели на антиматерии гипотетически возможны, но основное ограничение это сбор достаточного количества антивещества, чтобы это произошло. Самые дорогие вещества в мире сейчас – это антиматерия.
В настоящее время нет технологии для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимой для всех приложений.
В физике и химии антиматерия - это вещество, которое состоит из античастиц, то есть из антипротона (протон с отрицательным электрическим зарядом) и из антиэлектрона (электрон с положительным электрическим зарядом). Антипротон и антиэлектрон образуют атом антиматерии подобно тому, как электрон и протон образуют атом водорода.
Общее понятие о материи и антиматерии
Каждый знает ответ на вопрос о том, что такое материя, то есть это субстанция, которая состоит из молекул и атомов. Сами атомы, в свою очередь, состоят из электронов и ядер, образованных протонами и нейтронами. Понимание вопроса, что такое материя, дает возможность понять, что такое антиматерия. Под ней понимается субстанция, составляющие частицы которой имеют противоположный электрический заряд. В случае пары нейтрон-антинейтрон их заряды равны нулю, но магнитные моменты направлены противоположно.
Основное свойство антиматерии - это ее способность к аннигиляции при встрече с обычной материей. В результате контакта этих субстанций масса исчезает и полностью переводится в энергию. Согласно космической теории, во Вселенной существует равное количество материи и антиматерии, этот факт следует из теоретических рассуждений. Однако эти субстанции разделены между собой огромными расстояниями, поскольку любая их встреча приводит к грандиозным космическим феноменам уничтожения материи.
История открытия антиматерии
Антиматерия была открыта в 1932 году североамериканским физиком Карлом Андерсеном, который изучал космические лучи и смог обнаружить позитрон (античастица электрона). Благодаря этому открытию он получил Нобелевскую премию в 1936 году. Впоследствии были экспериментально открыты антипротоны. Это произошло в 2006 году благодаря запуску спутника "Памела", миссией которого было изучение частиц, испускаемых Солнцем.
Впоследствии человечество научилось самостоятельно создавать антиматерию. В результате многих экспериментов было показано, что столкновение материи и антиматерии уничтожает обе субстанции и порождает гамма-лучи. Эти экспериментальные выводы были предсказаны еще Альбертом Эйнштейном.
Использование антиматерии
Где может быть использована антиматерия? В первую очередь антиматерия - это отличное топливо. Всего одна капля антивещества способна дать энергию, которой будет достаточно для энергообеспечения крупного города в течение суток. Кроме того, этот источник энергии является экологически чистым.
В области медицины основное использование антиматерии - это томография позитронного излучения. Гамма-лучи, которые возникают в результате аннигиляции вещества и антивещества, используются для обнаружения раковых опухолей в организме. Также используют антивещество в терапии против раковых заболеваний. В настоящее время ведутся исследования по использованию антипротонов для полного уничтожения раковых тканей.
Сколько стоит грамм антиматерии и где ее хранить?
Производство антиматерии с помощью ускорителей элементарных частиц требует огромных энергетических затрат. Кроме того, антиматерию тяжело хранить, поскольку она при любом контакте с обычным веществом самоуничтожается. Поэтому хранят ее в сильных электромагнитных полях, которые также требуют больших энергетических затрат на их создание и поддержание.
В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что антиматерия является самой дорогой субстанцией на земле. Ее грамм оценивается в 62,5 миллиарда долларов США. По другим оценкам, предоставленным ЦЕРН, чтобы создать одну миллиардную грамма антивещества, необходимо затратить несколько сотен миллионов швейцарских франков.
Космос - источник антиматерии
На данном этапе развития технологий искусственное создание антиматерии - это низкоэффективный и затратный способ. Ввиду этого ученые из НАСА планируют собирать магнитными полями антиматерию в поясе Ван Аллена Земли. Этот пояс находится на высоте нескольких сотен километров над поверхностью нашей планеты и имеет толщину в несколько тысяч километров. Эта область космоса содержит большое количество антипротонов, которые образуются в результате реакций элементарных частиц, вызванных столкновениями космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли. В количество обычной материи невелико, поэтому антипротоны могут существовать в нем достаточно долгое время.
Другой источник антивещества - это аналогичные радиационные пояса вокруг планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана. Особое внимание ученые уделяют Сатурну, который, по их мнению, должен производить большое количество антипротонов, возникающих в результате взаимодействия заряженных космических частиц с ледяными кольцами планеты.
Также ведутся работы в направлении более экономного хранения антивещества. Так, профессор Масаки Гори (Masaki Hori) заявил о разработанном методе удержания антипротонов с помощью радиочастот, что, по его словам, позволит значительно сократить размеры контейнера для антиматерии.
Как долететь до Марса за месяц? Для этого нужно придать космическому кораблю хороший импульс. Увы, лучшее имеющееся в распоряжении человека топливо - ядерное дает удельный импульс в 3000 секунд, и полет растягивается на долгие месяцы. А нет ли под рукой чего-то более энергичного? Теоретически есть: термоядерный синтез; он обеспечивает импульс в сотни тысяч секунд, а использование антивещества позволит получить импульс в миллионы секунд.Строение ативещества
Ядра антивещества построены из антинуклонов а внешняя оболочка состоит из позитронов. Вследствие инвариантности сильного взаимодействия относительно зарядового сопряжения (C-инвариантности) антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру и химические свойства, с одним единственным НО, столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит к аннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц.Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов более 70 МэВ.
Антиэлектроны (позитроны) были предсказаны П. Дираком и вслед за этим экспериментально обнаружены в “ливнях” П. Андерсоном, даже не знавшем тогда о предсказании Дирака. Это открытие было отмечено Нобелевской премий по физике 1936 г. Антипротон был открыт в 1955 г. на “Беватроне” в Беркли, что также было удостоено Нобелевской премии. В 1960 там же обнаружили антинейтрон. С введением в действие Серпуховского ускорителя и нашим физикам кое в чем удалось выйти вперед - в 1969 году там были открыты ядра антигелия. Но атомы антивещества получит не удавалось. Да если быть откровенным, то и античастиц за все время существования ускорителей получили ничтожные количества - всех антипротонов, синтезированных в ЦЕРНе за год, хватит на работу одной электрической лампочки в течение нескольких секунд.
Синтез антивещества
Первое сообщение о синтезе девяти атомов антивещества - антиводорода в рамках проекта «ATRAP» (ЦЕРН) появилось в 1995 году. Просуществовав примерно 40 нс, эти единичные атомы погибли, выделив положенное количество излучения (что и было зарегистрировано). Цели были ясны и оправдывали усилия, задачи определены, и в 1997 году, вблизи Женевы, благодаря международной финансовой помощи, ЦЕРН начал строительство десселератора (не будем его переводить неблагозвучным эквивалентом “тормозитель”), который позволил замедлить («охладить») антипротоны еще в десять миллионов раз по сравнению с установкой 1995 года. Это устройство, названное «Антипротонный замедлитель» (AD) вступило в строй в феврале 2002 года.Установка - после выхода антипротонов из замедляющего кольца - состоит из четырех основных частей: ловушки для захвата антипротонов, накопителя позитронов, ловушки-смесителя и детектора антиводорода. Поток антипротонов вначале тормозится с помощью микроволнового излучения, затем охлаждается в результате теплообмена с потоком низкоэнергетических электронов, после чего попадает в ловушку - смеситель, где находится при температуре 15 К. Позитронный накопитель последовательно замедляет, захватывает и накапливает позитроны от радиоактивного источника; около половины из которых попадает в ловушку-смеситель, где они дополнительно охлаждаются синхротронным излучением. Все это необходимо для значительного повышения вероятности образования атомов антиводорода.
На «Антипротонном замедлителе» и началась жесткая конкуренция двух групп ученых, участников экспериментов «ATHENA» (39 ученых из разных стран мира) и «ATRAP».
В номере Nature (Nature 2002, vol.419, p.439, ibid p.456) вышедшем 3 октября 2002 года., участники эксперимента «ATHENA» заявили, что им удалось получить 50 000 атомов антивещества - антиводорода. Наличие атомов антивещества фиксировали в момент их аннигиляции, свидетельством которой считали пересечение в одной точке следов двух жестких квантов, образовавшихся при электрон-позитронной аннигиляции, и следов пионов, получившихся при аннигиляции антипротона и протона. Был получен первый “портрет” антивещества (фото в начале) - синтезированное из таких точек компьютерное изображение. Поскольку аннигилировали только те атомы, которые “выскользнули” из ловушки (а таких, достоверно пересчитанных, оказалось всего 130), заявленные 50 000 атомов антиводорода лишь создают невидимый фон “портрета”.
Проблема в том, что аннигиляция антиводорода регистрировалась на общем, более сильном фоне аннигиляций позитронов и антипротонов. Это, естественно, вызвало здоровый скепсис коллег из смежного конкурирующего проекта «ATRAP». Они, в свою очередь синтезировав антиводород на той же установке, смогли с помощью сложных магнитных ловушек зарегистрировать атомы антиводорода без какого-либо фонового сигнала. Образовавшиеся в эксперименте атомы антиводорода становились электрически нейтральными и в отличие от позитронов и антипротонов могли свободно покидать ту область, где удерживались заряженные частицы. Вот там, без фона, их и регистрировали.
По оценкам, в ловушке образовалось примерно 170 000 атомов антиводорода, о чём исследователи и рассказали в статье опубликованной в «Physical Review Letters».
И это уже успех. Теперь полученного количества антиводорода вполне может хватить для изучения его свойств. Для атомов антиводорода, например, предполагается измерение частоты электронного перехода 1s-2s (из основного состояния в первое возбужденное) методами лазерной спектроскопии высокого разрешения. (Частота этого перехода в водороде известна с точностью до 1.8·10-14 - не зря же водородный мазер считается стандартом частоты.) Согласно теории, они должны быть таким же, как и у обычного водорода. Если же, например спектр поглощения, окажется другим, то придется вносить коррективы в фундаментальные основы современной физики.
Двигатель на антивеществе
Но интерес к антивеществу - антиматерии отнюдь не чисто теоретический. Двигатель на антивеществе может работать, например следующим образом. Сначала создают два облака из нескольких триллионов антипротонов, которые от соприкосновения с материей удерживает электромагнитная ловушка. Потом между ними вводят частичку топлива весом в 42 нанограмма. Она представляет собой капсулу из урана-238, в которую заключена смесь дейтерия и гелия-3 или дейтерия и трития.Антипротоны моментально аннигилируют с ядрами урана и вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты, вместе с образовавшимися гамма-квантами, так сильно разогревают внутренность капсулы, что там начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающие огромной энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и улетают через сопло двигателя, обеспечивая космическому кораблю неслыханную тягу.
Что же касается полета к Марсу за один месяц, то для него американские физики рекомендуют использовать другую технологию - ядерное деление, катализируемое антипротонами. Тогда на весь полет потребуется 140 нанограммов антипротонов, не считая радиоактивного топлива.
Новые измерения, проведенные в стэндфордском исследовательском центре (Калифорния), где установлен линейный ускоритель элементарных частиц, позволили ученым продвинуться в ответе на вопрос, почему во вселенной вещество преобладает над антивеществом.
Результаты эксперимента подтверждают сделанные ранее предположения о развитии дисбаланса этих противоположных сущностей. Однако ученые говорят, что проведенные исследования поставили больше вопросов, чем ответов: опыты с ускорителем не могут дать полного объяснения, почему в космосе так много вещества - миллиарды галактик, наполненных звездами и планетами.
Ученые, работающие с ускорителем, измеряли параметр, известный как синус двух бета (0,74 плюс или минус 0,07). Этот показатель отражает степень асимметрии между веществом и антивеществом.
Антивещество и большой взрыв
В результате Большого взрыва должно было образоваться одинаковое количество вещества и антивещества , которые затем аннигилировали и не оставили ничего кроме энергии. Однако обозреваемая нами вселенная является неоспоримым доказательством победы вещества над антивеществом.Чтобы понять, как это могло произойти, физики рассмотрели эффект, называемый нарушением равенства зарядов. Для наблюдения такого эффекта ученые изучали B-мезоны и анти-B-мезоны, частицы с очень коротким периодом жизни - триллионные доли секунды.
Различия в поведении этих абсолютно противоположных частиц показывают различия между веществом и антивеществом и отчасти объясняют, почему одно преобладает над другим. Миллионы B-мезонов и анти-B-мезонов, необходимых для эксперимента, образовались в результате столкновения в ускорителе лучей электронов и позитронов. Первые результаты, полученные еще в 2001 году, четко показывают нарушение равенства зарядов у B-мезонов.
"Это было важным открытием, но необходимо собрать еще множество данных, чтобы утвердить синус двух бета в качестве фундаментальной константы квантовой физики, - считает Стюарт Смит (Stewart Smith) из Принстонского университета. - Новые результаты были объявлены после трех лет интенсивных исследований и анализа 88 миллионов событий".
Новые измерения согласуются с так называемой "стандартной моделью", которая описывает элементарные частицы и их взаимодействие. Подтвержденная степень нарушения равенства зарядов сама по себе не достаточна для объяснения дисбаланса вещества и антивещества во вселенной.
"Судя по всему, кроме неравенства зарядов произошло что-то еще, что вызвало преобладание вещества, превратившегося в звезды, планеты и живые организмы, - прокомментировал Хассан Джоэри (Hassan Jawahery), сотрудник университета в Мериленде - В будущем мы, возможно, сможем понять эти скрытые процессы и ответить на вопрос, что привело вселенную к ее нынешнему состоянию и это будет самое захватывающее открытие".
) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия , однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция , при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц. Подсчитано, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8·10 17 джоулей энергии, что эквивалентно энергии выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила . Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба » (масса ~ 20 т), соответствовало 57 мегатоннам . Следует отметить, что порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино , которые практически не взаимодействуют с веществом.
Ведётся довольно много рассуждений на тему того, почему наблюдаемая часть Вселенной состоит почти исключительно из вещества и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом; но на сегодняшний день наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной - одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной). Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва .
Получение
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон ; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода , состоящий из позитрона и антипротона . В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.
Стоимость
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле - по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США . По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов . По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков .
См. также
Примечания
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Антивещество" в других словарях:
Антивещество … Орфографический словарь-справочник
антивещество - антивещество/, а/ … Слитно. Раздельно. Через дефис.
А; ср. Физ. Материя, построенная из античастиц. ◁ Антивещественный, ая, ое. * * * антивещество материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов.… … Энциклопедический словарь
АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, построенное из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а роль электронов играют позитроны. Предполагают, что в первые моменты образования Вселенной антивещество и вещество… … Современная энциклопедия
Материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов. Скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. На ускорителях заряженных частиц получены… … Большой Энциклопедический словарь
АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из античастиц, тождественных с обычными частицами по всем параметрам, кроме ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА, СПИНА И МАГНИТНОГО МОМЕНТА, которые у них имеют обратный знак. Когда античастица, например, позитрон… … Научно-технический энциклопедический словарь
Ср. Материя, образованная из античастиц (в физике). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Материя, построенная из античастиц. Ядра атомов в ва состоят из протонов и нейтронов, а эл ны образуют оболочки атомов. В А. ядра состоят из антипротонов и антинейтронов, а место эл нов в их оболочках занимают позитроны. Согласно совр. теории, яд … Физическая энциклопедия
Сущ., кол во синонимов: 1 антиматерия (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
АНТИВЕЩЕСТВО - материя, состоящая из (см.). Вопрос о распространённости А. во Вселенной пока остаётся открытым … Большая политехническая энциклопедия
Книги
- Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса , Дэйв Голдберг. Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики фундаментальными симметриями. Ведь в нашей прекрасной…
- Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон , Голдберг Дэйв. Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики - фундаментальными симметриями. Ведь в нашей…
Догадка о существовании античастиц, антивещества, а возможно, даже антимиров появилась задолго до появления экспериментальных данных, указывающих на возможность их существования в природе.
1. Первые предположения существования антиматерии
Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, почти сразу же после открытия Джозефом Томсоном электрона. Шустер очень хотел, чтобы в природе торжествовала симметрия. Электрон, как известно, - это отрицательно заряженная частица (тут, правда, следует оговориться, что решение, какой заряд называть положительным, а какой отрицательным, было результатом соглашения; ученые могли договориться и об обратном обозначении знаков зарядов, и ничего от этого не поменялось бы), и Шустер предположил существование симметричного аналога электрона, заряженного положительно и названного им антиэлектроном. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиатомов и антиматерии, откуда можно электрическим полем вытягивать придуманные им антиэлектроны в антиэксперименте анти-Томсона. В течение нескольких лет Шустер пытался убедить в правомерности своей догадки окружающих ученых («Почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, как наше», - писал он в своей статье в журнале Nature ), однако никто его аргументам не внял. Утвердившийся за много веков научный прагматизм подсказывал, что верить следует только эксперименту, а все, что экспериментом не подтверждается, - ненаучная фантазия. А эксперимент тогда неумолимо утверждал, что отрицательно заряженные электроны из вещества можно вытащить, а положительно заряженные не наблюдаются.
Идея Шустера была забыта, и антиматерию переоткрыл Поль Дирак лишь спустя 30 лет. Сделал он это тоже гипотетически, но был гораздо убедительней Шустера, показав, что существование антиматерии решает множество накопившихся нерешенных к этому моменту проблем. Прежде чем перейти к идеям Дирака, нам придется вспомнить, к каким новым выводам пришла физика за эти 30 лет.
2. Создание атома Нильсом Бором
В начале XX века возникла потребность переосмыслить законы физики. Сначала натолкнулись на невозможность описать спектр абсолютно черного тела, используя лишь законы Ньютона и Максвелла, а чуть позже выяснили, что классические законы не позволяют описать атом. Согласно химикам, атом неделим, и они со своей точки зрения абсолютно правы, поскольку во всех химических реакциях атомы просто «переезжают» из одной молекулы в другую, но, наверное, можно простить кощунство физиков, пожелавших этот атом сначала разложить на составляющие, а потом собрать согласно строгим законам физики. К 1913 году разложить атом получилось неплохо: ни у кого тогда уже не возникало сомнения, что, например, простейший атом водорода состоит из положительно заряженного протона, экспериментально открытого Резерфордом чуть позже, и электрона. Казалось бы, все необходимое для сборки атома есть: помимо протона и электрона, есть электрическая сила притяжения между ними, которая должна держать их вместе. Собрать атом получилось, а сохранять его долго в стабильном состоянии - нет: электрон неумолимо падал на протон и не желал оставаться на заданной орбите. Починить эту систему удалось Нильсу Бору, отказавшемуся ради этого от классических законов механики для описания систем на расстояниях порядка размера атома. Вернее, Бору пришлось отказаться от представления об электроне как о маленьком твердом заряженном шарике и представить его как рыхлое облако, а для его описания потребовалось создать новый математический аппарат, разработанный многими выдающимися физиками начала XX столетия и получивший название «квантовая механика».
К середине 1920-х годов квантовая механика, пришедшая на смену механике классической, когда требовалось описывать что-то очень маленькое, уже прочно утвердилась. Уравнение Шредингера, в самой основе которого лежат квантовые идеи, успешно описывало очень многие эксперименты, например эксперимент со спектром водородной лампы (разогретый водород светит не просто белым светом, а небольшим количеством спектральных линий), помещенной в магнитное поле, в котором каждая линия немножко расщепляется еще на несколько линий.
3. Проблема отрицательных энергий
К моменту, когда в квантовую механику безоговорочно поверили, сформировалась и другая теория - (релятивистская механика), которая работает с очень большими скоростями. Когда скорости тел сравнимы со скоростью света, законы механики Ньютона также необходимо подправить. Ученые попытались скрестить два предельных случая: большие скорости (теория относительности) и очень маленькие расстояния (квантовая механика). Оказалось, что ничего сложного нет в том, чтобы написать уравнение, удовлетворяющее и квантовой механике, и теории относительности. Обобщение уравнения Шредингера на случай релятивистских систем было предложено независимо Клейном, Гордоном и Фоком (последний - наш соотечественник). Вот только решения этого уравнения нас не очень устраивали. Один из парадоксов с решениями - парадокс Клейна: для очень быстрых частиц, ударяющихся о высокий барьер, от которого, по идее, они должны отражаться, вероятность перескочить барьер, согласно этому уравнению, только увеличивается с его высотой - вывод, противоречащий здравому смыслу.
Еще одна несуразность релятивистского уравнения состояла в том, что среди решений уравнения возникали частицы с отрицательными энергиями. Что в этом страшного? Представьте, что с помощью квантовой механики мы обустроили наш мир. В нем, казалось, есть пол, на котором можно устойчиво стоять, и мы наводим уют: развешиваем по стенкам картинки, ставим книжки на полки. Все наши украшения точно подчиняются квантовой механике, они все обладают положительной энергией, а если мы что-то плохо повесили - упадут на пол. Вот только, пытаясь улучшить квантовую механику, сделать ее более правильной, мы обнаружили, что никакого пола в нашем мире нет. Вместо пола - зияющая пропасть (отрицательные энергии), куда все должно провалиться. Надо отдать должное выдержке физиков того времени: они не испугались, что мир развалится на глазах, а попытались эту проблему решить.
Разрешить проблему удалось Полю Дираку, который взялся описать частицу, более сложную, чем ту, что описывает уравнение Клейна - Гордона - Фока, - электрон. Электрон нельзя описать одной функцией, надо брать сразу две, причем эту пару нельзя разделить, и приходится писать систему уравнений. Казалось бы, задача только усложнилась (и с первого взгляда это усложнение не решает главной проблемы), но Дирак попытался довести решение до конца. Для электронов работает принцип Паули, который утверждает, что два электрона нельзя поместить в одно состояние: никакими усилиями второй электрон не втиснуть в уже занятое. Дирак, берясь за эту задачу, по-видимому, надеялся воспользоваться именно этим свойством: если ниже уровня пола все состояния уже заполнены электронами, то и проваливаться будет некуда. Казалось бы, задача безнадежная: надо залить электронами бездну бесконечной глубины. А Дирак лишь пожимал плечами: «А зачем нам об этом беспокоиться? Будем считать, что об этом уже позаботилась природа (а она всесильна), все уже залито, и пол наш есть». Таким образом, проблема отрицательных энергий разрешилась!
4. Антиматерия
Однако, записывая свое уравнение, Дирак натолкнулся на новую проблему: оказывается, для релятивистского описания электрона двух функций недостаточно, придется писать четыре! Что же собой представляют эти две лишние функции для электрона? Немного подумав, Дирак сообразил, что на нашем залитом полу могут образовываться пузырьки - дырки (природа, конечно, всесильна, но может позволить себе быть не совсем безупречной и допустить некоторые дефекты). Удивительным образом такой пузырек ведет себя точно так же, как электрон, по аналогии с пузырьком похожий на капельку, висящую над полом: у них одинаковая масса, оба они заряжены. Висящая капелька имеет положительную энергию и заряжена отрицательно, собственно, это и есть наш электрон. А пузырек (в подпольном мире) тоже обладает положительной энергией, но знак заряда у него обратный - это антиэлектрон (или позитрон). Для его описания и понадобились две лишние функции.
Дирак был окрылен своим открытием. Он был убежден, что античастицы реальны, хотя их никогда до этого и не наблюдали в эксперименте. Открыли античастицы несколькими годами позже, а к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории (заметим, что античастицы разрешили и парадокс Клейна), коллеги относились скептически. Дирак же в свою теорию, видимо, верил безоговорочно. Пытаясь найти ответ на критику ненаблюдаемости позитронов, он довольно быстро сообразил, что позитроны жить вместе с нами не могут. Если бы они возникли где-то рядом с нами, то немедленно аннигилировали бы с окружающими электронами. Поэтому он вполне разумно предположил, что если уж наша Солнечная система устроена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей. Сейчас мы верим, что, скорее всего, антигалактик не существует: причина в том, что антиматерия немного отличается от материи.
Придуманные Дираком позитроны были вскоре открыты Карлом Андерсоном в . Они рождались из энергичных космических фотонов в паре с электронами, но перед последующей аннигиляцией успевали пролететь некоторое расстояние и оставить следы. Интересно, что позитрон мог быть открыт на 5 лет раньше выдающимся российским физиком Дмитрием Скобельциным, который позитрон увидел, только сам не смог поверить в свое открытие. Античастицы должны быть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона античастица является им же самим), и сегодня все они открыты. Только видим мы их в специальных экспериментах. Поэтому часто антиматерию воспринимают как совершенно абстрактное, возможно, красивое, но непонятно зачем придуманное понятие. Действительно, все, что обсуждалось ранее, - только факт существования античастиц, а в окружающей нас природе их ведь почти нет, и что толку, даже если их научились получать в лабораториях? Но не торопитесь с выводами! Мы уже научились не только получать античастицы, но и использовать их для наших нужд.
5. Применение антиматерии
На нашей повседневной жизни антиматерия вроде бы не сказывается. Тем не менее сегодня мы применяем для некоторых вполне практичных задач по крайней мере самую распространенную и относительно легко получаемую античастицу - позитрон. Одно из применений позитроны нашли в медицине для . Существуют радиоактивные ядра, испускающие позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей, причем это делается бесконтактно: вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны. Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией.
Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. А можно просто изучать образцы каких-либо материалов, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.