Материя и антиматерия что это
Антивещество (познавательный длиннопост)
Антиматерия (или антивещество) — материя, состоящая из античастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуры материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы) совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Приставка «анти» в словах «античастицы», «антиматерия», «антивещество» подталкивает фантазеров к рассуждениям о некой Антивселенной, находящейся то ли далеко-далеко, то ли в «параллельном пространстве». Особо увлекающиеся личности приплетают сюда же «добро и зло», «инь и ян»… На самом деле мистики тут – не больше, чем во взаимном «уничтожении» воды и огня, которое так вдохновляло древних философов. «Вещество не из нашего мира» – вполне из нашего: оно рождается и гибнет здесь, а не в каких-то «иных измерениях». «Антиподы» есть у каждой из сотен известных частиц, кроме фотона и еще нескольких, истинно нейтральных (для них античастица точно совпадает с частицей).
Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.
Ведется довольно много рассуждений на тему того, почему наблюдаемая часть вселенной состоит почти исключительно из вещества и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом; но на сегодняшний день наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики. Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.
20 т), соответствовало 57 мегатоннам. Следует отметить, что порядка 50% энергии, выделившейся при аннигиляции (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов.
В нормальных условиях частицы антиматерии практически мгновенно уничтожаются за счет контакта с обычной материей, превращаясь в гамма-лучи. Считается, что в первые мгновения после Большого Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц. Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии, доказывающие присутствие позитронов.
Антиматерия тесно связана с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Считается, что античастиц в нем образовалось столько же, сколько и частиц. Однако сейчас антивещества во Вселенной наблюдается намного меньше, чем вещества. Куда же оно делось? Если улетело в другую область пространства, почему такое количество антиматерии ничем не регистрируется? Масса-то у античастиц та же, что и у частиц. Если же антивещество исчезло после аннигиляции с веществом, то почему осталось столько «лишнего» вещества, из которого состоит мир? Может, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не тождественны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Решить эти загадки и может помочь антивещество — уже не просто предсказанное формулами, а вполне осязаемое детекторами.
Чем отличается антиматерия от материи по строению и свойствам
По современным представлениям — ничем. Но они не могут существовать в непосредственной близости друг от друга и должны аннигилировать.
Имеет ли антиматерия такой же цвет, как и противоположная ей материя
Цвет — это человеческая характеристика частоты электромагнитного излучения, которое попадает в глаз. Электромагнитное излучение «нейтрально» по отношению к частицам или античастицам. Антивещество глазами человека будет видно, как и вещество, но антивещество может быть обнаружено специальными детекторами, которые «видят» не только электромагнитное излучение.
Как будет выглядеть аннигиляция
При очень малых скоростях столкновения электрона и позитрона появятся только фотоны. Но при большой энергии столкновения рождается много самых разных частиц и античастиц — поровну. Они могут разлететься в разные стороны и только потом встретиться с антиподами. Если энергия столкновения мала — то, в основном, вспышка. Если велика — много новых частиц и античастиц. Уже более 20 лет работает в США ускоритель «Теватрон», в котором сталкивают протоны и антипротоны.
Нужен ли для аннигиляции, скажем, водорода именно антиводород. Или антигелий и любое другое «анти» тоже подойдет? Что будет, если потрогать рукой, ткани которой не содержат свинца, «антисвинец»?
Если столкнуть антиводород с атомом гелия, то аннигилируют только один протон и один электрон из гелия, остальные составляющие гелия будут жить и дальше. Только это уже не будет атом гелия. Если коснешься антисвинца — антипротоны, антинейтроны и позитроны из него проаннигилируют с любыми протонами, нейтронами и электронами из руки. В любом случае вы останетесь без руки, если вообще выживете.
Опасны ли опыты с антивеществом
Еще в 2003 году Европейский центр ядерных исследований опубликовал отчет независимых специалистов, которые оценивали вероятность разных рисков, связанных с работой коллайдера. Вероятность — в том числе с антиматерией — была признана ничтожно малой. А частицы из космоса, обладающие намного большей энергией, постоянно влетают в земную атмосферу, тоже приводят к появлению античастиц — но за миллионы лет ничего не случилось.
Есть ли во Вселенной объекты, состоящие из антиматерии
Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет.
Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция.
Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось.
Цифры
1 тонна антивещества в год покрыла бы энергетические нужды всей планеты
$62,5 триллиона стоит один грамм антиводорода, полученный сегодняшними способами.
Цена антиматерии
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле, по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
З.Ы. Не мое, нашел на просторах интернета.
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.
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.