Антивещество, антиматерия и создание антиводорода. Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим? Что такое вещество и антивещество

Почти всё, что мы детектируем на Земле и с помощью искусственных спутников, представляет собой вещество. Антивещество получается на Земле с помощью ускорителей высоких энергий. Так, например, были получены антипротоны, ядра антидейтрона, антигелия, антиатомы.
Астрономическими методами непосредственное наблюдение антиматерии невозможно, т.к. фотоны, рождающиеся при взаимодействии частиц антиматерии между собой, неотличимы от фотонов, рождающихся при взаимодействии частиц материи. Причина в том, что фотон является истинно нейтральной частицей и. В принципе материю от антиматерии можно отличить по наблюдению нейтрино ν и антинейтрино , однако в настоящее время такие наблюдения малореальны.
Если бы в ближайшем окружении Земли были области, в которых доминировала антиматерия, это должно было бы проявляться в виде аннигиляционных γ-квантов, которые образуются при аннигиляции материи и антиматерии. Важным аргументом в пользу преобладания материи над антиматерией являются космические лучи. Они являются частицами материи - протоны, электроны, атомные ядра, сделанные из протонов и нейтронов.
Образование частиц антивещества наблюдается в результате взаимодействия высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой Земли. Античастицы образуются в областях с повышенной концентрацией энергии. Так, например, образование античастиц происходит в ядрах активных галактик. Как правило, в таких случаях частицы антиматерии появляются вместе с частицами материи. На следующей стадии происходит образование и аннигиляция частиц вещества и антивещества. Так, например, фотон с энергией больше 1 МэВ может в поле атомного ядра образовать электрон-позитронную пару. Образовавшийся позитрон при встрече с электроном аннигилирует, образуя чаще 2 и реже 3 γ-кванта.
Проблема существования антивещества во Вселенной является фундаментальной проблемой физики, которая связана с проблемой образования и развития Вселенной.
Существуют различные гипотезы относительно того, почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи. Существуют ли области Вселенной, в которых преобладает антиматерия? Можно ли использовать антиматерию? Причина очевидной асимметрии вещества и антивещества в видимой Вселенной одна из самых больших нерешенных загадок в современной физике. Процесс, посредством которого возникает эта асимметрия между частицами и античастицами называется бариогенезисом.
До 50-х годов ХХ века преобладало мнение, что во Вселенной одинаковое количество материи и антиматерии. Однако в середине 60-х годов работы в области теории Большого Взрыва поколебали эту точку зрения. Действительно, если в первые моменты существования горячей и плотной Вселенной количество частиц и античастиц было одинаковым, то их аннигиляция привела бы к тому, что во Вселенной осталось бы только излучение. В настоящее время большинство физиков согласно с тем, что в результате нарушения СР‑симметрии во Вселеннойв первые мгновения эволюции частиц образовалось несколько больше, чем античастиц – примерно одна частица на 10 9 пар частица-античастица. В итоге после аннигиляции осталось небольшое количество частиц.
Другая возможность объяснить доминирование вещества в «ближней» Вселенной это предположить, что антивещество сосредоточено в дальних плохо исследованных областях Вселенной. В 1979 году Флойд Стекер (Floyd Stecker)предположил, что асимметрия вещества и антивеществамогла возникнуть спонтанно в первые моменты после Большого взрыва, когда вещество и антивещество разлетелись в разные стороны.
Так как электромагнитное излучение одинаковым образом взаимодействует как с материей, так и с антиматерией, планеты, звезды и галактики из материи и антиматерии в электромагнитном излучении выглядят одинаково. Поэтому нужны другие методы поиска антивещества во Вселенной. Одним из таких методов является наблюдение антиядер в космическом пространстве. Это должны быть антиядра с массовым числом A > 4. Если бы удалось зарегистрировать вблизи Земли ядра антигелия, мы получили бы достаточно сильное свидетельство в пользу существования во Вселенной областей повышенного содержания антивещества.
Почему для поиска антиматерии следует искать ядра антигелия или более тяжелые ядра? Дело в том, что антипротоны могут образовываться при взаимодействии ультрарелятивистских протонов или других ядер космических лучей. В энергетическом спектр таких антипротонов (обычно их называют вторичными) должен наблюдаться широкий максимум в области 2 ГэВ. Другими источниками антипротонов, которые называют первичными, могут быть аннигиляция гипотетических суперсимметричных частиц, из которых, как предполагается состоит темная материя, – нейтралино и/или испарение «первичных» черных дыр. Парная аннигиляция нейтралино может приводить к рождению кварк-антикварковых струй, с последующей их адронизацией и образованием антипротонов. Первичные черные дыры могли образовываться в ранней Вселенной. Такие черные дыры с массой 10 14-15 могут довольно интенсивно испарять частицы (излучение Хокинга). Вклад таких первичных антипротонов в регистрируемый энергетический спектр можно пытаться обнаружить в низкоэнергетичной области < 1 ГэВ.
Поток вторичных антипротонов можно оценить в зависимости от принятой модели Галактики. Он достигает максимума при энергии ~10 ГэВ. В области энергией до нескольких сотен ГэВ по характеру спектра есть надежда получить информацию как о бариогенезе так и/или об аннигиляции суперсимметричных частиц и/или WIMPов.
Образование антидейтронов под действием космических лучей существенно менее вероятно. Спектр вторичных антидейтронов должен быть сдвинут в область бóльших энергий по сравнению со спектром вторичных антипротонов и быстро спадать при уменьшении энергии. Для первичных антидейтронов, образующихся при аннигиляции частиц темной материи и/или испарении первичных черных дыр, максимум спектра ожидается при энергии < 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Вероятность образования ядер антигелия под действием космических лучей исчезающе мало. Действительно, для этого должны в одном месте и практически одновременно образоваться два антипротона и два антинейтрона, причем их относительные скорости дожны быть малы. В 1997 г. Паскаль Шардонэ (Pascal Chardonnet) оценил вероятность такого события. Согласно его оценкам, одно ядро антигелия может образоваться на 10 15 ультрарелятивистских протонов космических лучей. Среднее время ожидания такого события составляет 15 миллиардов лет, что сопоставимо с возрастом Вселенной.
Если во Вселенной на ранней стадии эволюции действительно образовались области пространства, в которых преобладает материя или антиматерия, то они должны разделяться, т.к. на границе этих областей образуется световое давление, которое разделяет вещество и антивещество. На границе между областями с материей и антиматерией должна происходить аннигиляция, соответственно излучаться анигиляционные гамма-кванты. Однако современные гамма-телескопы такое излучение не фиксируют. Исходя из чувствительности телескопов, были проведены оценки. Согласно им, области антивещества не могут ближе 65 миллионов световых лет. Таким образом, таких областей нет не только в нашей галактике, но и в нашем скоплении галактик, включающей в себя кроме Млечного пути еще 50 других галактик.
Регистрация ядер антигелия образовавшихся на таких расстояниях представляет собой сложную проблему. Не так просто ядру антигелия долететь с такого далекого расстояния до детектора и быть зарегистрированным. В частности, оно может «запутаться» в галактических и межгалактических магнитных полях и таким образом никогда не отлететь далеко от места своего образования. Кроме того, антигелию постоянно будет грозить опасность аннигиляции. И, наконец, детектор не слишком большая мишень, чтобы в него можно было легко попасть с такого гигантского расстояния. Поэтому эффективность регистрации ядер антигелия крайне низка.
В условиях «путешествия» антигелия очень много неясного, что не позволяет оценить вероятности регистрации ядер . Всегда сохраняется возможность того, что будь детектор чуть более чувствительный, и открытие бы произошло.
Ясно только, что время «путешествия» антиядра небольшой энергии может быть меньше, чем время существования Вселенной. Поэтому охотиться надо за высокоэнергетичными антиядрами. Кроме того, у таких ядер больше шансов преодолеть галактический космический ветер.
Что касается позитронов и антипротонов, то их тоже могут излучать гипотетические области антиматерии и давать вклад в измеряемые вблизи Земли спектры. По сравнению с антипротонами позитроны сложнее регистрировать. Это связано с тем, что потоки протонов, которые являются источником фона, в 10 3 больше, чем потоки позитронов. Сигналы от позитронов, прилетевших от областей антиматерии, могут «потонуть» в сигналах от позитронов, возникших в результате других процессов. Между тем, происхождение позитронов в космических лучах также до конца не известно. Есть ли в космических лучах первичные позитроны? Есть ли связь между избытком антипротонов и позитронов? Для прояснения ситуации необходимо измерение спектров позитронов в широком энергетическом диапазоне.
Первый запуск прибора для исследования космических лучей в верхние слои атмосферы с помощьювоздушного шара осуществилв 1907 году Виктор Гесс . Вплоть до начала 50-х годов ХХ века изучение космических лучей было источником наиболее важных открытий в физике частиц. Начиная с 1979 г. в таких экспериментах наблюдались антипротоны (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Они открыли новые возможности в исследовании антиматерии и темной материи.В современных исследованиях космических лучей используются методики, разработанной для экспериментов на ускорителях.
До последнего времени почти вся информация об античастицах в космических лучах была получена с помощью детекторов, запускаемых в высокие слои атмосферы на воздушных шарах. При этом возникло подозрение, что антипротонов больше, чем следовало из оценок вероятности их возникновения в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой (вторичных антипротонов). Предлагаемые для объяснения «избыточных» антипротонов механизмы давали различные предсказания для энергетических спектров антипротонов. Однако непродолжительное время полёта воздушного шара и наличие остатков земной атмосферы ограничивали возможности такого рода экспериментов. Данные имели большую неопределённость, кроме того, не простирались по энергии далее 20 ГэВ.
Для регистрации античастиц используются большие воздушные шары (до 3 млн. кубических метров), способные поднять на высоту ~40 км тяжелые детекторы массой до 3 т. Как правило, как Монгольфье они открыты внизу, и теряют гелий, при падении наружной температуры. В большинстве случаев продолжительность полета не превышает 24 часа. Кроме того, температуры атмосферы, после быстрого уменьшения с нуля до 20–25 км, начинает расти, достигая максимума на высоте ~40 км, после чего начинает снова уменьшаться. Так как при понижении температуры наружного воздуха объем воздушного шара уменьшается, максимальная высота подъема не может быть выше, чем ~40 км. На этой высоте атмосфера еще довольно плотная, и поток антипротонов с энергиями в несколько десятков ГэВ, образующихся при взаимодействии первичных космических лучей с остаточной атмосферой, превышает поток антипротонов, образующихся в галактической среде. Для более высоких энергий зарегистрированных частиц ошибки становятся слишком большими, чтобы получить надежные результаты.
В последнее время начали осуществляться более длительные полеты (до 20 дней). В них также используются открытые шары, но потери гелия были существенно снижены, за счет того, что запуски шаров-зондов осуществлялись в очень высоких широтах, вблизи полюсов, во время полярного дня. Однако, масса их полезной нагрузки, при полетах на высоту 40км не превышает 1 т. Это слишком мало для измерения потоков антивещества при высоких энергиях. Для реализации сверхдлительных полетов на воздушных шарах (около100 дней) предполагается использовать и закрытые шары. Они толще и тяжелее, не теряют гелия и могут выдержать разность давлений внутри и снаружи. Они могут поднимать относительно легкие инструменты, менее 1 т.

Рис. 20.1. Запуск шара-зонда с физической аппаратурой.

Рис. 20.2. Детектор космического излучения BESS-Polar II. Спектрометр (1) с солнечными батареями (2).

Поиск антигелия с помощью спектрометров на воздушных шарах осуществлялся в рамках эксперимента BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). С 1993 г. по 2000 г. спектрометры BESS неоднократно запускались в верхние слои атмосферы в северной Канаде. Длительность полетов была около одних суток. Спектрометр постоянно совершенствовался и повышалась чувствительность. Суммарная чувствительность для отношения гелий/антигелий, достигнутая в этой серии полетов ~6.8×10 −7 в диапазоне жесткости 1-14 ГВ. В эксперименте BESS-TeV (2001 г.) диапазон жесткости спектрометра был увеличен до 500 ГВ и достигнута чувствительность 1.4×10 −4 . Для увеличения статистики в 2004-2008 гг. многодневные полеты усовершенствованных спектрометров (0.6-20 ГВ) осуществлялись в Антарктике. В 2004-2005 гг – в полете BESS-Polar I, длившемся 8.5 дней, была достигнута чувствительность 8×10 −6 . В 2007-2008 гг. в полете BESS-Polar II (длительность измерений 24.5 дня) была достигнута чувствительность 9.8×10 −8 . Суммарная чувствительность с учетом всех полетов BESS достигла величины 6.7×10 −8 . Ни одного ядра антигелия обнаружено не было.
Магнитный спектрометр, который использовался в полете BESS-Polar II состоит сверхпроводящего соленоидального магнита со сверхтонкими стенками, центрального трекера (JET/IDC), время-пролетного годоскопа (TOF) и черенковского детектора (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Спектрометр эксперимента BESS-Polar II в разрезе.

Время-пролетный годоскоп позволяет измерять скорость (β) и энергетические потери (dE/dx). Он состоит из верхнего и нижнего пластиковых сцинтилляционных счетчиков, составленных из 10 и 12 сцинтилляционных полосок (100×950×10 мм). Временное разрешение системы времени пролета ~70 пс. Кроме того, есть еще третий сцинтилляционный счетчик (Middle-TOF), который находится внутри соленоида и состоит из 64 стержней пластикового сцинтиллятора. Он позволяет понизить энергетический порог регистрации, за счет частиц, которые не способны пролететь нижнюю часть соленоида.
Дрейфовые камеры находятся в однородном поле магнита. По 28 точкам, в каждой с точностью 200 мкм, рассчитывается кривизна траектории влетающей в спектрометр частицы, что позволяет определить eё магнитную жесткость R = pc/Ze и знак заряда.
Аэрогелиевый черенковский счетчик позволяет сепарировать сигналы от антипротонов и антидейтронов от фона e - /μ - .

Рис. 20.4. Идентификация частиц в установке BESS.

Идентификация частиц проводится по массе (рис. 20.4), которая связана с измеренными с помощью время-пролетных счетчиков и дрейфовых камер жесткостью R, скоростью частицы β и потерями энергии dE/dx соотношением

Для этого выделяются соответствующие области на двумерных распределениях dE/dx – |R| и β -1 – R.

Антипротонный радиационный пояс Земли

Коллаборацией PAMELA был обнаружен радиационный пояс вокруг Земли в области Южной Атлантической аномалии. Были измерены спектры антипротонов и протонов непосредственно в радиационном поясе и вне радиационного пояса (рис. 20.5, 20.6).
Показано, что антипротоны, которые регистрировались детекторными установками, установленными на баллонах и спутниках имеют вторичное происхождение. Они образуются в результате взаимодействия галактических космических лучей с межзвездным веществом или атмосферой в реакции pp → ppp. Однако существенно больший вклад вносит распад альбедных антинейтронов (антинейтронов, поток которых направлен от Земли), возникающих в реакции
pp → ppn. Эти антинейтроны проходят сквозь геомагнитное поле и распадаются, образуя антипротоны → + e + + ν e . Часть из образовавшихся антипротонов может быть захвачена магнитосферой,образуя радиационный пояс антипротонов. Так же как основным источником радиационного пояса протонов является распад нейтронов альбедо, так и распад антинейтронов приводит к образованию пояса антипротонов.
Из экспериментальных данных следует, что плотность антипротонов в радиационном поясе на 3–4 порядка больше, чем плотность антипротонов вне радиационного пояса. Форма спектра антипротонов, образованных непосредственно в результате взаимодействия галактических космических лучей практически совпадает с формой спектра антипротонов вне радиационного пояса антипротонов.
Проблема обнаружения антиматерии во Вселенной далека от решения. Активный поиск антиматерии предусмотрен в программах космических телескопов Ферми и др.

Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество - состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами.

Силы, которые определяют структуру материи, и для частиц и для античастиц одинаковы. Проще говоря, частицы различаются только знаком заряда. Характерно, что «антивещество» - не совсем верное название. Оно по сути своей лишь разновидность вещества, обладающее теми же свойствами и способное на создание притяжения.

Аннигиляция

Фактически это процесс столкновения позитрона и электрона. В результате происходит взаимоуничтожение (аннигиляция) обеих частиц с выделением огромной энергии. Аннигиляция 1 грамма антивещества эквивалентна взрыву тротилового заряда в 10 килотонн!

Синтез

В 1995 году было заявлено, что синтезированы первые девять атомов антиводорода. Они прожили 40 наносекунд и погибли, высвободив энергию. А уже в 2002 году число полученных атомов исчислялось сотнями. Но все полученные античастицы могли прожить только наносекунды. Дело изменилось с запуском адронного коллайдера: удалось синтезировать 38 атомов антиводорода и удержать их целую секунду. За этот период времени стало возможным провести некоторые исследования строения антиматерии. Удерживать частицы научились после создания специальной магнитной ловушки. В ней, для достижения нужного эффекта, создаётся очень низкая температура. Правда, такая ловушка – дело очень громоздкое, сложное и дорогое.

В трилогии С. Снегова «Люди как боги» процесс аннигиляции используется для межгалактических полётов. Герои романа, используя её, превращают в пыль звёзды и планеты. Но в наше время получить антивещество гораздо сложнее и дороже, чем прокормить человечество.

Сколько стоит антивещество

Один миллиграмм позитронов должен стоить 25 млрд. долларов. А за один грамм антиводорода придётся выложить 62,5 триллиона долларов.

Ещё не проявился такой щедрый человек, что смог бы купить хоть одну сотую грамма. Несколько сот миллионов швейцарских франков пришлось заплатить за одну миллиардную долю грамма, чтобы получить материал для экспериментальных работы по столкновению частиц и античастиц. Пока нет такой субстанции в природе, которая была бы дороже антивещества.

А вот с вопросом веса антиматерии всё достаточно просто. Поскольку она отличается от материи обычной только зарядом, то все остальные характеристики у неё те же. Получается, что один грамм антивещества будет весить именно один грамм.

Мир из антивещества

Если принять за истину, что был, то в результате этого процесса должно было возникнуть равное количества и вещества, и антивещества. Так почему же мы не наблюдаем рядом с собой объектов, состоящих из антиматерии? Ответ достаточно прост: два типа вещества не могут сосуществовать вместе. Они обязательно взаимоуничтожатся. Вполне вероятно, что галактики и даже вселенные из антивещества существуют , и мы даже видим некоторые из них. Но от них исходят такие же излучения, идёт такой же свет, как и от обычных галактик. Поэтому пока невозможно точно утверждать, существует антимир или это красивая сказка.

Опасно ли?

Многие полезные открытия человечество превращало в средства уничтожения. Антивещество в этом смысле не может быть исключением. Более мощного оружия, чем основанного на принципе аннигиляции, представить пока нельзя. Возможно, не так и плохо, что пока не получается добыть и сохранить антивещество? Не станет ли оно роковым звоночком, который услышит человечества в свой последний день?

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.

Антиматерия – это материя, состоящая из античастиц, то есть частиц с точно такими же, но обратными по значению и свойствами тех частиц, противоположностями которых они являются. Каждая частица обладает своей зеркальной копией – античастицей. Античастицы протона, нейтрона и называются антипротоном, антинейтроном и позитроном, соответственно. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более меньших частиц, называемых кварками. Антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков.

Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения.

Большинство астрономов, все же сходятся во мнении, что антивещества все-таки не так уж и много или вообще нет в природе, иначе, как они рассуждают, во Вселенной было бы много мест где обычная материя и антиматерия сталкиваются друг с другом, что сопровождалось бы мощным потоком гамма-лучей, вызванных их аннигиляцией. Аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц материи и антиматерии, сопровождающееся выделением энергии. Однако такие регионы не были найдены.

Одна из возможных гипотез возникновения антиматерии связана с теорией большого взрыва. Эта теория утверждает, что вся наша возникла в результате и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме.

Из-за отсутствия возможности изучить свойства антиматерии в , ученые прибегают к искусственным способам образования антивещества. Для его получения используют специальные научные прибору – ускорители частиц, в которых атомы материи разгоняются до около световой скорости (300 000 км/сек). Сталкиваясь, некоторые частицы разрушаются, в результате чего образуются античастицы, из которых можно получить антиматерию. Сложной проблемой является хранение антивещества, так как, соприкоснувшись с обычной материей, антивещество уничтожается. Для этого полученные крупицы антиматерии помещают в вакуум и в , которое удерживает их в подвешенном состоянии и не дает прикоснуться к стенкам хранилища.

Не смотря на всю сложность получения и исследования антивещества, оно может предоставлять для нашей жизни множество преимуществ. Все они основаны на то факте, что при взаимодействии антиматерии с материей выделяется огромное количество энергии. Причем отношение высвобождаемой энергии к массе участвующего вещества не превзойдена ни одним видом или взрывчатого вещества. В результате аннигиляции нет никаких побочных продуктов, только чистая энергия. Поэтому ученые уже сейчас мечтают об ее применении. Например, об на антиматерии с нескончаемым ресурсом. Космические корабли с анигиляторными двигателями смогут пролетать тысячи световых лет на около световой скорости. Военным это даст возможность создать огромную по мощности , гораздо более разрушительную, чем атомная или водородная . Однако всем этим мечтам не суждено осуществится, пока мы не сможем получать недорогое антивещество в промышленных масштабах.

Между материей и антиматерией больше сходств, чем отличий - и то и другое:

организовано одинаково: состоит из молекул;

молекулы в обоих случаях состоят из атомов;

атомы в обоих случаях состоят из ядра в центре и облака лептонов вокруг;

и материя и антиматерия одинаково участвуют в гравитационном взаимодействии. Т.е. «кусок» и того и другого определённой массы будет одинаково падать на, например, Землю;

если взять вещество и соответствующее ему антивещество (например, водород и антиводород), то масса их атомов будет одинаковой и положительной (т.е. антиматерия не имеет ничего общего с материей с отрицательной массой или с материей с мнимой массой);

раз масса одинакова, то и энергия одинаковая и положительная (т.е. антиматерия не имеет ничего общего с отрицательной энергией);

• и то и другое одинаково реально, не является чем-то невиданным, как уже упомянутое вещество с мнимой массой, а реально существует и может быть получено (рождено) в ускорителях частиц.
  То есть и то и другое - это реально существующая материя, объективная реальность.

Есть между ними и отличия: если атом вещества «собран» из положительного ядра и электронов, то атом антивещества - из антипротона и позитронов. Электроны и позитроны - это лёгкие (условно безмассовые) частицы (лептоны), которые отличаются друг от друга электрическим зарядом. Например, изотоп натрия-22 в процессе своего радиоактивного распада излучает позитроны (происходит β+-распад). Ядро антивещества несёт отрицательный электрический заряд, потому что в свою очередь кварки в нём «замещены» на антикварки. Антикварки нельзя также легко наблюдать как позитроны, но антипротоны в ускорителях частиц получить и «поймать» можно. На ускорителях удавалось получать в том числе и атомы антиводорода.

Но если материя и антиматерия одинаково реальны, то почему же мы видим вокруг себя одну только материю, а существование антиматерии вообще было долгое время считалось спорным и только теоретически предсказывалось?

Проблема в том, что материя и антиматерия при контакте друг с другом анигилируют. В самом деле, если электрон повстречает на своём пути позитрон, то они радостно кинутся друг другу в объятия и… Нет они не исчезнут бесследно, они анигилируют с выделением энергии. Т.е. это даже очень хорошо, что поблизости вокруг нас нет антиматерии.

Существует гипотеза, что материя и антиматерия возникли при большом взрыве, потом произошла анигиляция, но в результате нарушения симметрии часть материи осталась. Из неё и состоит, всё что мы успели исследовать к настоящему моменту.

Остаётся открытым вопрос, возможно ли существование где-то антивселенной. Т.е. вселенной, где симметрия была нарушена в другую сторону. Теоретически нет физических законов, которые бы запрещали её существование.

Антиматерия могла бы быть полезна, как это говорилось, в народном хозяйстве:) Есть идеи построить двигатели, использующие антивещество как топливо. Это позволило бы человечеству добраться до далёких звёзд. Но это пока только проекты, так как производство пока нереально. На 2004г производство 1г антивещества теоретически стоило бы 100 квадриллионов долларов, при том что теми мощностями пришлось бы для этого трудиться 100 миллиардов лет.