Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим?

Антивещество

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом – протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

История открытия

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год – антинейтрон.

Частицы и античастицы

Стандартная модель в физике

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

  • Масса – физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
  • Спин – собственный момент импульса элементарной частицы.
  • Электрический заряд – характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
  • Цветовой заряд – абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции – их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.

Общие сведения об антивеществе

Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества.

Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем.

Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».

Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач.

Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.

Получение антивещества

Водород и антиводород

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица.

Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома.

В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.

Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода – 0,28 аттограмм (10-18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.

Стоимость антивещества

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество.

Согласно подсчетам NASA –создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов.

Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.

Применение

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе – варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии.

Корабль из фильма Стартрек

В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц.

Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля.

Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.

Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность – около 35 килотонн.

А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42 960 килотонн.

Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством — АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58 000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению.

Источник: http://SpaceGid.com/antiveshhestvo.html

Десять главных прорывов в физике и химии

Завершился очень неоднозначный 2016 год, и самое время подвести его научные итоги в области физики и химии.

Ежегодно в рецензируемых журналах по всему миру публикуется несколько миллионов статей по этим отраслям знания. И лишь несколько сотен из них оказываются действительно выдающимися работами.

Научные редакторы Лайфа отобрали 10 самых интересных и важных открытий и событий минувшего года, о которых необходимо знать каждому.

Самым приятным событием для российских любителей науки стало появление в таблице Менделеева четырёх новых элементов — нихония, московия, теннессина и оганесона. К открытию трёх последних причастны физики-ядерщики из Дубны — Лаборатория ядерных реакций ОИЯИ под руководством Юрия Оганесяна.

Пока об элементах известно очень мало, а их время жизни измеряется секундами или даже миллисекундами. Помимо российских физиков в открытии участвовала Ливерморская национальная лаборатория (Калифорния) и Национальная лаборатория Оак-Ридж в Теннесси. Приоритет в открытии нихония был признан за японскими физиками из института RIKEN.

Официальное включение элементов состоялось совсем недавно — 30 ноября 2016 года.

Читайте по теме: А не трансурановый ли ты часом? Что химикам известно о московии и оганесоне

2. Хокинг решил парадокс потери информации в чёрной дыре

В июне в журнале Physical Review Letters вышла публикация одного из, вероятно, самых популярных физиков современности — Стивена Хокинга. Учёный заявил о том, что наконец решил 40-летнюю загадку парадокса потери информации в чёрной дыре.

Кратко его можно описать так: из-за того что чёрные дыры испаряются (испуская излучение Хокинга), мы даже теоретически не можем отследить судьбу каждой отдельной частицы, упавшей в неё. Это нарушает фундаментальные принципы квантовой физики.

Хокинг вместе с соавторами предположили, что информация обо всех частицах хранится на горизонте событий чёрной дыры, и даже описал, в каком именно виде. Работа теоретика получила романтичное название «мягкие волосы у чёрных дыр».

3. Излучение чёрных дыр увидели на модельной «глухой» дыре

В этом же году Хокинг получил ещё один повод для торжества: экспериментатор-одиночка из Израильского технологического института, Джефф Штейнхауэр обнаружил следы неуловимого излучения Хокинга в аналоговой чёрной дыре.

Проблемы с наблюдением этого излучения в обычных чёрных дырах связаны с его низкой интенсивностью и температурой.

Для дыры массой с Солнце следы излучения Хокинга будут полностью теряться на фоне реликтового излучения, заполняющего Вселенную.

Штейнхауэр построил модель чёрной дыры с помощью бозе-конденсата холодных атомов. Он содержал в себе две области, одна из которых двигалась с небольшой скоростью — символизируя падение материи на чёрную дыру, — а другая со сверхзвуковой скоростью.

Граница между областями играла роль горизонта событий чёрной дыры — никакие колебания атомов (фононы) не могли пересекать её в направлении от быстрых атомов к медленным. Оказалось, что из-за квантовых флуктуаций на границе всё равно рождались волны колебаний, которые распространялись в сторону дозвукового конденсата.

Эти волны являются полным аналогом излучения, предсказанного Хокингом.

4. Надежда и разочарование физики элементарных частиц

2016 год выдался очень удачным для физиков Большого адронного коллайдера: учёные перевыполнили план по количеству протон-протонных столкновений и получили огромный массив данных, на полную обработку которого уйдёт ещё несколько лет. Самые большие ожидания теоретиков были связаны с наметившимся ещё в 2015 году пиком двухфотонных распадов при 750 гигаэлектронвольтах.

Он указывал на неизвестную сверхмассивную частицу, которую не предсказывала ни одна теория. Теоретики успели подготовить около 500 статей, посвящённых новой физике и новым законам нашего мира. Но в августе экспериментаторы рассказали, что никакого открытия не будет: пик, привлёкший внимание нескольких тысяч физиков со всего мира, оказался простой статистической флуктуацией.

Кстати, в этом году об открытии новой необычной частицы заявили эксперты из другого эксперимента в мире элементарных частиц — коллаборации D0 Тэватрона. До открытия БАКа этот ускоритель был крупнейшим в мире. Физики обнаружили в архивных данных протон-антипротонных столкновений рождение необычной частицы, носящей в себе сразу четыре разных квантовых аромата.

Эта частица состоит из четырёх кварков — мельчайших кирпичиков материи. В отличие от других открытых тетракварков в ней были одновременно «верхний», «нижний», «странный» и «прелестный» кварки. Правда, подтвердить находку на БАКе не удалось.

Ряд физиков высказался по этому поводу довольно скептично, указав, что специалисты Тэватрона могли принять за частицу случайную флуктуацию.

Читайте по теме: Физики потеряли загадочный двухфотонный пик в БАКе

5. Фундаментальная симметрия и антиматерия

Важным результатом для ЦЕРН стало первое измерение оптического спектра антиводорода.

Почти двадцать лет физики шли к тому, чтобы научиться получать антиматерию в больших количествах и работать с ней.

Главная сложность здесь в том, что антиматерия способна очень быстро аннигилировать при контакте с обычным веществом, поэтому крайне важно не только создать античастицы, но и научиться их хранить.

Антиводород — это простейший антиатом, который способны получать физики. Он состоит из позитрона (антиэлектрона) и антипротона — электрические заряды этих частиц противоположны зарядам электрона и протона.

У общепринятых физических теорий есть важное свойство: их законы симметричны при одновременном зеркальном отражении, обращении времени и замене зарядов частиц (CPT-инвариантность). Следствие этого свойства — почти полное совпадение свойств у материи и антиматерии. Однако некоторые теории «новой физики» нарушают это свойство.

Эксперимент по измерению спектра антиводорода позволил с большой точностью сравнить его характеристики с обычным водородом. Пока, на уровне точности в миллиардные доли, спектры совпадают.

Читайте также:  Практичный отечественный карабин вепрь-223

6. Самый маленький транзистор

Есть среди важных результатов этого года и практически применимые, хотя бы и в отдалённом будущем. Физики из Национальной лаборатории в Беркли создали самый маленький в мире транзистор — размер его затвора составляет всего один нанометр.

Обычные кремниевые транзисторы при таких размерах не способны работать, квантовые эффекты (туннелирование) превращают их в обычные проводники, не способные перекрывать электрический ток.

Ключом к победе над квантовыми эффектами оказался компонент автомобильной смазки — дисульфид молибдена. 

7. Новое состояние вещества — спиновая жидкость

Другой потенциально применимый результат — открытие в 2016 году нового примера квантовой жидкости, хлорида рутения. Это вещество обладает необычными магнитными свойствами.

Некоторые атомы ведут себя в кристаллах как маленькие магнитики, пытающиеся выстроиться в какую-нибудь упорядоченную структуру. Например, оказаться полностью сонаправленными.

При температурах вблизи абсолютного нуля почти все магнитные вещества становятся упорядоченными, кроме одного — спиновых жидкостей.

У такого необычного поведения есть одно полезное свойство. Физики построили модель поведения спиновых жидкостей и выяснили, что в них могут существовать специальные состояния «расщеплённых» электронов.

На самом деле электрон, конечно, не расщепляется — он по-прежнему остаётся единой частицей.

Такие состояния-квазичастицы могут стать основой для квантовых компьютеров, абсолютно защищённых от внешних воздействий, разрушающих их квантовое состояние.

8. Рекордная плотность записи информации

Физики из Университета Делфта (Голландия) отчитались в этом году о создании элементов памяти, в которых информация записывается в отдельных атомах. На квадратном сантиметре такого элемента можно записать около 10 терабайт информации. Единственный минус — небольшая скорость работы.

Для перезаписи информации используется манипулирование одиночными атомами — для записи нового бита специальный микроскоп поднимает и поодиночке переносит частицу на новое место. Пока объём памяти тестового образца составляет всего один килобайт, а полная перезапись требует несколько минут.

Зато технология вплотную приблизилась к теоретическому пределу плотности записи информации.

9. Пополнение в семействе графенов

Химики из Мадридского автономного университета в 2016 году создали новый двумерный материал, расширяющий количество собратьев графена. На тот раз в основу плоского одноатомного листа легла сурьма — элемент, широко применяющийся в полупроводниковой промышленности.

В отличие от остальных двумерных материалов графен из сурьмы — антимонен — чрезвычайно стабилен. Он даже способен выдержать погружение в воду. Теперь двумерные формы есть у углерода, кремния, германия, олова, бора, фосфора и сурьмы.

Учитывая, какими необычными свойствами обладает графен, остаётся только ждать более подробных исследований его собратьев.

10. Главная научная премия года

Особняком выделим в списке Нобелевские премии по химии и физике, которые были вручены 10 декабря 2016 года. Соответствующие им открытия были сделаны ещё во второй половине XX века, но сама премия — важное ежегодное событие научного мира.

Премию по химии (золотую медаль и 58 миллионов рублей) получили Жан-Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга «за проектирование и синтез молекулярных машин».

Это невидимые человеческому глазу и даже самому мощному оптическому микроскопу механизмы, способные выполнять простейшие действия: вращаться или двигаться на манер поршня.

Несколько миллиардов таких роторов вполне способны заставить вращаться стеклянную бусину в воде. В будущем такие конструкции вполне можно использовать в молекулярной хирургии. Подробнее об открытии читайте здесь:

Восстание невидимых машин: за что дали Нобелевскую премию по химии в 2016 году?

«Физическую» премию получили британские учёные Дэвид Таулес, Дункан Халдан и Джон Майкл Костерлиц за, как указал нобелевский комитет, «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».

Эти переходы помогли объяснить очень странные, с точки зрения экспериментаторов, наблюдения: например, если взять тонкий слой вещества и измерять его электрическое сопротивление в магнитном поле, то окажется, что в ответ на равномерное изменение поля проводимость меняется ступенчато.

О том, как это связано с бубликами и кексами, можно прочитать в нашем материале:

Сдвиг по фазе: за что дали Нобелевскую премию по физике в 2016 году?

***

Ну а о том, чего ждать от 2017 года, остаётся только гадать. По меньшей мере стоит надеяться на новые шаги в создании квантовых компьютеров: в 2016 году было сделано много маленьких шагов на пути к их реализации. Очень хочется надеяться, что в ближайшие годы мы нащупаем намёки на Новую физику — пока Стандартная модель и теория относительности и не думают сдавать позиции.

Источник: https://life.ru/953593

Антивещество, темная материя и новая физика

Недавно физики получили уже вторую престижную премию за открытие массы нейтрино (первой была Нобелевка). Как это открытие поможет объяснить, почему во Вселенной есть материя и почти нет антиматерии, «Чердаку» рассказал завотделом физики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Юрий Куденко.

Нейтрино делятся на три типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино; эти типы способны «превращаться» друг в друга — осциллировать. Артур Макдональд и Такааки Кадзита в 2015 году удостоились

Нобелевской премии по физике

как раз «за доказательство нейтринных осцилляций и того факта, что у нейтрино есть масса», поскольку существование осцилляций возможно, только если эти частицы не безмассовые, как долго считалось.

В начале ноября комитет Breakthrough Prize также присудил

премию

по физике за нейтринные осцилляции, только уже гораздо большему числу исследователей. Ее получили более 1300 человек, задействованных в пяти экспериментах по всему миру, в том числе сотрудники ИЯИ РАН.

— Чем так интересны нейтринные осцилляции, что за них дают самые престижные научные премии?

— Есть загадочная вещь — барионная асимметрия Вселенной. Мы живем в мире, состоящем из материи, и в нем практически нет антиматерии.

Так получилось потому, что в момент Большого взрыва по какой-то причине вещества оказалось чуть больше, чем антивещества. Вещество аннигилировало с антивеществом, а из остатков образовалась Вселенная.

Почему так, мы не понимаем, и Стандартная модель, теория, которая описывает все известные элементарные частицы, ответов не дает.

Еще один момент — темная материя. Большую часть массы Вселенной составляет

темная материя

, но из чего она состоит, мы также не знаем. Известные нам частицы и их свойства не позволяют ее описать.

Изображение, составленное из снимков телескопа «Хаббл», показывает кольцо темной материи в галактическом скоплении Cl 0024+17.

Напрямую увидеть темную материю нельзя, но ее гравитация искажает свет находящихся за ней галактик, и поэтому ее можно обнаружить

Ключевой момент исследований, за которые дали премии, в том, что наличие нейтринных осцилляций противоречит постулатам Стандартной модели.

Таким образом, открытие осцилляций нейтрино фактически есть открытие новой физики, которая выходит за рамки Стандартной модели. Это серьезный прорыв в физике элементарных частиц.

В Стандартную модель не укладывается существование массы нейтрино. Чтобы ее объяснить, ученые придумывают разные механизмы.

Один из самых популярных в настоящее время — «механизм качелей» — пытается объяснить массу нейтрино существованием других, тяжелых, видов нейтрино, которые, возможно, существовали на ранних стадиях развития Вселенной, и именно из-за асимметрии в их распадах образовалась барионная асимметрия.

Еще любопытно, что нейтрино обладают очень маленькой массой. Точно мы ее не знаем, но она не превышает 2 электронвольт. Это ограничение получено у нас в Институте ядерных исследований. Скорее всего, масса еще меньше — менее 0,1 электронвольта. Для сравнения: масса протона — 1 гигаэлектронвольт. Разница составляет более 10 порядков.

— Но за открытие массы нейтрино в этом году уже была присуждена Нобелевка, почему комитет еще одной крупной премии решил снова отметить это открытие?

— Нобелевская премия была вручена руководителям двух крупных коллабораций, которые внесли большой вклад в открытие нейтринных осцилляций. Так, на установке Super-Kamiokande в Японии были открыты осцилляции атмосферных нейтрино, а SNO в Канаде позволила сделать окончательные выводы об осцилляциях солнечных нейтрино. Но в этих экспериментах работают сотни людей.

Кроме того, комитет премии Breakthrough Prize решил отметить еще три эксперимента, которые сыграли важную роль в построении общей картины осцилляций, а именно K2K/T2K и KamLAND в Японии и Daya Bay в Китае.

На этих установках исследователи провели, во-первых, независимые точные измерения осциляционных параметров и подтвердили результаты Super-Kamiokande и SNO, а кроме того, экспериментам T2K и Daya Bay удалось измерить неизвестный ранее третий угол смешивания нейтрино, который важен для понимания всей картины.

Нейтрино могут переходить в другой тип не полностью, из-за чего получается смешанный тип, величина «примеси» определяется параметром, называемым углом смешивания.

Источник: https://chrdk.ru/sci/kak_otkrytie_massy_neitrino_mozhet_obyasnit_sushhestvovanie_vselennoi

10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии.

Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности.

Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, есть много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже знали.

1. Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

Согласно теории, Большой Взрыв породил материю и антиматерию в равных количествах. Когда они встречаются, происходит взаимное уничтожение, аннигиляция, и остается только чистая энергия. Исходя из этого, мы не должны существовать.

Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы.

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

3. Людям удалось создать совсем немного антиматерии

Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Впрочем, люди произвели не так много антиматерии, поэтому бояться нечего.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

4. Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Для изучения антиматерии вам нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые нашли несколько способов это осуществить.

Читайте также:  Ту-104 — описание первого советского пассажирского самолета

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

5. Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются в свойствах вроде электрического заряда и спина. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна одинаково воздействовать на материю и антиматерию, однако это еще предстоит выяснить наверняка. Эксперименты вроде AEGIS, ALPHA и GBAR работают над этим.

Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко.

Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля.

И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

6. Антиматерия изучается в замедлителях частиц

Вы слышали об ускорителях частиц, а о замедлителях частиц слышали? В CERN находится машина под названием Antiproton Decelerator, в кольце которого улавливаются и замедляются антипротоны для изучения их свойств и поведения.

В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

7. Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

Частица материи и ее антиматериальный партнер переносят противоположные заряды, что позволяет легко их различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с материей, не имеют заряда. Ученые считают, что они могут быть майорановскими частицами, гипотетическим классом частиц, которые являются своими собственными античастицами.

https://www.youtube.com/watch?v=FerToLoTdEk

Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими.

Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва.

Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

8. Антиматерия используется в медицине

PET, ПЭТ (позитронно-эмиссионная топография) использует позитроны для получения изображений тела в высоком разрешении.

Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (вроде тех, что мы нашли в бананах) крепятся к химическим веществам вроде глюкозы, которая присутствует в теле. Они вводятся в кровоток, где распадаются естественным путем, испуская позитроны.

Те, в свою очередь, встречаются с электронами тела и аннигилируют. Аннигиляция производит гамма-лучи, которые используются для построения изображения.

Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака.

Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань.

Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.

9. Антиматерия может скрываться в космосе

Один из путей, которым ученые пытаются разрешить проблему асимметрии материи-антиматерии, является поиск антиматерии, оставшейся после Большого Взрыва.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

10. Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе

Совсем немного антиматерии может произвести огромное количество энергии, что делает ее популярным топливом для футуристических кораблей в научной фантастике.

Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

По материалам symmetrymagazine.org

Источник: https://Hi-News.ru/science/10-faktov-ob-antimaterii-kotoryx-vy-mogli-ne-znat.html

Ученые совершили прорыв в изучении антивещества

Предполагается, что все материальные частицы имеют партнеров из антивещества с той же массой, но противоположным зарядом. Когда эти частицы встречаются, они уничтожают друг друга, преобразуясь в чистую энергию.

Ученые полагают, что сразу после Большого Взрыва Вселенная содержала равное количество частиц и античастиц, однако вскоре некоторая часть антиматерии почему-то исчезла, дав приоритет обычному веществу, из которого в будущем и появились галактики, звезды и планеты, существующие и по сей день.

В прежних исследованиях, проведенных в швейцарском институте ЦЕРН, физикам успешно удалось захватить атомы так называемого антиводорода и удерживать их на протяжении нескольких минут за счет магнитных полей.

Антиводород представляет собой обратный аналог водорода — простейшего из существующих атомов.

Если атом водорода состоит из протона и одного электрона, то атом антиводорода состоит из антипротона и позитрона (антиэлектрона).

В новых работах ученым удалось установить, что они могут использовать луч микроволнового света определенной частоты для исследований антиводорода, в частности, для исследований его спина.

В результате микроволнового воздействия физикам даже удалось изменить спин (вращение) позитрона вокруг антипротона, что привело к изменению магнитной ориентации, а также к тому, что созданная ранее магнитная ловушка перестала работать для антиводорода.

По словам ученых, антиатом может свободно преодолевать границы ловушки, созданной из обычной материи.

Исследователи говорят, что о наличии антиатома можно судить по тому, что при достижении границ ловушки, из «стены» ловушки уничтожался один обычный атом, который в паре с антиатомом аннигилировал, превращаясь в чистую энергию.

Созданную «энергетическую подпись» специалисты могут свободно исследовать, определяя по ней те или иные особенности антиатомов.

«Мы впервые в истории провели исследования антивещества и измерили его заряд и энергию.

Конечно, по уровню точности исследований с обычной материей такие исследования не могут соперничать, но так или иначе, измерения в области антиатомов — это совершенно новая стадия развития науки», — говорит Джефри Хангст, физик из Университета Орхус в Дании. По его словам, работали с антиводородом на детекторе ALPHA, работающем на Большом адронном коллайдере.

Ученый говорит, что исследование антивещества, как оказывается, можно проводить при помощи спектроскопии, позволяющей воздействовать на атом светом определенной частоты и длины волны.

«Сейчас мы уже не говорим о природе антивещества как такового, мы уже изучаем ее и достигли в этой сфере определенных успехов», — говорит он.

Вся современная физика полагается на фундаментальную теорию — Стандартную модель, согласно которой во Вселенной должно быть равное количество атомов и антиатомов водорода, как самого первого вещества. Нам предстоит точно измерить спектр водорода и антиводорода, чтобы сравнить два этих элемента между собой.

«Мы смотрим на самые малые различия, проявляющиеся в природе двух элементов. Мы понимаем, что что-то пропустили, поэтому пока не можем понять все, что касается антивещества и не в состоянии понять все, что произошло сразу после Большого Взрыва», — говорит Хангст, пишет CyberSecurity.ru.

Сейчас единственное объяснение тому, что материя превалирует над антиматерией заключается в предположении о различной скорости распада атомов и антиатомов во Вселенной.

[print-me]

Источник: http://hvylya.net/news/exclusive/uchenye-sovershili-proryv-v-izuchenii-antiveschestva.html

Антивещество: человечество на пороге нового мира « Учи физику!

Физика стоит на пороге величайших открытий, которые перевернут не только представления о мире, но и сам мир. Одно из этих открытий – антивещество. Как только человек научится удерживать его, жизнь изменится.

В современном мире все привыкли, что существуют атомы, из них строятся молекулы и так до самого сложного образования – живого организма. Мы живем в мире ВЕЩЕСТВА, в котором положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами.

Антивещество состоит из так называемых античастиц – антиядер, окруженных антиэлектронами – позитронами. Существование античастиц предсказал в своих исследованиях профессор П. А. М. Дирак. Уравнение релятивистского движения электрона (уравнение Дирака), полученное им в 1928 году, содержало решения с отрицательными энергиями.

В дальнейшем исчезновение электрона стали интерпретировать как появление частицы той же массы, но с положительным зарядом и положительной энергией, то есть возникновение античастицы – электрона. Эта частица была открыта в 1932 году и называется она позитрон.

После открытия первой античастицы работы по обнаружению античастиц продолжились и вскоре они показали, что античастицы есть у всех частиц.

В момент возникновения Вселенной количества вещества и антивещества были равными. Куда исчезло антивещество, почему в окружающем нас мире явный дисбаланс этих структур – ученые ответить не могут. Современная физика только стоит на пороге этого величайшего открытия, но предвестники его уже существуют.

При столкновениях частиц вещества, разогнанных до скоростей, при которых энергия превышает энергию возникновения пары «частица-античастица», происходит рождение этих самых античастиц.

Таких скоростей можно добиться только в ускорителях элементарных частиц, хранение частиц проводится в электромагнитных кольцах при большом вакууме. Античастицы и образуют АНТИВЕЩЕСТВО.

В обычных условиях античастицы возникают при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферой нашей планеты.

Антивещество обладает колоссальной энергией, уже в начале его изучения, начиная с 60-х годов 20 века, на него были возложены большие надежды. Люди научились его получать, а вот сохранять его продолжительное время – нет.

Первые результаты опытов по поимке антивещества были представлены в 2010 году, тогда его удалось задержать на 172 миллисекунды.

Опыт 2011 года показал, что все только начинается, и люди добьются долговременного удержания антивещества, ведь по сравнению с 2010 годом время задержки было увеличено до 1000 секунд.

Было заявление, что в адронном коллайдере удалось сохранить антивещество 16 минут, но оно оказалось обычной газетной «уткой» для привлечения читателей.

Опыты подают большую надежду на нахождение новых источников энергии, которые будут менее опасны и будут неиссякаемыми. Также это заставит человека перешагнуть на новый этап развития, который будет наверняка еще более интересен, чем этап атомной энергетики.

Источник: http://uchifiziku.ru/2011/06/30/antiveshhestvo-chelovechestvo-na-poroge-novogo-mira/

Антивещество — самая дорогая вещь в мире

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.

Читайте также:  Самозарядный пистолет сердюкова (спс) — гюрза и вектор

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 гравитационного 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 Большой Взрыв 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?

Ещё по теме:

Источник: http://light-science.ru/fizika/antiveshhestvo.html

Загадка антивещества

Все, с чем мы соприкасаемся в своей жизни, состоит из материи.

Чашка, которую мы держим в руке, состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы, вопреки своему названию («атом» в переводе с греческого означает «неделимый»), — из электронов, протонов и нейтронов.

Два последних ученые называют «барионами». Их можно делить дальше, на кварки, а может быть, и еще дальше, но пока на этом остановимся. Все вместе они образуют вещество.

Треки позитронов в пузырьковой камере. / © fineartamerica.com

Как знают все наши читатели, у вещества есть антипод — антивещество. При соприкосновении они взаимоуничтожаются с выделением очень большой энергии — аннигилируют.

По подсчетам физиков, кусок антивещества размером с кирпич, попав на Землю, может вызвать эффект сродни взрыву водородной бомбы. Во всем остальном антиподы схожи: у антивещества есть масса, на него в полной мере распространяются законы физики, вот только электрический заряд у него противоположен.

У антипротона он отрицателен, а у позитрона (антиэлектрона) — положителен. А еще антивещество практически не встречается в окружающей нас действительности.

Или все-таки оно где-то есть? Ничего невозможного в таком допущении нет, живем же мы на свете, хоть нам и нельзя пожать руку своим антиподам. Вполне возможно, что и они тоже где-то живут.

Вероятно, все наблюдаемые на сегодня галактики состоят из обычного вещества. В противном случае их границы были бы зоной практически непрерывной аннигиляции с окружающей материей, ее было бы видно издалека. Земные обсерватории регистрировали бы кванты энергии, образовавшиеся при аннигиляции. Пока этого не происходит.

Свидетельством присутствия во Вселенной заметных количеств антивещества могло бы стать обнаружение где-то в космосе (на Земле, ввиду большой плотности вещества, искать явно бесполезно) ядер антигелия. Два антипротона, два антинейтрона.

Составляющие такое ядро античастицы регулярно рождаются при столкновениях высокоэнергетичных частиц в земных ускорителях и естественным путем при бомбардировке вещества космическими лучами. Их обнаружение ни о чем нам не говорит. А вот антигелий может образоваться таким же образом, если в одном месте одновременно родятся четыре составляющие его частицы.

Это нельзя назвать совсем невозможным, но такое событие во всей Вселенной случается примерно раз в пятнадцать миллиардов лет, что вполне сопоставимо со временем ее существования.

Подготовка к запуску аэростата с детектором космических частиц в рамках эксперимента BESS. Детектор виден на переднем плане, его масса — 3 тонны. / © i.wp-b.com

Поэтому обнаружение антигелия вполне может расцениваться если не как привет от антиподов, то как свидетельство того, что где-то в пучинах космоса плавает кусок антивещества приличных размеров. Вот оно оттуда и прилетело.

Увы, неоднократные попытки поискать антигелий в верхних слоях земной атмосферы или на подходе к ней пока не принесли успеха. Конечно, это тот случай, когда «отсутствие следов пороха на руках ничего не доказывает».

Вполне может быть, что лететь было просто очень далеко (порядка миллиардов световых лет), а попасть в небольшой детектор на маленькой планете еще сложнее.

И уж точно, если бы детектор был чувствительнее (и дороже), наши шансы на успех были бы выше.

Антизвезды, случись им быть в природе, в ходе термоядерных реакций порождали бы такой же поток антинейтрино, как и обычные звезды — поток их антиподов. Такие же антинейтрино должны образовываться при взрывах антисверхновых. Пока ни то, ни другое не обнаружено, но, надо заметить, что нейтринная астрономия вообще делает первые шаги.

Детектор Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Канада. / © squarespace.com

В любом случае пока мы не обладаем достоверной информацией о существовании сколько-нибудь заметных количеств антивещества во Вселенной.

Это плохо и хорошо одновременно. Плохо потому, что, по современным представлениям, в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и вещество, и антивещество. Впоследствии они аннигилировали, породив реликтовое космическое излучение.

Количество фотонов в нем очень велико, оно примерно в миллиард раз превышает количество барионов (т. е. протонов и нейтронов) во Вселенной. Иными словами, когда-то, в начале времен, вещества во Вселенной оказалось на одну миллиардную долю больше, чем антивещества.

Потом все «лишнее» исчезло, аннигилировав, а одна миллиардная доля осталась. Получилось то, что в специальной литературе называется барионной асимметрией.

Для физиков отсутствие равновесия — это проблема, потому что его надо как-то объяснить. По крайней мере, в случае с предметами, которые во всех иных отношениях ведут себя симметрично.

А для нас (включая физиков) это хорошо, поскольку при одинаковых количествах вещества и антивещества произошла бы полная аннигиляция, Вселенная была бы пуста, и задаваться вопросами было бы некому.

Наличие большой космологической проблемы было осознано учеными где-то к середине XX века. Условия, при которых Вселенная становится такой, какой мы ее видим, были сформулированы Андреем Сахаровым в 1967 году и с тех пор являются «общим местом» тематической литературы, по крайней мере, на русском и английском языках. В сильно упрощенном виде они выглядят так.

Во-первых, при каких-то условиях, вероятно, существовавших в ранней Вселенной, законы физики все-таки неодинаково работают для вещества и антивещества.

Во-вторых, при этом может не сохраняться барионное число, т. е. количество барионов после реакции не равно тому, что было до нее.

В-третьих, процесс должен протекать взрывным образом, т. е. быть неравновесным. Это существенно, поскольку в равновесии концентрации веществ стремятся к выравниванию, а нам нужно получить нечто разное.

А.Д.Сахаров, конец 1960 годов. / © thematicnews.com

На этом общепризнанная часть объяснения заканчивается, далее и через полвека властвуют гипотезы. Наиболее авторитетная на данный момент связывает произошедшее с электрослабым взаимодействием. Посмотрим на нее поближе.

Для объяснения того, что же все-таки произошло с нашей материей, нам придется напрячь воображение и представить себе, что во Вселенной существует некое поле.

О его существовании и свойствах мы пока не знаем ничего, кроме того, что оно связано с распределением вещества и антивещества в пространстве и до некоторой степени похоже на привычную нам температуру, в частности может принимать большие и меньшие значения, до определенного уровня, который можно уподобить температуре кипения.

Первоначально материя во Вселенной находится в перемешанном состоянии. Вокруг очень «горячо» — кавычки здесь можно было бы и опустить, поскольку обычная температура тоже очень высока, но мы-то говорим о ее воображаемом аналоге. Этот аналог «кипит» — значение максимально.

По мере расширения пространства из первоначального «пара» начинают конденсироваться «капли», в которых «попрохладнее». Пока все выглядит совершенно так же, как с водой — если перегретый пар находится в сосуде, объем которого достаточно быстро увеличивается, то происходит адиабатическое охлаждение. Если оно достаточно сильно, то часть воды выпадет в виде жидкости.

Вода, сконденсировавшаяся из пара. / © 3.bp.blogspot.com

Нечто похожее происходит и с материей в космосе. По мере роста объема Вселенной количество и размер «капель» увеличиваются. А вот дальше начинается то, что не имеет аналогий в привычном нам мире.

Условия проникновения в «капли» частиц и античастиц оказываются неодинаковыми, частицам сделать это немножко проще. В результате первоначальное равенство концентраций нарушается, в сконденсировавшейся «жидкости» оказывается немножко больше вещества, а в «кипящей фазе» — его антипода. Совокупное число барионов при этом пока не меняется.

А дальше, в «кипящей фазе», начинают действовать квантовые эффекты взаимодействующих электрослабых полей, которые вроде бы не должны изменять количество барионов, но в действительности выравнивают количество частиц и античастиц.

Строго говоря, этот процесс идет и в «каплях» тоже, но там он менее эффективен. Таким образом, общее количество античастиц уменьшается.

Это написано коротко и, конечно, очень упрощенно, на самом деле все куда интереснее, но вдаваться в теорию глубоко мы сейчас не станем.

Ключевыми для объяснения ситуации оказываются два эффекта. Квантовая аномалия электрослабых взаимодействий — это наблюденный факт, он обнаружен еще в 1976 году. Разница в вероятности проникновения частиц в зону конденсации — факт расчетный и, следовательно, гипотетический. Само поле, которое «кипит», а затем остывает, пока не обнаружено.

При формировании теории предполагалось, что это — поле Хиггса, но после открытия знаменитого бозона выяснилось, что оно тут не при чем. Вполне возможно, что его открытие еще ждет своего часа. А может быть, и нет — и тогда космологам придется изобретать другие объяснения. Вселенная ждала этого пятнадцать миллиардов лет, может подождать и еще.

Источник: https://naked-science.ru/article/nakedscience/pochemu-vo-vselennoy-net

Ссылка на основную публикацию