Что такое материя и антиматерия

Уникальный источник энергии: что такое антиматерия и на что она способна

Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии.

Читайте «Хайтек» в

Что такое антиматерия?

Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

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.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.

А что значит приставка «анти»?

Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Где «добывают» и хранят антиматерию?

Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах.

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.

Почему антивещество так сложно получить?

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.

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.

На что способна антиматерия?

Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.

Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс.

В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.

Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.

Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.

Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.

Источник

Спросите Итана: чем антиматерия принципиально отличается от материи?

Высокоэнергетические столкновения частиц могут приводить к появлению пар частица/античастица или фотонов, а аннигиляция пар частица/античастица также приводят к появлению фотонов, как показывают эти следы в пузырьковой камере. Но что определяет принадлежность частицы к материи или антиматерии?

У каждой известной частицы материи во Вселенной имеется антиматериальный двойник. У антиматерии есть множество свойств, сходных со свойствами нормальной материи, включая типы взаимодействий, массу, величину электрического заряда, и так далее. Но есть и несколько фундаментальных отличий. Однако две вещи по поводу взаимодействия частиц материи и антиматерии можно сказать с определённостью: если столкнуть частицу материи с её двойником из антиматерии, они мгновенно аннигилируют, превратившись в энергию, и в любом взаимодействии, создающем частицу материи, обязательно возникнет и её двойник из антиматерии. Так что же делает антиматерию особенной? Именно это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:

Каковы различия между материей и антиматерией на фундаментальном уровне? Есть ли какое-то внутреннее свойство, заставляющее частицу становиться материей или антиматерией? Есть ли какое-то внутреннее свойство (типа спина), отличающее кварки и антикварки? Что придаёт приставку «анти» антиматерии?

Чтобы понять ответ на вопрос, необходимо взглянуть на существующие частицы (и античастицы).

Частицы и античастицы Стандартной Модели подчиняются всякого рода законам сохранения, но между фермионами и бозонами существуют фундаментальные различия

Возможные конфигурации электрона в атоме водорода удивительно сильно разнятся друг от друга, и всё же все они представляют одну и ту же частицу, находящуюся в немного разных квантовых состояниях. У частиц и античастиц также есть свои, присущие им неизменяемые квантовые числа, и они играют основную роль в определении того, принадлежит ли частица к материи, антиматерии, или ни к одной из категорий.

Учитывая эти свойства электрона, можно задать вопрос – как должна выглядеть частица-двойник электрона из антиматерии, на основании правил, управляющих элементарными частицами.

В простом атоме водорода единый электрон движется по орбите вокруг одного протона. В атоме антиводорода один позитрон движется вокруг одного антипротона. Позитроны и антипротоны – двойники в антиматерии для электронов и протонов соответственно.

Величины всех квантовых чисел должны сохраняться. Но у античастиц знаки этих чисел необходимо обратить. Для антиэлектрона это означает, что у него должны быть следующие квантовые числа:

Электронные переходы в атоме водорода и длины волн получающихся фотонов демонстрируют эффект связующей энергии и взаимодействие между электроном и протоном в квантовой физике. Идентичность спектральных линий у позитронов и антипротонов подтверждена.

Все эти факты были экспериментально подтверждены. Частица, точно соответствующая описанию антиэлектрона, известна, как позитрон. Это необходимо, если учесть, как мы создаём материю и антиматерию: обычно мы создаём их из ничего. То есть, если столкнуть две частицы на достаточно высоких энергиях, часто можно получить дополнительную пару частица/античастица из излишков энергии (из Эйнштейновского E=mc 2 ), по закону сохранения.

Сталкивая частицу с античастицей можно ожидать, что они аннигилируют, превратившись в энергию. А из этого следует, что столкнув две любых частицы с достаточно большой энергией, можно создать пару частица/античастица

Но должна сохраниться не только энергия; есть ещё целая гора квантовых чисел, которые тоже нужно сохранить! Сюда входят:

В ранней Вселенной было чрезвычайно много всех частиц и их античастиц, но по мере её охлаждения большая часть частиц аннигилировала. Вся имеющаяся у нас обычная материя возникла из кварков и лептонов, с положительными барионными и лептонными числами, превысивших по количеству их двойников, антикварков и антилептонов.

Если любое из этих чисел положительное, то частица принадлежит к обычной материи. Поэтому кварки (с барионным числом +1/3), электроны, мюоны, тау, нейтрино (с лептонным числом +1) принадлежат к материи, а антикварки, позитроны, антимюоны, антитау, антинейтрино – к антиматерии. Это всё фермионы и антифермионы, и каждый фермион – это частица материи, а антифермион – частица антиматерии.

На всех масштабах Вселенной, от нашего региона до межзвёздного пространства, от отдельных галактик до скоплений и нитей и великой космической паутины, всё, что мы наблюдаем, видится нам состоящим из обычной материи, но не из антиматерии. Эта загадка остаётся неразгаданной.

Так что же придаёт антиматерии приставку «анти»? Если взять отдельную частицу, то её античастица будет иметь ту же массу, и все те же квантовые числа с обратным знаком: это частица, способная аннигилировать с первой и превратиться в энергию. Но чтобы быть материей, у частицы должно быть позитивным либо барионное, либо лептонное число. Чтобы быть антиматерией, нужно иметь негативным либо барионное, либо лептонное число. Кроме этого в нашей Вселенной неизвестно никаких фундаментальных причин, по которым бы материя чем-то превосходила антиматерию; мы до сих пор не знаем, как была нарушена эта симметрия (хотя идеи у нас есть). Если бы всё пошло по-другому, мы бы, наверно, называли всё, из чего мы состоим, «материей», а остальное – «антиматерией», но названия эти даются произвольно. Как всегда, Вселенная находится на стороне тех, кто выжил.

Источник

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.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

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.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

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.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

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.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

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.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

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.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

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.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

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.

Антиматерия используется в медицине

Антиматерия может скрываться в космосе

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.

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

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.

Источник

Разница между Материей и Антиматерией

Основное различие между Материей и Антиматерией состоит в том, что Материя и Антиматерия имеют противоположные электрические заряды.

Материя доминирует в нашей вселенной. Такие её составляющие, как планеты, звезды и даже люди, сделаны из материи, но есть также темная материя и темная энергия, которую мы не можем легко обнаружить. Однако ученые обнаружили, что материя появляется парами. Это значит, что вся материя имеет свою собственную Антиматерию, которая обладает идентичными свойствами, за исключением электрического заряда. Например, протон имеет положительный заряд, в то время как антипротон имеет отрицательный заряд. Но они имеют одинаковую массу и другие свойства.

Содержание

Что такое Материя?

Материя — это любое вещество, которое имеет массу и объем. Материя состоит из атомов. Атом состоит из субатомных частиц. Однако, обычно, мы рассматриваем атом как основную единицу материи. Термин «Материя» не включает безмассовые частицы, такие как фотоны. Более того, энергетические явления, такие как свет и звук, не рассматриваются как материя. Материя может существовать в разных фазах: твердой фазе, жидкой фазе и газообразной фазе. Однако возможна и другая фаза материи, она называется плазмой. Плазменное состояние содержит атомы, ионы и свободные электроны, которые удаляются из атомов для образования ионов.

Строение атома

Атом содержит атомное ядро, которое содержит протоны и нейтроны наряду с некоторыми другими субатомными частицами, окруженными облаком электронов. Однако современная квантовая физика утверждает, что атом может действовать как частица и как волна, это называется дуальностью волны — частицы.

В дополнение к использованию атомов, или протонов, нейтронов и электронов, мы можем определять материю, используя также лептоны и кварки. Это элементарные частицы материи. Согласно этому определению, обычная материя — это все, что состоит из лептонов и кварков. Следовательно, речь идет обо всем, что не содержит антилептонов и антикварков. Лептоны и кварки объединяются в атомы. Атомы объединяются в молекулы. Атомы и молекулы могут быть названы как материя. Однако электроны представляют собой тип лептонов, а протоны и нейтроны состоят из кварковых частиц. Следовательно, все эти определения приводят к тому, что материя — это все, что имеет массу и объем, и не является Антиматерией.

Что такое Антиматерия?

Антиматерия — это вещество, содержащее античастицы, которые способствуют образованию материи. Следовательно, антиматерия является противоположностью материи. Например, протон и антипротон представляют собой пару материи и антиматерии соответственно. Пары материи и антиматерии имеют одинаковую массу, но они имеют противоположные электрические заряды. Они также имеют некоторые различия в квантовых свойствах. например, протон заряжен положительно, а антипротон имеет отрицательный заряд.

Столкновение материи с антиматерией может привести к взаимному их уничтожению. Это означает, что и материя, и антиматерия превращаются в другие частицы, имеющие равные энергии. Аннигиляция может привести к появлению интенсивных фотонов, таких как гамма-лучи, нейтрино и некоторые другие пары частица-античастица. Однако большая часть энергии, выделяющейся при аннигиляции, находится в форме ионизирующего излучения.

Подобно материи, частицы антиматерии могут связываться друг с другом, образуя антиматерию. Например, позитрон является античастицей электрона, а антипротон — античастицей протона, эти две античастицы могут связываться с образованием атома водорода. Обозначают антиматерию, используя штриховой знак над символом частицы, чтобы отличить его от материи.

Основное различие между Материей и Антиматерией состоит в том, что Материя и Антиматерия имеют противоположные электрические заряды. Антиматерия противоположна Материи, но у них есть идентичные свойства, отличные от электрического заряда.

Заключение — Материя против Антиматерии

Антиматерия является противоположностью Материи, но они имеют идентичные свойства в дополнение к электрическому заряду. Основное различие между Материей и Антиматерией состоит в том, что Материя и Антиматерия имеют противоположные электрические заряды.

Источник