Свойства антиматерии. С точностью до наоборот

Парадокс «темной материи», непредсказуемые двойные звезды. Одной из самых известных и интригующих загадок, несомненно, является антивещество, состоящее из «вывернутой наизнанку» материи. Открытие данного феномена – одно из наиболее важных достижений физики в прошлом столетии.

До этого момента ученые были уверены, что элементарные частицы – фундаментальные и неизменные кирпичики мироздания, которые не рождаются заново и никогда не исчезают. Эта скучная и незамысловатая картина ушла в прошлое, когда выяснилось, что заряженный отрицательно электрон и его двойник из антимира позитрон при встрече взаимно уничтожаются, порождая кванты энергии. А позже стало очевидным, что элементарные частицы вообще любят превращаться друг в друга, причем самыми причудливыми способами. Открытие антивещества стало началом коренной трансформации представлений о свойствах мироздания.

Антиматерия уже давно стала излюбленной темой научной фантастики. Корабль «Энтерпрайз» из культового «Звездного пути» использует для покорения галактики двигатель на антивеществе. В книге Дэна Брауна «Ангелы и демоны» главный герой спасает Рим от бомбы, созданной на основе этой субстанции. Подчинив неисчерпаемые объемы энергии, которая получается при взаимодействии вещества с антивеществом, человечество обретёт могущество, превосходящее предсказания самых смелых фантастов. Нескольких килограммов антиматерии вполне достаточно для пересечения Галактики.

Но до создания оружия и космических аппаратов еще очень далеко. В настоящее время наука занята теоретическим обоснованием существования антиматерии и исследованием ее свойств, причем ученые используют в своих опытах десятки, в крайнем случае, сотни атомов. Время их жизни исчисляется долями секунд, а стоимость экспериментов – десятками миллионов долларов. Физики уверены, что знания об антивеществе помогут нам лучше понять эволюцию Вселенной и события, происходившие в ней сразу после Большого взрыва.

Что такое антивещество и каковы его свойства?

Антивещество – это особый вид материи, состоящей из античастиц. Они обладают тем же спином и массой, что и обычные протоны и электроны, но отличаются от них знаком электрического и цветового заряда, барионным и лептонным квантовым числом. Говоря простыми словами, если атомы обычного вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательного электронов, то у антивещества все обстоит наоборот.

При взаимодействии материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов или других частиц. Энергия, получаемая при этом, огромна: одного грамма антивещества достаточно для взрыва мощностью в несколько килотонн.

Согласно современным представлениям, вещество и антивещество имеют одинаковую структуру, потому что силовое и электромагнитное взаимодействия, определяющие ее, действуют абсолютно идентично как на частицы, так и на их «двойников».

Считается, что антиматерия также может создавать гравитационную силу, но окончательно данный факт еще не доказан. Теоретически гравитация должна действовать на вещество и антивещество одинаково, но это еще предстоит выяснить экспериментальным путем. Сейчас над данным вопросом работают в проектах ALPHA, AEGIS и GBAR.

В конце 2015 года с помощью коллайдера RHIC ученым удалось измерить силу взаимодействия между антипротонами. Оказалось, что она равна аналогичной характеристике протонов.

В настоящее время известны «двойники» практически всех существующих элементарных частиц, кроме так называемых «истинно нейтральных», которые при зарядовом сопряжении переходят в самих себя. К этим частицам относятся:

• фотон;
• бозон Хиггса;
• нейтральный пи-мезон;
• эта-мезон;
• гравитрон (пока не обнаруженный).

Антиматерия находится гораздо ближе, чем вы думаете. Источником антивещества, правда, не слишком мощным, являются обычные бананы. Они содержат изотоп калий-40, который распадается с образованием позитрона. Это происходит примерно один раз в 75 минут. Данный элемент также входит в состав человеческого тела, так что каждого из нас можно назвать генератором античастиц.

Из истории вопроса

Впервые допустил мысль о существовании материи «с другим знаком» британский ученый Артур Шустер еще в конце XIX века. Его публикация на эту тему была довольно туманной и не содержала никакой доказательной базы, скорее всего, на гипотезу ученого натолкнуло недавнее открытие электрона. Он же первым ввел в научный обиход термины «антивещество» и «антиатом».

Экспериментально антиэлектрон был получен еще до своего официального открытия. Это удалось сделать советскому физику Дмитрию Скобельцину в 20-е годы прошлого столетия. Он получил странный эффект при исследовании гамма-лучей в камере Вильсона, но объяснить его так и не смог. Теперь мы знаем, что феномен был вызван появлением частицы и античастицы – электрона и позитрона.

В 1930 году известный британский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения для электрона, предсказал существование новой частицы с той же массой, но противоположным зарядом. В то время ученые знали только одну положительную частицу – протон, однако она была в тысячи раз тяжелее электрона, поэтому интерпретировать данные, полученные Дираком, так и не смогли. Двумя годами позже американец Андерсон обнаружил «двойника» электрона при исследовании излучения из космоса. Он получил название позитрон.

К середине прошлого столетия физики успели неплохо изучить эту античастицу, было разработано несколько способов ее получения. В 50-е годы ученые открыли антипротон и антинейтрон, в 1965 году был получен антидейтрон, а в 1974 году советским исследователям удалось синтезировать антиядра гелия и трития.

В 60-е и 70-е годы античастицы в верхних слоях атмосферы искали с помощью воздушных шаров с научной аппаратурой. Этой группой руководил нобелевский лауреат Луис Альварец. Всего было «поймано» около 40 тыс. частиц, но ни одна из них к антиматерии не имела никакого отношения. В 2002 году аналогичными изысканиями занялись американские и японские физики. Они запустили огромный воздушный шар BESS (объем 1,1 млн м3) на высоту в 23 километра. Но и им за 22 часа эксперимента не удалось обнаружить даже простейших античастиц. Позже аналогичные опыты были проведены в Антарктиде.

В середине 90-х европейским ученым удалось получить атом антиводорода, состоящий из двух частиц: позитрона и антипротона. В последние годы удалось синтезировать значительно большее количество этого элемента, что позволило продвинуться в изучении его свойств.

В 2005 году чувствительный детектор антивещества был установлен на Международной космической станции (МКС).

Антиматерия в условиях космоса

Первооткрыватель позитрона Поль Дирак считал, что во Вселенной существуют целые области, полностью состоящие из антивещества. Об этом он говорил в своей нобелевской лекции. Но пока ученым не удалось обнаружить ничего подобного.

Конечно, в космосе присутствуют античастицы. Они появляются на свет благодаря многим высокоэнергетическим процессам: взрывам сверхновых звезд или горению термоядерного топлива, возникают в облаках плазмы вокруг черных дыр или нейтронных звезд , рождаются при столкновениях высокоэнергетических частиц в межзвездном пространстве. Более того, небольшое количество античастиц постоянно «проливается» дождем на нашу планету. Распад некоторых радионуклидов также сопровождается образованием позитронов. Но все вышеперечисленное – это только античастицы, но не антивещество. До сих пор исследователям не удалось отыскать в космосе даже антигелий, что уж говорить о более тяжелых элементах. Провалом завершились и поиски специфического гамма-излучения, которое сопровождает процесс аннигиляции при столкновении вещества и антивещества.

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Существует гипотеза, что на ранних этапах жизни нашей Вселенной количество вещества и антивещества почти совпадало: на каждые миллиард антипротонов и позитронов приходилось ровно столько же их «визави», плюс один «лишний» протон и электрон. Со временем основная часть материи и антиматерии исчезла в процессе аннигиляции, а из избытка возникло все, что нас сегодня окружает. Правда, не совсем понятно, откуда и почему появились «лишние» частицы.

Получение антивещества и трудности этого процесса

В 1995 году ученым удалось создать всего лишь девять атомов антиводорода. Они просуществовали несколько десятков наносекунд, а затем аннигилировали. В 2002 году число частиц исчислялось уже сотнями, а срок их жизни увеличился в несколько раз.

Античастица, как правило, рождается вместе со своим обычным «двойником». Например, для получения позитрон-электронной пары необходимо взаимодействие гамма-кванта с электрическим полем атомного ядра.

Получение антиматерии – весьма хлопотное занятие. Этот процесс происходит в ускорителях, а хранятся античастицы в специальных накопительных кольцах в условиях высокого вакуума. В 2010 году физикам впервые удалось поймать в специальную ловушку «целых» 38 атомов антиводорода и удержать их на протяжении 172 миллисекунд. Для этого ученым пришлось охлаждать 30 тыс. антипротонов до температуры ниже -70 °C и два миллиона позитронов до -230 °C.

На следующий год исследователям удалось значительно улучшить результаты: увеличить срок жизни античастиц до целой тысячи секунд. В дальнейшем планируется выяснить отсутствие или наличие эффекта антигравитации для антиматерии.

Вопрос хранения антиматерии – настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами, вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

Стоимость антивещества и его энергетическая эффективность

Учитывая сложность получения и хранения антиматерии, не удивительно, что цена ее очень высока. Согласно расчетам НАСА , в 2006 году один миллиграмм позитронов стоил примерно 25 млн долларов. По более ранним данным, грамм антиводорода оцениваелся в 62 трлн долларов. Примерно такие же цифры дают и европейские физики из CERN.

Потенциально антиматерия – это идеальное топливо, сверхэффективное и экологически чистое. Проблема в том, что всей антиматерии, созданной до сих пор людьми, едва хватит, чтобы вскипятить хотя бы чашку кофе.

Синтез одного грамма антивещества требует затраты 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, что делает любое практическое применение этой субстанции попросту абсурдным. Возможно, когда-нибудь мы и будем заправлять ею звездолеты, но для этого необходимо придумать более простые и дешевые методы получения и долговременного хранения.

Существующие и перспективные способы применения

В настоящее время антивещество используется в медицине, при проведении позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод позволяет получить изображение внутренних органов человека в высоком разрешении. Радиоактивные изотопы наподобие калия-40 соединяют с органическими веществами типа глюкозы и вводят в кровеносную систему пациента. Там они испускают позитроны, которые аннигилируются при встрече с электронами нашего тела. Гамма-излучение, полученное в ходе этого процесса, формирует изображение исследуемого органа или ткани.

Антивещество также изучается в качестве возможного средства против онкологических заболеваний.

Применение антиматерии, несомненно, имеет огромные перспективы. Она сможет привести к настоящему перевороту в энергетике и позволит людям достичь звезд. Любимым коньком авторов фантастических романов являются звездолеты с так называемыми варп-двигателями, позволяющими перемещаться со сверхсветовой скоростью. Сегодня существует несколько математических моделей подобных установок, и большинство из них используют в работе антивещество.

Есть и более реалистичные предложения без сверхсветовых полетов и гиперпространства. Например, предлагается вбрасывать в облако антипротонов капсулу из урана-238 с находящимся внутри дейтерием и гелием-3. Разработчики проекта считают, что взаимодействие данных составляющих приведет к началу термоядерной реакции, продукты которой, будучи направленными магнитным полем в сопло двигателя, обеспечат кораблю значительную тягу.

Для полетов на Марс за один месяц американские инженеры предлагают использовать ядерное деление, инициируемое антипротонами. По их подсчетам, для подобного путешествия необходимо всего лишь 140 нанограммов этих частиц.

Учитывая значительное количество энергии, выделяемой при аннигиляции антивещества, эта субстанция – прекрасный кандидат для начинки бомб и других взрывоопасных предметов. Даже небольшого количества антивещества достаточно для создания боеприпаса, сопоставимого по мощности с ядерной бомбой. Но пока об этом преждевременно беспокоиться, ибо данная технология находится на самом раннем этапе своего развития. Вряд ли подобные проекты смогут осуществиться в ближайшие десятилетия.

Пока же антивещество – в первую очередь, предмет изучения теоретической науки, который очень много может рассказать об устройстве нашего мира. Подобное положение вещей вряд ли изменится пока мы не научимся получать его в промышленных масштабах и надежно сберегать. Только тогда можно будет говорить о практическом использовании этой субстанции.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

« Антиматерия физически и химически ничем не отличается от материи. Собственно, это та же материя, только вывернутая наизнанку. Для проционидов наши физические и химические справочники пригодны так же, как и для нас. Они описывают те же самые закономерности, те же самые реакции с теми же самыми элементами. Только для них наша материя является антиматерией. Вопрос, с какой стороны смотреть».(Кшиштоф Борунь, «Антимир», 1963)

Мысль о возможности существования антивещества была высказана еще в эпоху классической физики, в конце XIX века

Водород и антиводород по своему строению совершенно идентичны — они состоят из адрона и лептона. В первом случае положительно заряженный протон, состоящий из трех кварков (двух верхних и одного нижнего), и отрицательно заряженный электрон образуют атом хорошо знакомого нам водорода. Антиводород состоит из отрицательно заряженного антипротона, который, в свою очередь, построен из трех соответствующих антикварков и положительно заряженного позитрона (античастицы электрона)

Аннигиляция электрона и позитрона в случае низких энергий порождает как минимум два (это обусловлено сохранением импульса) фотона. Этот процесс схематически можно изобразить с помощью так называемой диаграммы Фейнмана. При превышении определенного энергетического порога аннигиляция может происходить с рождением «виртуальных» фотонов, которые вновь быстро распадаются на пары электронов и позитронов

Компьютерная модель аннигиляции вещества и антивещества. Красные линии — фотоны, разлетающиеся в противоположных направлениях при аннигиляции позитронов, а желтые — частицы, образующиеся при аннигиляции антипротонов. Треки исходят из одной точки — это свидетельство того, что антипротоны и позитроны образуют атомы антиводорода (эксперимент ATHENA в ЦЕРН)

Времяпроекционная камера эксперимента PANDA международного центра FAIR в Дармштадте

Открытие античастиц по праву считается крупнейшим достижением физики ХХ столетия. Оно впервые доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого все были уверены, что вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново. Эта простая картина ушла в прошлое, когда без малого 80 лет назад было доказано, что электрон и его положительно заряженный двойник при встрече исчезают, рождая кванты электромагнитного излучения. Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи.

Мысль о возможности существования антивещества впервые была высказана в 1898 году — англичанин Артур Шустер опубликовал в журнале Nature весьма туманную заметку, вероятно, вдохновленную недавним открытием электрона. «Если существует отрицательное электричество, — вопрошал Шустер, — то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?» А дальше у него — впервые в мировой научной литературе — появляются и слова «антиатом» и «антивещество». Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от обычной материи.

Антиэлектроны впервые были замечены в эксперименте опять-таки до момента своего официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, который в 1920-х годах исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцин этого, естественно, не знал и объяснить странный эффект не смог, но в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Иоанна избрали молодого физика-теоретика Поля Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии.

Уравнение Дирака

В 1926 году австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, — дифференциальное уравнение, решения которого определяют состояния частицы. Уравнение Шредингера описывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса — спина (иначе говоря, не ведет себя как волчок). Однако в 1926 году уже было известно, что электроны обладают спином, который может иметь два различных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве лишь в двух противоположных направлениях (спустя год аналогичное доказательство было получено и для протонов). Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так чтобы оно позволяло учитывать спин. Таким образом, спин сперва открыли экспериментально, а потом искусственно навязали шредингеровскому уравнению.

В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Но решения такого уравнения показывают, что вероятность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла. Возникают и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его называют уравнением Клейна-Гордона) расходится с теорией относительности (на формальном языке, оно не является релятивистски инвариантным).

Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4х4. У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух — отрицательна.

Тут-то и возникла загвоздка. Первая пара решений интерпретировалась просто — это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом. Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.

Поиски смысла

Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе ненаблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию можно создать, если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире? Сначала Дирак отождествлял их с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature. Это было как минимум странно — протон в 2000 раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать их антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.

Открытие антиэлектрона

Как уже было сказано, позитроны фактически наблюдал еще Дмитрий Скобельцин. В 1930 году с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао, исследовавший прохождение гамма-квантов сквозь свинцовую фольгу. В этом эксперименте возникали электронно-позитронные пары, после чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами атомных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао. Однако многие физики усомнились в результатах, и эта работа признания не получила.

Руководителем Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, который в те времена занимался космическими лучами (он и предложил этот термин). Милликен считал их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на электроны и протоны (нейтрон открыли позже, в 1932 году). Милликен предложил проверить эту гипотезу Карлу Андерсону, другому своему аспиранту и к тому же приятелю Чао. Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с очень мощным электромагнитом. Андерсон тоже получил треки заряженных частиц, которые внешне не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении. Сначала он приписал их электронам, которые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм. Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры — отсюда следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Этот же прием доказал, что частицы с аномальной закруткой не могут быть протонами — те бы застряли в свинцовом экране.

В конце концов Андерсон пришел к выводу, что почти все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с положительным зарядом. Однако Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не хотел публиковаться в научной печати. Поэтому он ограничился коротким письмом в популярный журнал Science News Letter и приложил к нему фотографию аномального трека. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор предложил назвать новую частицу позитроном. Этот снимок был опубликован в декабре 1931 года.

Теперь вспомним, что Дирак обнародовал гипотезу о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Однако и Андерсон, и Милликен почти ничего не знали о его теории и вряд ли понимали ее суть. Поэтому Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пытался убедить Милликена в собственной правоте, но, так не достигнув успеха, в сентябре 1932 года опубликовал в журнале Science заметку о своих наблюдениях. Однако в этой работе речь идет все-таки не о двойнике электрона, а лишь о положительно заряженной частице неизвестного вида, масса которой много меньше массы протона.

Следующий шаг к идентификации антиэлектрона сделали в месте его предсказания — в Кембридже. Английский физик Патрик Блэкетт и его итальянский коллега Джузеппе Оккиалини занимались исследованием космических лучей в знаменитой Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом. Оккиалини предложил оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру в случае одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а другой — под ней. К осени 1932 года партнеры получили около 700 фотографий треков, которые можно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле электронами и позитронами.

Блэкетт знал о предсказанном Дираком антиэлектроне, но не принимал его теорию всерьез. Сам Дирак тоже не разглядел своей гипотетической частицы на снимках Блэкетта. В итоге Блэкетт и Оккиалини правильно интерпретировали свои фотоснимки лишь позднее, когда ознакомились с сентябрьской публикацией Андерсона. Свои выводы они представили в статье со скромным заголовком «Фотографии треков проникающей радиации», добравшейся до редакции журнала Proceedings of the Royal Society 7 февраля 1933 года. К этому времени Андерсон узнал о конкурентах из Кавендиша и вполне адекватно изложил свои результаты в четырехстраничной статье «Положительный электрон», которая поступила в журнал Physical Review 28 февраля. Поскольку приоритет Андерсона был установлен предыдущими публикациями, он один и получил за открытие позитрона Нобелевскую премию (в 1936 году, совместно с первооткрывателем космических лучей Виктором Гессом). Блэкетт был удостоен этой награды 12 годами позже (с формулировкой «За усовершенствование методов наблюдений на камере Вильсона и за открытия в области ядерной физики и космической радиации»), а вот Оккиалини премией обошли — считается, что по политическим соображениям.

Вскоре исследования позитрона двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо наблюдал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по абсолютной величине совпадает с очень высокой точностью. В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри обнаружили, что позитроны возникают и при радиоактивном распаде. Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.

Антинуклоны

Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен давно. В основном первичное космическое излучение состоит из протонов с энергией более 1 ГэВ, которые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы порождают пионы и прочие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, в ходе которых появляются гамма-кванты, которые при торможении в веществе производят электронно-позитронные пары.

Достаточно быстрые протоны при столкновении с атомными ядрами способны непосредственно порождать антипротоны и антинейтроны. В середине ХХ века физики уже не сомневались в возможности подобных превращений и искали их следы во вторичных космических лучах. Результаты некоторых наблюдений вроде бы можно было интерпретировать как аннигиляцию антипротонов, но без полной уверенности. Поэтому американские физики предложили проект сооружения протонного ускорителя на 6 ГэВ, на котором, согласно теории, было возможно получить оба типа антинуклонов. Эта машина, названная беватроном, была запущена в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли в 1954 году. Спустя год Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре и их коллеги получили антипротоны, обстреливая протонами медную мишень. Еще через год другая группа физиков на той же установке зарегистрировала антинейтроны. В 1965 году в ЦЕРН и в Брукхейвенской национальной лаборатории были синтезированы ядра антидейтерия, сложенные из антипротона и антинейтрона. А вначале 1970-х из СССР пришло сообщение, что на 70-ГэВ протонном ускорителе Института физики высоких энергий синтезированы ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон) и антитрития (антипротон и два антинейтрона); в 2002 году несколько ядер легкого антигелия были получены и в ЦЕРН. Дальше дело пока не двинулось, так что синтез хотя бы одного ядра антизолота — дело неблизкого будущего.

Рукотворное антивещество

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРН в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.

В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать. Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

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?

Антиматерия — это противоположность нормальной материи. Более конкретно, субатомные частицы антивещества обладают свойствами, противоположными свойствам вещества, характерного для обычного вещества.

Электрический заряд этих частиц меняется на противоположный. Антиматерия была создана вместе с материей после Большого взрыва, но антиматерия редко встречается в сегодняшней вселенной, и ученые не знают, почему.

Чтобы лучше понять антиматерию, нужно больше знать о материи. Материя состоит из атомов, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Каждый элемент имеет определенное количество атомов: водород имеет один атом; гелий имеет два атома; и так далее.

Вселенная атома сложна, так как она полна экзотических частиц, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как , протоны и внутри них.

Что вы получите, когда объедините теорию относительности и квантовую механику? Здесь нет шуток — просто революционная концепция, придуманная лауреатом Нобелевской премии П. Дирак после того, как он обнаружил странное несоответствие в уравнении.

В физике частиц каждый тип частицы имеет ассоциированную античастицу с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (например, электрический заряд). Например, античастица электрона является антиэлектроном (который часто называют позитроном). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественно генерируется в некоторых типах радиоактивного распада. Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются их собственной античастицей. В противном случае для каждой пары частиц с античастицами одна обозначается как нормальная материя (из которой мы сделаны), а другая (обычно с приставкой «анти»), как в антиматерии.

Пары частицы-античастицы могут аннигилировать друг друга, производя фотоны; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют себя электронами, производя пары гамма-лучей, процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать анти-водородный атом, который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к созданию вселенной, состоящей почти целиком из материи.

Где это?

Частицы антивещества создаются в сверхскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого Взрыва существовала только энергия. По мере того как вселенная охлаждалась и расширялась, частицы как материи, так и антиматерии были получены в равных количествах. Почему материя стала доминировать, это вопрос, который ученые еще не обнаружили.

Одна теория предполагает, что в начале было создано более нормальное вещество, чем антиматерия, так что даже после взаимной аннигиляции было достаточно нормальной материи, оставшейся для образования звезд, галактик и нас.

Открытие антиматерии

Антиматерия была впервые открыта в 1928 году английским физиком Полом Дираком, которого журнал New Scientist назвал «величайшим британским теоретиком, как сэр Исаак Ньютон».

Что именно было уравнением Дирака? Короче говоря, это было обширное расширение теории относительности Эйнштейна в сочетании с квантовой механикой так, как никогда ранее не делалось математически. Дирак обнаружил, что это уравнение учитывает существование частиц, как мы их знаем, а также противоположно заряженных частиц с магнитными моментами, противоположными моментам соответствующих частиц вещества. Он назвал эти противоположно заряженные частицы античастицами или антивеществами.

По словам журнала, Дирак объединил специальное уравнение относительности Эйнштейна (которое говорит, что свет — это самая быстрая движущаяся вещь во Вселенной) и квантовая механика (описывающая то, что происходит в атоме). Он обнаружил, что уравнение работает для электронов с отрицательным зарядом или с положительными зарядами.

Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами материи, они аннигилируют друг друга и производят энергию. Это привело к тому, что инженеры предположили, что двигатель на антиматерии космического аппарата может быть эффективным способом исследования Вселенной.

НАСА предупреждает, что существует огромная уловка с этой идеей: для создания миллиграмма антиматерии требуется около 100 миллиардов долларов.

«Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, эта цена должна снизиться примерно в 10 000 раз», — пишет агентство. Выработка энергии создает еще одну головную боль: «Для создания антивещества требуется гораздо больше энергии, чем энергия, которую можно получить от реакции антивещества».

Но это не помешало НАСА и другим группам работать над улучшением технологии, чтобы сделать двигатель на антиматерии возможным.

Общедоступность информации любого рода, обилие фантастических фильмов, тематика которых связана с теми или иными научными или псевдонаучными проблемами, популярность сенсационных романов – всё это привело к формированию немалого количества мифов о нашем мире. Например, благодаря многочисленным теориям, обыгрывающим варианты Конца Света, широко употребляемым стало понятие «антивещество». В художественных произведениях и апокалиптических теориях под антивеществом подразумевается некая субстанция, по своим свойствам противоположная веществу, материи. Своего рода чёрная дыра, поглощающая и уничтожающая всё, что попадает в зону её притяжения. Что такое антивещество, на самом деле нужно спрашивать не у писателей, режиссёров и одержимых ожиданием всеобщего коллапса, а у учёных.

Античастицы и антивещество – обычная часть мироздания

Учёные расскажут, что в антивеществе нет ничего страшного и катастрофичного. Хотя бы в силу того обстоятельство, что противопоставлять вещество и антивещество нельзя – то, что принято называть антивеществом, на самом деле является разновидностью вещества, то есть материи. Согласно научной классификации, частицами вещества принято называть материальные структуры, состоящие из атомов, окружённых элементарными частицами. Базовой частью атома является ядро, имеющее положительный заряд, а элементарные частицы вокруг него заряжены отрицательно. Это те самые электроны, название которых используется нами в повседневной жизни ежедневно при упоминании электроники и электрических приборов.

Антивещество составляют античастицы, то есть те материальные структуры, ядра которых имеют отрицательный заряд, а окружающие их частицы – положительный.

Положительные элементарные частицы были обнаружены учёными лишь в 1932 году и названы позитронами. Также нет никакого фатального драматизма во взаимодействии частиц и античастиц, вещества и антивещества. Происходит аннигиляция – процесс превращения вступивших в реакцию вещества и антивещества в принципиально новые частицы, не существовавшие первоначально и обладающие отличными от исходных, «материнских» частиц, свойствами. Правда, «побочный эффект» может быть довольно опасен: аннигиляция сопровождается выделением огромного количества энергии. Подсчитано, что реакция 1 килограмма вещества с 1 килограммом антивещества высвободит энергию, равную примерно 43 мегатоннам взорвавшегося тротила. Наиболее мощная из взорванных на Земле ядерных бомб имела потенциал около 58 мегатонн в тротиловом эквиваленте.

Как получить антивещество – для науки это не вопрос

Реальность антивещества является доказанным фактом. Теоретические предположения учёных гармонично совместились с общей научной картиной мира, а потом античастицы были обнаружены и экспериментальным путём. Вот уже почти пятьдесят лет, как античастицы получают искусственным путём при реакции взаимодействия между частицами и античастицами. В 1965 году был синтезирован анти-дейтрон, а спустя 30 лет был получен анти-водород (его отличие от «классического» водорода в том, что атом антивещества состоит из позитрона и антипротона). Учёные пошли дальше и в 2010-2011 годах сумели в лабораторных условиях «поймать» атомы антивещества. Пускай в «ловушке» оказались лишь около 40 атомов и удерживать их сумели 172 миллисекунды.

Практические перспективы изучения античастиц очевидны, учитывая огромный энергетический потенциал взаимодействия частиц и античастиц.

Применение антивещества и запуск данного процесса в контролируемом режиме фактически раз и навсегда снимает проблему получения энергии.

Сложность, как всегда, в деньгах: расчёты показывают, что на сегодняшний день производства лишь одного грамма антивещества стоило бы около 60 триллионов долларов. Так что традиционные источники энергии пока остаются актуальными – а исследования нужно продолжать. Тем более, что уже на рубеже XX-XXI веков астрономы и астрофизики обнаружили источники антивещества во Вселенной. В частности, были получены данные о настоящих потоках положительно заряженных элементарных частиц (позитронов), двигающихся в космическом пространстве. Появилось несколько в большей или меньшей степени обоснованных практическими исследованиями теорий, объясняющих механизмы формирования античастиц в естественных условиях.

Очень популярен вариант объяснения, согласно которому античастицы формируются в сильном гравитационном поле в чёрных дырах. Данное гравитационное поле взаимодействует с «обычным» веществом, в результате процесса «переработки» материи и получаются позитроны – частицы, которые под влиянием гравитации изменили свой заряд с отрицательного на положительный. Другая концепция указывает на естественные радиоактивные элементы, самыми известными из которых являются сверхновые звёзды. Предполагается, что эти природные ядерные реакторы в качестве побочной продукции «вырабатывают» именно античастицы. Есть и прочие версии: например, процесс слияния двух звёзд может сопровождаться формированием частиц с изменённым зарядом или, напротив, такой эффект может порождать гибель звёзд.

Где найти антивещество – головоломка для исследователей

Таким образом, наличие антивещества неоспоримо. Но, как обычно и бывает при исследовании тайн Вселенной, возникла фундаментальная проблема, решить которую науке на данном этапе её развития пока не удаётся. Согласно принципу симметричности строения Вселенной , в нашем мире должно содержаться приблизительно столько же вещества, сколько и антивещества, столько же атомов, состоящих из положительного ядра и отрицательно заряженных частиц, сколько и атомов с отрицательным ядром и положительными частицами. Но на практике никаких следов масштабного скопления антивещества (теоретики даже придумали название для таких скоплений – «антимир») на данный момент не обнаружено.

При астрономических наблюдениях антивещество достаточно хорошо фиксируется лишь благодаря испускаемому гамма-излучению. Впрочем, оптимисты не теряют надежды – и вполне обоснованно.

Во-первых, Земля может находиться в той «вещественной» части Вселенной, которая максимально удалена от «антивещественной» половины. Значит, всё дело в недостаточно мощных и совершенных приборах наблюдения. Во-вторых, по своему электромагнитному излучению объекты, состоящие из вещества и антивещества, неотличимы, поэтому оптический метод наблюдения здесь бесполезен. В-третьих, не отвергнуты компромиссные теории – например, о том, что Вселенная имеет ячеистую структуру, в которой каждая ячейка состоит наполовину из вещества, наполовину из антивещества.

Александр Бабицкий