На межі анігіляції: що робити з антиматерією

1. Як була відкрита антиматерія
2. Матерія й антиматерія трохи різні
3. вивчення антиматерії
4. Використання антиматерії

Античастинки електронів, позитрони, з'являються в космічних променях, виникають в грозових розрядах, а також в розпаді цілком поширених на Землі елементів. Наприклад, ізотоп калію-40, правда досить рідко, всього в 0,001% випадків його розпадів, випускає позитрон. Завдяки невеликому вмісту цього ізотопу в природній суміші в нашому організмі народжується близько одного позитрона в хвилину. Шкоди здоров'ю це не завдає; набагато більший ризик мутацій в організмі представляють космічні промені, до складу яких входять антимюонів, сотні яких пролітають через нас за секунду. У космічних променях спостерігаються також антипротона, які, нехай рідко, народжуються в нашій Галактиці при ядерних взаємодіях в міжзоряному середовищі. Більш того, якась їх частина стабільно утримується в магнітному поясі Землі (на вищій орбіті, де немає протонів, з якими можна було б проаннігіліровать).

Правда, все вищеописане - це лише приклади античастинок, а не антиатомів або антиречовини. А чи можуть існувати антисвіти десь далеко в нашому Всесвіті? Може бути, на далекій антіпланете антілюді стурбовані проблемою анти-антиматерії (нашої звичайної матерії) і зараз теж розмірковують про наш гіпотетичний існування?

Як була відкрита антиматерія

Вперше поняття «антиматерія» було придумано англійським фізиком Артуром Шустером в 1898 році, відразу після відкриття Джозефом Томсоном електрона. Томсон виявив, що катодні промені утворені входять до складу речовини тотожними один одному негативно зарядженими частинками. Шустер поставив запитання, а чи не існує симетричний аналог електрона (названий їм антиелектрона), заряджений позитивно. З його гіпотези відразу слідувала ідея існування антиматерії, всередині якої придумані антиелектрони і повинні жити. Гіпотеза Шустера грунтувалася на розумінні, що Природа повинна була подбати про симетрії між негативним і позитивним. Переконливий аргумент? В общем-то, не дуже ... Ось і сучасники Шустера (а в його час концентрація видатних фізиків була вкрай високою) цією ідеєю, на жаль, не зацікавилися, і вона була надовго забута ...

Лише через 30 років чудовий англійський фізик Поль Дірак перевідкрив антиматерію. На відміну від Шустера він не припустив існування антиелектрона, а знайшов його, але не в навколишньому світі, а ... в своєму рівнянні! Рівняння Дірака успішно описало релятивістський електрон, але в рішеннях цього рівняння «вилізла» також позитивно заряджена частинка, в точності симетрична електрону. Дірак назвав її позитроном.

Спочатку до ідеї Дірака, незважаючи на явний успіх його теорії в дозволі багатьох парадоксів, колеги поставилися скептично. Але незабаром позитрон був відкритий Карлом Андерсоном в космічних променях: він народжувався з енергійних космічних фотонів в парі з електроном, а перед наступною анігіляцією встигав пролетіти деяку відстань і залишити сліди.

Античастинки є у всіх частинок, за винятком істинно нейтральних, таких як фотон (для фотона він же сам і є античастинкою), і сьогодні всі вони відкриті.

Матерія й антиматерія трохи різні

Ще до відкриття Андерсона, намагаючись знайти відповідь на питання, чому позитрони не спостерігається в навколишньому світі, Дірак усвідомив, що позитрони жити разом з нами не можуть: виникнувши десь поруч, вони негайно анігілюють з оточуючими електронами. Він тверезо розсудив, що, якщо вже наша Сонячна система побудована з електронів і взагалі з частинок, то тут не місце античастинок, їх треба шукати в інших галактиках, не стикаються з нашою.

Антігалактікі шукали і продовжують шукати, але поки не знаходять. Більш того, сьогодні мало хто вірить, що вони дійсно можуть існувати. У чому ж причина такої асиметрії Всесвіту, в якій матерія є, а антиматерії майже немає?

У 1960-х роках зробили абсолютно несподіване відкриття: антиматерія трохи відрізняється від матерії. Здавалося б, як же так? Адже ми тільки що вивели антиматерію з симетрії між позитивним і негативним, а ніякої симетрії виявляється ні? Ну не зовсім ... симетрія порушується тільки в слабких взаємодіях, а є ще електромагнітні і ядерні взаємодії, які цю симетрію шанують. Давайте не будемо дорікати слабкі взаємодії за цю неповагу до симетрія, адже тільки завдяки їй ми, на відміну від менш щасливих антілюдей, і існуємо! До цього висновку в 1967 році прийшов Андрій Дмитрович Сахаров.

Дійсно, якби матерія й антиматерія були абсолютно ідентичні, то незабаром після Великого Вибуху, в результаті якого утворилося однакову кількість частинок і античастинок, вони б повністю проаннігіліровалі. У живих залишилися б тільки фотони, з яких будувати світ (і нас з вами) було б досить проблематично. Насправді, завдяки різниці властивостей матерії і антиматерії невелика частка частинок матерії вижила (одна на мільярд проаннігіліровавшіх!), І цього вцілілого в грандіозній битві залишку вистачило, щоб зробити нас з вами.

вивчення антиматерії

Вивчаючи антиматерію, ми в дійсності пильно дивимося на її відмінності з матерією. Ця маленька різниця дозволяє багато чого довідатися про закони Природи. До сих пір не вирішено питання про механізм порушення симетрії між матерією і антиматерією. Вірніше, ми знаємо, навіщо Природа допустила це порушення (заради нас), а також за рахунок чого ця різниця властивостей виникає, але вже 40 років гадаємо, чому все це організовано в Природі подібним чином.

Останні 15 років різницю розпадів важких кварків і антикварків вивчали спеціальні експерименти в Японії і США. Розігнані до величезних швидкостей електрони і позитрони, стикаючись, народжували так звані B-мезони, що містять кварк третього покоління (1 млрд пар B-мезонів за 10 років роботи). У цих експериментах виявили велику різницю в розпаді B-мезона і анти-B-мезона і виміряли її з хорошою точністю. В останні роки до цих зусиль підключився спеціальний експеримент на Великому адронному колайдері, а ще через два роки в Японії запрацює супер По-фабрика. Точність вимірювань зросте, і, можливо, буде знайдено щось нове у невідповідності властивостей матерії і антиматерії.

Сьогодні навряд чи хто-небудь візьметься прогнозувати, що буде знайдено і як це дозволить розвинути наші знання. І вже тим більше, ніхто не зможе передбачити, як нові знання можна використовувати в нашому житті. Можна лише скористатися попереднім досвідом людства: всі наукові відкриття, якими б нікчемними з практичної точки зору вони не здавалися спочатку, рано чи пізно приносили користь. Досить згадати ту ж квантову механіку, без якої не було б транзисторів, мікрочіпів і, відповідно, 99% сучасних технологій ...

Використання антиматерії

Сьогодні ми застосовуємо, по крайней мере, саму легко отримується античастицу - позитрон, для деяких цілком практичних завдань. Одне зі своїх застосувань позитрони знайшли в медицині для діагностики онкологічних захворювань. Крім згаданого вище калію-40, існують безліч радіоактивних ізотопів, що випускають позитрони, які, вилетівши з ядра, миттєво анігілюють з електронами з сусідніх атомів, перетворюючись в два фотони. Пацієнт приймає невелика кількість аналога глюкози з радіоактивною домішкою (доза дуже маленька і не завдає шкоди здоров'ю), глюкозоподобное речовина накопичується в активно зростаючих клітинах, якими і є ракові клітини. Саме в пухлини і буде відбуватися часта електрон-позитронна анігіляція, а знайти точне місце в організмі, звідки часто вилітають фотони, залишається технічним завданням (причому, робиться це безконтактно - навколо пацієнта проїжджає скануючий прилад, який ловитиме фотони). Цей метод, що дозволяє діагностувати і точно визначати місце розташування пухлини, називається позитронно-емісійної томографії (ПЕТ).

Позитрони використовуються також в матеріалознавстві. За допомогою спеціального позитронного мікроскопа, що стріляє позитрона по досліджуваному об'єкту, можна досліджувати поверхні напівпровідників для їх застосування в електроніці. Можна також вивчати різноманітні зразки, визначати «втома» матеріалів і знаходити в них мікродефекти. Так що ця, здавалося б, абсолютно абстрактна область знання служить цілком конкретним інтересам людей.

Чи справді в антиматерії прихована колосальна енергія?

Тут письменники-фантасти не перебільшують. Давайте оцінимо цю енергію. Згадавши, що маса і енергія еквівалентні, порівняємо різні види енергії. Почнемо з енергії хімічних зв'язків: спалюючи, наприклад, 1 грам вугілля, ми отримаємо енергію, що становить приблизно одну мільйонну від його маси. Трохи! У ядерної енергії схований набагато більший потенціал: з 1 грама урану, запустивши ланцюгову реакцію, можна витягти енергію, що досягає величини 0,001 (т. Е. Однієї тисячної) в граммовом еквіваленті - правда, це в ідеалі, в реальності все набагато скромніше. А ось 1 грам антиводню при анігілляціі дасть 2 грами енергії! Погодьтеся, що це вражає - в 1 грамі антиматерії укладено енергії більше ніж у 1000 тонн вугілля. Правда, слід пам'ятати, що на Землі немає покладів антиматерії на відміну від інших носіїв енергії, а щоб отримати 1 грам антиводню буде потрібно спалити набагато більше, ніж 1000 тонн вугілля ...

І все ж, ракета на антіводородном паливі (одного грама досить, щоб відправити багатотонну ракету на Марс) розбурхує уяву. Все це, як і раніше виглядає фантастикою? Судіть самі. Антиводень вже реально отримують. Поки, правда, в гігантській лабораторії і всього тисячі антиатомів. Причому утримати їх в пастці вдається тільки кілька хвилин. Але 10 років тому антиатоми отримували лише десятками і утримували мікросекунди. А ще через 10 років плануються отримати вже кількість антиречовини, яка вимірюється мікрограма.