Explozie de antimaterie. Antimateria este o substanță care constă din antiparticule: prețul antimateriei

Structura substanței

Anihilare electronii și pozitronii lenți duce la formarea de cuante gamma, iar anihilarea nucleonilor și antinucleonilor lenți duce la formarea mai multor pi-mezoni. Ca urmare a dezintegrarilor ulterioare ale mezonilor, se formează radiații gamma dure cu o energie a cuantelor gamma de peste 70 MeV.

Antielectroni(pozitronii) au fost prezise de P. Dirac și apoi descoperite experimental în „dușuri” ​​de P. Anderson, care nici măcar nu știa despre predicția lui Dirac la acea vreme. Această descoperire a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru fizică în 1936. Antiprotonul a fost descoperit în 1955 la Bevatron din Berkeley, căruia i s-a acordat și Premiul Nobel. În 1960, acolo a fost descoperit un antineutron. Odată cu punerea în funcțiune a acceleratorului Serpukhov, fizicienii noștri au reușit și ei să iasă în față în anumite moduri - în 1969 s-au descoperit acolo nuclee de antiheliu. Dar atomii de antimaterie nu au putut fi obținuți. Și să fiu sincer, pe toată durata existenței acceleratoarelor, antiparticulele au primit cantități nesemnificative - toți antiprotonii sintetizați la CERN într-un an vor fi suficienți pentru a funcționa un bec electric timp de câteva secunde.

Sinteza antimateriei

Configurația, după ce antiprotonii părăsesc inelul de încetinire, constă din patru părți principale: o capcană pentru captarea antiprotonilor, un inel de stocare a pozitronilor, o capcană de amestecare și un detector de antihidrogen. Fluxul antiproton este mai întâi decelerat de radiația cu microunde, apoi răcit ca urmare a schimbului de căldură cu fluxul de electroni cu energie scăzută, după care cade într-o capcană - un mixer, unde se află la o temperatură de 15 K. Pozitronul dispozitivul de stocare încetinește succesiv, captează și acumulează pozitroni dintr-o sursă radioactivă; aproximativ jumătate dintre ele cad într-o capcană de amestecare, unde sunt răcite suplimentar de radiația sincrotron. Toate acestea sunt necesare pentru o creștere semnificativă a probabilității de formare a atomilor de antihidrogen.

La Antiproton Moderator, a început o competiție dură între două grupuri de oameni de știință, participanți la experimentele ATHENA (39 de oameni de știință din diferite țări ale lumii) și ATRAP.

În numărul revistei Nature (Nature 2002, vol. 419, p. 439, ibid p. 456), publicat pe 3 octombrie 2002, participanții la experimentul ATHENA au afirmat că au reușit să obțină 50.000 de atomi de antimaterie – antihidrogen. Prezența atomilor de antimaterie a fost înregistrată în momentul anihilării lor, ceea ce a fost evidențiat prin intersecția într-un punct a urmelor a două cuante dure formate în timpul anihilării electron-pozitron și a urmelor de pioni rezultate din anihilarea unui antiproton și a unui proton. S-a obținut primul „portret” al antimateriei (foto de la început) - o imagine de computer sintetizată din astfel de puncte. Deoarece doar atomii care au „alunecat” din capcană au fost anihilati (și au fost doar 130 dintre ei numărați în mod fiabil), cei 50.000 de atomi de antihidrogen declarați creează doar un fundal invizibil al „portretului”.

Problema este că anihilarea antihidrogenului a fost înregistrată pe un fundal general, mai puternic, de anihilări de pozitroni și antiprotoni. Acest lucru a provocat în mod firesc un scepticism sănătos în rândul colegilor din proiectul concurent adiacent ATRAP. Ei, la rândul lor, având sintetizat antihidrogen în aceeași instalație, au putut să înregistreze atomi de antihidrogen cu ajutorul unor capcane magnetice complexe fără niciun semnal de fundal. Atomii de antihidrogen formați în experiment au devenit neutri din punct de vedere electric și, spre deosebire de pozitroni și antiprotoni, au putut părăsi liber regiunea în care erau reținute particulele încărcate. Acolo, fără antecedente, au fost înregistrați.

Se estimează că în capcană s-au format aproximativ 170.000 de atomi de antihidrogen, ceea ce cercetătorii au raportat într-un articol publicat în Physical Review Letters.

Și acesta este deja un succes. Acum, cantitatea primită de antihidrogen poate fi suficientă pentru a-i studia proprietățile. Pentru atomii de antihidrogen, de exemplu, se presupune că se măsoară frecvența tranziției electronice 1s-2s (de la starea fundamentală la prima stare excitată) prin metode de spectroscopie cu laser de înaltă rezoluție. (Frecvența acestei tranziții în hidrogen este cunoscută cu o precizie de 1,8 · 10-14 - nu degeaba maserul cu hidrogen este considerat standardul de frecvență.) Conform teoriei, ar trebui să fie la fel ca în hidrogenul obișnuit. . Dacă, de exemplu, spectrul de absorbție se dovedește a fi diferit, atunci va fi necesar să se facă ajustări la fundamentele fundamentale ale fizicii moderne.

Motor de antimaterie

Antiprotonii se anihilează instantaneu cu nucleele de uraniu și îi fac să se descompună în fragmente. Aceste fragmente, împreună cu gamma-quanta rezultată, încălzesc interiorul capsulei atât de mult încât acolo începe o reacție termonucleară. Produsele sale, care au o energie extraordinară, sunt și mai accelerate de câmpul magnetic și zboară prin duza motorului, oferind navei spațiale o forță nemaiauzită.

În ceea ce privește zborul către Marte într-o lună, fizicienii americani recomandă utilizarea unei alte tehnologii pentru acesta - fisiunea nucleară catalizată de antiprotoni. Apoi, întregul zbor va necesita 140 de nanograme de antiprotoni, fără a lua în calcul combustibilul radioactiv.

Noile măsurători efectuate la Centrul de Cercetare Stanford (California), unde este instalat un accelerator liniar de particule, au permis oamenilor de știință să avanseze în răspunsul la întrebarea de ce predomină materia în fața antimateriei în univers.

Rezultatele experimentului confirmă ipotezele anterioare despre dezvoltarea unui dezechilibru al acestor entități opuse. Totuși, oamenii de știință spun că studiile efectuate au pus mai multe întrebări decât răspunsuri: experimentele cu un accelerator nu pot oferi o explicație completă a motivului pentru care există atât de multă materie în spațiu - miliarde de galaxii pline cu stele și planete.

Oamenii de știință care lucrează cu acceleratorul au măsurat un parametru cunoscut sub numele de sinusul a doi beta (0,74 plus sau minus 0,07). Acest indicator reflectă gradul de asimetrie dintre materie și antimaterie.

Antimateria și Big Bang-ul

Pentru a înțelege cum s-ar putea întâmpla acest lucru, fizicienii au analizat un efect numit încălcarea egalității de sarcină. Pentru a observa acest efect, oamenii de știință au studiat mezonii B și anti-mezonii B, particule cu o durată de viață foarte scurtă - trilioane de secundă.

Diferențele de comportament ale acestor particule complet opuse arată diferențele dintre materie și antimaterie și explică parțial de ce una prevalează asupra celeilalte. Milioanele de mezoni B și anti-mezoni B necesari pentru experiment s-au format ca urmare a ciocnirilor în acceleratorul fasciculelor de electroni și pozitroni. Primele rezultate, obținute încă din 2001, arată clar o încălcare a egalității de taxe pentru mezonii B.

„Aceasta a fost o descoperire importantă, dar sunt necesare mult mai multe date pentru a valida sinusul doi beta ca o constantă fundamentală în fizica cuantică”, a spus Stewart Smith de la Universitatea Princeton. „Noile rezultate au fost anunțate după trei ani de cercetări și analize intense. 88 de milioane de evenimente”.

Noile măsurători sunt în concordanță cu așa-numitul „model standard”, care descrie particulele elementare și interacțiunile lor. Gradul confirmat de încălcare a egalității sarcinilor în sine nu este suficient pentru a explica dezechilibrul materiei și antimateriei din univers.

„Se pare că, pe lângă inegalitatea sarcinilor, s-a întâmplat și altceva, care a determinat predominarea materiei transformate în stele, planete și organisme vii”, a comentat Hassan Jawahery, cercetător la Universitatea din Maryland. „În viitor, este posibil fi capabil să înțeleagă aceste procese ascunse și să răspundă la întrebarea ce a adus universul în starea sa actuală și aceasta va fi cea mai incitantă descoperire.”

ANTIMATERIE, o substanță formată din atomi, ale căror nuclee au o sarcină electrică negativă și sunt înconjurate de pozitroni - electroni cu sarcină electrică pozitivă. În materia obișnuită, din care este construită lumea din jurul nostru, nucleele încărcate pozitiv sunt înconjurate de electroni încărcați negativ. O substanță obișnuită, pentru a o distinge de antimaterie, este uneori numită koinosubstanță (din greacă. koinos- ca de obicei). Cu toate acestea, în literatura rusă, acest termen practic nu este folosit. Trebuie subliniat că termenul „antimaterie” nu este în întregime corect, întrucât antimateria este și o substanță, genul ei. Antimateria are aceleași proprietăți inerțiale și creează aceeași atracție gravitațională ca și materia obișnuită.

Când vorbim despre materie și antimaterie, este logic să începem cu particule elementare (subatomice). Fiecărei particule elementare îi corespunde o antiparticulă; ambele au aproape aceleași caracteristici, cu excepția faptului că au sarcini electrice opuse. (Dacă particula este neutră, atunci și antiparticula este neutră, dar pot diferi în alte caracteristici. În unele cazuri, particula și antiparticula sunt identice una cu cealaltă.) Deci, un pozitron corespunde unui electron - un electron încărcat negativ particulă, iar un antiproton încărcat negativ este antiparticula unui proton cu sarcină pozitivă. Pozitronul a fost descoperit în 1932, iar antiprotonul în 1955; acestea au fost primele antiparticule care au fost descoperite. Existența antiparticulelor a fost prezisă în 1928 pe baza mecanicii cuantice de către fizicianul englez P. Dirac.

Când un electron și un pozitron se ciocnesc, are loc anihilarea lor, adică. ambele particule dispar și două cuante gamma sunt emise din punctul de coliziune. Dacă particulele care se ciocnesc se mișcă cu o viteză mică, atunci energia fiecărui cuantum gamma este de 0,51 MeV. Această energie este „energia de repaus” a electronului, sau masa lui de repaus, exprimată în unități de energie. Dacă particulele care se ciocnesc se mișcă cu viteză mare, atunci energia cuantelor gamma va fi mai mare datorită energiei lor cinetice. Anihilarea are loc și atunci când un proton se ciocnește cu un antiproton, dar procesul este mult mai complicat în acest caz. Un număr de particule de scurtă durată sunt generate ca produse intermediare de interacțiune; totuși, după câteva microsecunde, produsele finale ale transformărilor rămân neutrini, cuante gamma și un număr mic de perechi electron-pozitron. Aceste perechi se pot anihila în cele din urmă, creând cuante gama suplimentare. Anihilarea are loc și atunci când un antineutron se ciocnește cu un neutron sau un proton.

Atâta timp cât există antiparticule, se pune întrebarea dacă antiparticulele nu pot forma anti-nuclei. Nucleele atomilor din materia obisnuita sunt compuse din protoni si neutroni. Cel mai simplu nucleu este nucleul izotopului obișnuit de hidrogen 1 H; este un singur proton. Nucleul deuteriului 2 H este format dintr-un proton și un neutron; se numeste deuteron. Un alt exemplu de nucleu simplu este nucleul 3 He, care este format din doi protoni și un neutron. Antideuteronul, format dintr-un antiproton și un antineutron, a fost obținut într-un laborator în 1966; nucleul anti-3 He, format din doi antiprotoni și un antineutron, a fost obținut pentru prima dată în 1970.

Conform fizicii moderne a particulelor elementare, cu mijloacele tehnice adecvate, ar fi posibil să se obțină antinucleii tuturor nucleelor ​​obișnuite. Dacă acești antinuclei sunt înconjurați de un număr adecvat de pozitroni, atunci formează antiatomi. Antiatomii ar avea aproape exact aceleași proprietăți ca și atomii obișnuiți; ar forma molecule, din care s-ar putea forma solide, lichide și gaze, inclusiv substanțe organice. De exemplu, doi antiprotoni și un nucleu anti-oxigen, împreună cu opt pozitroni, ar putea forma o moleculă anti-apă, asemănătoare cu apa obișnuită H 2 O, fiecare moleculă constând din doi protoni de nuclee de hidrogen, un nucleu de oxigen și opt electroni. Teoria modernă a particulelor elementare este capabilă să prezică că anti-apa va îngheța la 0 ° C, va fierbe la 100 ° C și, altfel, se va comporta ca apa obișnuită. Continuând astfel de raționament, putem ajunge la concluzia că o anti-lume construită din antimaterie ar fi extrem de asemănătoare cu lumea obișnuită din jurul nostru. Această concluzie servește drept punct de plecare pentru teoriile unui univers simetric, bazate pe presupunerea că universul are o cantitate egală de materie obișnuită și antimaterie. Trăim în acea parte a ei, care constă din materie obișnuită.

Dacă aduceți în contact două bucăți identice de substanțe de tip opus, atunci va avea loc anihilarea electronilor cu pozitroni și a nucleilor cu antinuclei. În acest caz, vor apărea cuante gamma, după apariția cărora se poate judeca ce se întâmplă. Deoarece Pământul, prin definiție, este format din materie obișnuită, nu există o cantitate vizibilă de antimaterie în el, cu excepția numărului mic de antiparticule produse la acceleratori mari și în razele cosmice. Același lucru este valabil și pentru întregul sistem solar.

Observațiile arată că în galaxia noastră este generată doar o cantitate limitată de radiații gamma. Din aceasta, un număr de cercetători concluzionează că nu există o cantitate vizibilă de antimaterie în el. Dar această concluzie nu este incontestabilă. În prezent, nu există nicio modalitate de a determina, de exemplu, dacă o anumită stea din apropiere este compusă din materie sau antimaterie; o stea de antimaterie emite exact același spectru ca o stea obișnuită. În plus, este foarte posibil ca materia rarefiată care umple spațiul din jurul stelei și identică cu materia stelei în sine să fie separată de regiunile pline cu materie de tip opus - „straturi Leidenfrost” foarte subțiri la temperatură înaltă. Astfel, putem vorbi de o structură „celulară” a spațiului interstelar și intergalactic, în care fiecare celulă conține fie materie, fie antimaterie. Această ipoteză este susținută de studiile moderne care arată că magnetosfera și heliosfera (spațiul interplanetar) au o structură celulară. Celulele cu magnetizare diferită și uneori și cu temperaturi și densități diferite sunt separate prin învelișuri de curent foarte subțiri. De aici concluzia paradoxală că aceste observații nu contrazic existența antimateriei nici măcar în Galaxia noastră.

Dacă mai devreme nu existau argumente convingătoare în favoarea existenței antimateriei, acum progresele în astronomia cu raze X și gama au schimbat situația. Au fost observate fenomene asociate cu eliberarea de energie enormă și adesea extrem de neregulată. Cel mai probabil, anihilarea a fost sursa acestei eliberări de energie.

Fizicianul suedez O. Klein a dezvoltat o teorie cosmologică bazată pe ipoteza simetriei dintre materie și antimaterie și a ajuns la concluzia că procesele de anihilare joacă un rol decisiv în evoluția Universului și formarea structurii galaxiilor.

Devine din ce în ce mai evident că principala teorie alternativă – teoria „big-bang-ului” – contrazice serios datele observaționale, iar locul central în rezolvarea problemelor cosmologice în viitorul apropiat este probabil să ocupe „cosmologia simetrică”.

În 1930, celebrul fizician teoretician englez Paul Dirac, deducând ecuația relativistă a mișcării pentru câmpul de electroni, a obținut și o soluție pentru o altă particulă cu aceeași masă și sarcină electrică opusă, pozitivă. Singura particulă cu o sarcină pozitivă cunoscută la acel moment, protonul, nu putea fi acest geamăn, deoarece diferă semnificativ de electron, incluzând o masă de o mie de ori mai mare.

Mai târziu, în 1932, fizicianul american Carl Anderson a confirmat predicțiile lui Dirac. Studiind razele cosmice, el a descoperit antiparticula electronului, care astăzi se numește pozitron. 23 de ani mai târziu, antiprotonii au fost descoperiți la un accelerator american, iar un an mai târziu - un antineutron.

Particule și antiparticule

După cum știți, orice particulă elementară are o serie de caracteristici, numere care o descriu. Printre acestea se numără următoarele:

• Masa este o mărime fizică care determină interacțiunea gravitațională a unui obiect.
• Spinul este momentul unghiular propriu al unei particule elementare.
• Sarcina electrică este o caracteristică care indică posibilitatea de a crea un câmp electromagnetic de către organism și de a participa la interacțiunea electromagnetică.
• Încărcarea culorii este un concept abstract care explică interacțiunea cuarcilor și formarea altor particule de către aceștia - hadronii.

Există, de asemenea, diverse alte numere cuantice care determină proprietățile și stările particulelor. Dacă descriem o antiparticulă, atunci în termeni simpli este o imagine în oglindă a unei particule, cu aceeași masă și sarcină electrică. De ce sunt oamenii de știință atât de interesați de particulele care sunt doar parțial similare și parțial diferite de originalele lor?

S-a dovedit că ciocnirea unei particule și a unei antiparticule duce la anihilare - distrugerea lor și eliberarea energiei corespunzătoare sub formă de alte particule de înaltă energie, adică o mică explozie. Faptul că o substanță constând din antiparticule (antimaterie) nu se formează independent în natură, conform observațiilor oamenilor de știință, motivează studiul antiparticulelor.

Informații generale despre antimaterie

Din cele de mai sus, devine clar că Universul observat este format din materie, materie. Cu toate acestea, urmând binecunoscutele legi fizice, oamenii de știință sunt siguri că, în urma Big Bang-ului, materia și antimateria trebuie să se formeze în cantități egale, pe care noi nu le observăm. Evident, ideile noastre despre lume sunt incomplete și fie oamenii de știință au omis ceva în calculele lor, fie undeva dincolo de vizibilitatea noastră, în părți îndepărtate ale Universului, există o cantitate corespunzătoare de antimaterie, ca să spunem așa, „lumea antimateriei. "

Această problemă a antisimetriei pare să fie una dintre cele mai cunoscute probleme fizice nerezolvate.

Conform conceptelor moderne, structura materiei și antimateriei este aproape aceeași, pentru că interacțiunile electromagnetice și puternice care determină structura materiei acționează în același mod atât în ​​raport cu particulele, cât și cu antiparticulele. Acest fapt a fost confirmat în noiembrie 2015 la ciocnitorul RHIC din Statele Unite, când oamenii de știință ruși și străini au măsurat puterea interacțiunii antiprotonilor. S-a dovedit a fi egală cu forța de interacțiune a protonilor.

Producția de antimaterie

Producerea de antiparticule are loc de obicei atunci când se formează perechi particule-antiparticule. Dacă în ciocnirea unui electron și a antiparticulei sale - un pozitron, sunt eliberate două cuante gamma, atunci este necesară o cuantă gamma de înaltă energie care interacționează cu câmpul electric al nucleului atomic pentru a crea o pereche electron-pozitron. În condiții de laborator, acest lucru se poate întâmpla în acceleratoare sau în experimente cu lasere. În condiții naturale - în pulsari și în apropierea găurilor negre, precum și în interacțiunea razelor cosmice cu unele tipuri de materie.

Ce este antimateria? Pentru înțelegere, este suficient să dam următorul exemplu. Cea mai simplă substanță, atomul de hidrogen, constă dintr-un proton, care definește nucleul, și un electron, care se învârte în jurul lui. Deci antihidrogenul este o antimaterie, al cărei atom este format dintr-un antiproton și un pozitron care se rotește în jurul lui.

Vedere generală a instalației ASACUSA de la CERN, destinată producerii și studiului de antihidrogen

În ciuda formulării simple, este destul de dificil să sintetizezi antihidrogen. Și totuși, în 1995, la acceleratorul LEAR de la CERN, oamenii de știință au reușit să creeze 9 atomi de astfel de antimaterie, care au trăit doar 40 de nanosecunde și s-au degradat.

Ulterior, cu ajutorul unor dispozitive masive, a fost creată o capcană magnetică, care a reținut 38 de atomi de antihidrogen timp de 172 de milisecunde (0,172 secunde), iar după 170.000 de atomi de antihidrogen - 0,28 attograme (10 -18 grame). Acea cantitate de antimaterie ar putea fi suficientă pentru studii ulterioare și este un succes.

Costul antimateriei

Astăzi putem spune cu încredere că cea mai scumpă substanță din lume nu este californiul, regolitul sau grafenul și, desigur, nu aurul, ci antimateria. Conform calculelor NASA, crearea unui miligram de pozitroni va costa aproximativ 25 de milioane de dolari, iar 1 g de antihidrogen este estimat la 62,5 trilioane de dolari. Interesant este că o nanogramă de antimaterie, un volum care a fost folosit în 10 ani în experimentele CERN, a costat organizația sute de milioane de dolari.

Aplicație

Studiul antimateriei are un potențial semnificativ pentru umanitate. Primul și cel mai interesant dispozitiv alimentat teoretic de antimaterie este unitatea warp. Unii s-ar putea să-și amintească că din celebrul serial TV Star Trek, motorul era alimentat de un reactor care funcționa pe principiul anihilării materiei și antimateriei.

De fapt, există mai multe modele matematice ale unui astfel de motor și, conform calculelor lor, foarte puține antiparticule vor fi necesare pentru nava spațială a viitorului. Deci, durata unui zbor de șapte luni către Marte poate fi redusă la o lună, datorită a 140 de nanograme de antiprotoni, care vor acționa ca un catalizator pentru fisiunea nucleară în reactorul navei. Datorită unor astfel de tehnologii, se pot efectua și zboruri intergalactice, ceea ce va permite unei persoane să studieze în detaliu alte sisteme stelare și să le colonizeze în viitor.

Cu toate acestea, antimateria, ca multe alte descoperiri științifice, poate reprezenta o amenințare pentru umanitate. După cum știți, cel mai teribil dezastru, bombardamentul atomic de la Hiroshima și Nagasaki, a fost efectuat cu ajutorul a două bombe atomice, a căror masă totală este de 8,6 tone, iar puterea este de aproximativ 35 de kilotone. Dar în ciocnirea a 1 kg de materie și 1 kg de antimaterie se eliberează o energie egală cu 42.960 de kilotone. Cea mai puternică bombă dezvoltată vreodată de omenire, AN602 sau Tsar Bomba, a eliberat aproximativ 58.000 de kilotone de energie, dar a cântărit 26,5 tone! Rezumând toate cele de mai sus, este sigur să spunem că tehnologiile și invențiile bazate pe antimaterie pot conduce umanitatea, atât la o descoperire fără precedent, cât și la autodistrugere completă.

Disponibilitatea generală a informațiilor de orice fel, abundența de filme științifico-fantastice, al căror subiect este legat de anumite probleme științifice sau pseudoștiințifice, popularitatea romanelor senzaționale - toate acestea au dus la formarea unui număr considerabil de mituri despre noi. lume. De exemplu, datorită numeroaselor teorii care joacă în jurul variantelor Doomsday, conceptul de „antimaterie” a devenit utilizat pe scară largă. În lucrările de ficțiune și teoriile apocaliptice, antimateria înseamnă o anumită substanță, care în proprietățile ei este opusă materiei, materie. Un fel de gaură neagră, care absoarbe și distruge tot ce cade în zona sa de atracție. Ce este antimateria, de fapt, trebuie să întrebi nu de la scriitori, regizori și cei obsedați de așteptarea unui colaps general, ci de la oameni de știință.

Antiparticulele și antimateria sunt o parte comună a universului

Oamenii de știință vă vor spune că nu există nimic teribil și catastrofal în antimaterie. Cel puțin datorită faptului că este imposibil să se opună materie și antimaterie - ceea ce se numește în mod obișnuit antimaterie este de fapt un fel de materie, adică materie. Conform clasificării științifice, particulele de materie sunt de obicei numite structuri materiale formate din atomi înconjurați de particule elementare. Partea de bază a atomului este nucleul, care are o sarcină pozitivă, iar particulele elementare din jurul lui sunt încărcate negativ. Aceștia sunt aceiași electroni, al căror nume îl folosim în viața de zi cu zi când menționăm electronice și dispozitive electrice.

Antimateria este alcătuită din antiparticule, adică acele structuri materiale, ale căror nuclee au o sarcină negativă, iar particulele din jurul lor sunt pozitive.

Particulele elementare pozitive au fost descoperite de oamenii de știință abia în 1932 și numite pozitroni. De asemenea, nu există nicio dramă fatală în interacțiunea dintre particule și antiparticule, materie și antimaterie. Are loc anihilarea - procesul de transformare a materiei și antimateriei care au intrat într-o reacție în particule fundamental noi care nu existau inițial și posedă proprietăți diferite față de particulele originale, „părinte”. Adevărat, „efectul secundar” poate fi destul de periculos: anihilarea este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de energie. Se estimează că reacția a 1 kilogram de materie cu 1 kilogram de antimaterie va elibera o energie egală cu aproximativ 43 de megatone de TNT explodat. Cea mai puternică bombă nucleară explodata de pe Pământ avea un potențial de aproximativ 58 de megatone în echivalent TNT.

Cum să obțineți antimaterie nu este o întrebare pentru știință

Realitatea antimateriei este un fapt dovedit. Ipotezele teoretice ale oamenilor de știință au fost combinate armonios cu imaginea științifică generală a lumii, iar apoi antiparticulele au fost descoperite experimental. De aproape cincizeci de ani, antiparticulele au fost produse artificial prin interacțiunea dintre particule și antiparticule. În 1965 s-a sintetizat anti-deuteronul, iar 30 de ani mai târziu s-a obținut antihidrogen (diferența sa față de hidrogenul „clasic” este că atomul de antimaterie este format dintr-un pozitron și un antiproton). Oamenii de știință au mers mai departe și în 2010-2011 au reușit să „prindă” atomi de antimaterie în condiții de laborator. Să fie doar aproximativ 40 de atomi în „capcană” și 172 de milisecunde au putut să-i rețină.

Perspectivele practice pentru studierea antiparticulelor sunt evidente, având în vedere potențialul energetic enorm al interacțiunii particulelor și antiparticulelor.

Utilizarea antimateriei și lansarea acestui proces într-un mod controlat înlătură practic problema obținerii energiei odată pentru totdeauna.

Dificultatea, ca întotdeauna, este în bani: calculele arată că astăzi ar costa aproximativ 60 de trilioane de dolari pentru a produce doar un gram de antimaterie. Așadar, sursele tradiționale de energie sunt încă relevante - iar cercetarea trebuie continuată. Mai mult, deja la începutul secolelor XX-XXI, astronomii și astrofizicienii au descoperit sursele de antimaterie din Univers. În special, s-au obținut date despre fluxurile reale ale particulelor elementare încărcate pozitiv (pozitroni) care se deplasează în spațiul cosmic. Au apărut mai multe teorii, mai mult sau mai puțin fundamentate de cercetări practice, care explică mecanismele de formare a antiparticulelor în condiții naturale.

O versiune foarte populară a explicației este că antiparticulele se formează într-un câmp gravitațional puternic în găurile negre. Acest câmp gravitațional interacționează cu materia „obișnuită”, ca urmare a procesului de „prelucrare” a materiei, și se obțin pozitroni – particule care, sub influența gravitației, și-au schimbat sarcina din negativă în pozitivă. Un alt concept indică elementele radioactive care apar în mod natural, dintre care cele mai faimoase sunt supernove. Se presupune că aceste reactoare nucleare naturale „produc” antiparticule ca produse secundare. Există și alte versiuni: de exemplu, procesul de îmbinare a două stele poate fi însoțit de formarea de particule cu o sarcină schimbată sau, dimpotrivă, un astfel de efect poate provoca moartea stelelor.

Unde să găsești antimaterie - Un puzzle pentru cercetători

Astfel, prezența antimateriei este de netăgăduit. Dar, așa cum se întâmplă de obicei atunci când investighăm secretele Universului, a apărut o problemă fundamentală, pe care știința în acest stadiu al dezvoltării sale nu a fost încă capabilă să o rezolve. Conform principiului simetriei structurii Universului , lumea noastră ar trebui să conțină aproximativ aceeași cantitate de materie ca și antimaterie, la fel de mulți atomi constând dintr-un nucleu pozitiv și particule încărcate negativ ca atomi cu un nucleu negativ și particule pozitive. Dar, în practică, nu au fost găsite urme ale unei acumulări la scară largă de antimaterie (teoreticienii chiar au venit cu un nume pentru astfel de clustere - „antilume”) nu au fost găsite momentan.

În observațiile astronomice, antimateria este înregistrată destul de bine doar datorită radiațiilor gamma emise. Cu toate acestea, optimiștii nu își pierd speranța – și pe bună dreptate.

În primul rând, Pământul poate fi situat în acea parte „materială” a Universului, care este cât mai departe posibil de jumătatea „antimateriei”. Aceasta înseamnă că întreaga problemă este în dispozitive de observare insuficient de puternice și perfecte. În al doilea rând, în funcție de radiația lor electromagnetică, obiectele constând din materie și antimaterie nu se pot distinge, prin urmare metoda optică de observare este inutilă aici. În al treilea rând, teoriile compromisului nu au fost respinse - de exemplu, că Universul are o structură celulară, în care fiecare celulă este formată din jumătate materie și jumătate antimaterie.

Alexandru Babitsky

Conform conceptelor moderne, forțele care determină structura materiei (interacțiune puternică, formând nuclee și interacțiune electromagnetică, formând atomi și molecule), sunt exact aceleași (simetrice) atât pentru particule, cât și pentru antiparticule. Aceasta înseamnă că structura antimateriei trebuie să fie identică cu structura materiei obișnuite.

Proprietățile antimateriei coincid complet cu proprietățile materiei obișnuite privite printr-o oglindă (specularitatea apare din cauza neconservării parității în interacțiunile slabe).

În noiembrie 2015, un grup de fizicieni ruși și străini de la coliderul american RHIC a demonstrat experimental identitatea structurii materiei și a antimateriei prin măsurarea precisă a forțelor de interacțiune dintre antiprotoni, care, în acest sens, s-au dovedit a fi imposibil de distins de protonii obișnuiți.

În timpul interacțiunii dintre materie și antimaterie are loc anihilarea lor, cu formarea de fotoni de mare energie sau de perechi de particule-antiparticule. Când 1 kg de antimaterie și 1 kg de materie interacționează, se vor elibera aproximativ 1,8 · 10 17 jouli de energie, ceea ce este echivalent cu energia eliberată într-o explozie de 42,96 megatone de TNT. Cel mai puternic dispozitiv nuclear a explodat vreodată pe planetă, Tsar Bomba: o masă de 26,5 tone, când a explodat, a eliberat energie echivalentă cu ~ 57-58,6 megatone. Limita Teller pentru armele termonucleare implică faptul că cel mai eficient randament energetic nu va depăși 6 kt/kg masa dispozitivului. Trebuie remarcat faptul că aproximativ 50% din energia în timpul anihilării unei perechi nucleon-antinucleon este eliberată sub formă de neutrini, care practic nu interacționează cu materia.

Există destul de multe raționamente cu privire la motivul pentru care partea observabilă a Universului constă aproape exclusiv din materie și dacă există alte locuri pline, dimpotrivă, aproape complet cu antimaterie; dar astăzi asimetria observată a materiei și antimateriei în Univers este una dintre cele mai mari probleme nerezolvate din fizică (vezi asimetria barionică a Universului). Se presupune că o asimetrie atât de puternică a apărut în primele fracțiuni de secundă după Big Bang.

Primirea

Primul obiect compus în întregime din antiparticule a fost anti-deuteronul sintetizat în 1965; apoi s-au obţinut antinuclee mai grele. În 1995, la CERN a fost sintetizat un atom de antihidrogen, format dintr-un pozitron și un antiproton. În ultimii ani, antihidrogenul a fost obținut în cantități semnificative și a început un studiu detaliat al proprietăților acestuia.

În 2013, au fost efectuate experimente pe o instalație pilot construită pe baza unei capcane cu vid ALPHA. Oamenii de știință au măsurat mișcarea moleculelor de antimaterie sub influența câmpului gravitațional al Pământului. Și deși rezultatele s-au dovedit a fi inexacte, iar măsurătorile au o semnificație statistică scăzută, fizicienii sunt mulțumiți de primele experimente privind măsurarea directă a gravitației antimateriei.

Preț

Antimateria este cunoscută drept cea mai scumpă substanță de pe Pământ – NASA a estimat în 2006 că produce un miligram de pozitroni la un cost estimat la 25 de milioane de dolari. Conform unei estimări din 1999, un gram de antihidrogen ar valora 62,5 trilioane de dolari. CERN din 2001 estimează că producția de o miliardime dintr-un gram de antimaterie (volumul folosit de CERN în ciocnirile particule-antiparticule pe parcursul a zece ani) era în valoare de câteva sute de milioane de franci elvețieni.

Vezi si

Scrieți o recenzie la articolul „Antimaterie”

Note (editare)

Legături

• - 2011
• Pakhlov, Pavel.... postnauka.ru (23.05.2014).
• Pakhlov, Pavel.... postnauka.ru (6.03.2014).

Literatură

• Vlasov N.A. Antimaterie. - M .: Atomizdat, 1966 .-- 184 p.
• Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Fizica nucleara. - M .: Nauka, 1972 .-- 670 p.

Extras din Antimaterie

În aceeași noapte, înclinându-se în fața ministrului de război, Bolkonsky s-a dus la armată, neștiind unde o va găsi și temându-se să nu fie interceptat de francezi în drum spre Krems.
În Brunn, întreaga populație a curții era înghesuită, iar poverile erau deja trimise la Olmütz. Lângă Etzelsdorf, prințul Andrei a mers cu mașina pe drumul pe care armata rusă se mișca cu cea mai mare grabă și în cea mai mare dezordine. Drumul era atât de aglomerat de căruțe, încât era imposibil să mergi într-o trăsură. Luând de la căpetenia cazacului un cal și un cazac, prințul Andrei, flămând și obosit, depășind căruțele, s-a dus să-l găsească pe comandantul șef și căruța lui. Cele mai de rău augur zvonuri despre poziția armatei au ajuns la el pe drum, iar vederea armatei dezorganizate alergătoare a confirmat aceste zvonuri.
"Cette armee russe que l" or de l "Angleterre a transporte, des extremites de l" univers, nous allons lui faire eprouver le meme sort (le sort de l "armee d" Ulm) ", [" This Russian army, which Aurul englez adus aici de la sfârșitul lumii, va avea aceeași soartă (soarta armatei din Ulm). ”] și-a amintit cuvintele ordinului lui Bonaparte către armată înainte de începerea campaniei, iar aceste cuvinte au stârnit în egală măsură și în i-a surprins eroul de geniu, un sentiment de mândrie ofensată și speranță de glorie. „Și dacă nu mai rămâne decât să moară? Se gândi. Ei bine, dacă este necesar! Nu o voi face mai rău decât alții”.
Prințul Andrei se uita cu dispreț la aceste echipe nesfârșite, amestecate, căruțe, parcuri, artilerie și iar căruțe, căruțe și căruțe de tot felul, depășindu-se una pe alta și în trei, în patru rânduri îndiguiau drumul noroios. Din toate părțile, înainte și înapoi, atâta timp cât se auzea urechea, se auzeau zgomote de roți, zgomot de cadavre, căruțe și trăsuri cu arme, călcarea în picioare, lovituri cu biciul, strigăte de împingere, blesteme de soldați, de ordine. și ofițeri. De-a lungul marginilor drumului, erau necontenit jupuiți și neîngrijiți cai căzuți, când căruțe sparte cu soldați singuri care așteptau ceva, când soldați care se despărțiseră din echipe, care se duceau în cete în satele vecine sau târau găini, berbeci, fân sau fân de la sate.saci plini cu ceva.
Pe urcări și coborâri, mulțimile s-au îngroșat și s-a auzit un geamăt continuu de țipete. Soldații, scufundați până la genunchi în noroi, au apucat pistoale și vagoane în brațe; biciul se batea, copitele alunecau, sforile izbucneau și țipetele le smulgeau din sâni. Ofițerii care se ocupau de mișcare, când înainte, când înapoi, mergeau între căruțe. Vocile lor erau ușor audibile în mijlocul zumzetului general și era evident din fețele lor că erau disperați de posibilitatea de a opri această tulburare. „Voila le cher [‘Iată o dragă] armată ortodoxă”, a gândit Bolkonsky, amintindu-și cuvintele lui Bilibin.
Vrând să-l întrebe pe unul dintre acești oameni unde era comandantul șef, a mers până la vagonul. Direct vizavi de el mergea o trăsură ciudată cu un singur cal, aparent aranjată cu mijloacele casnice ale soldaților, reprezentând mijlocul dintre o căruță, un decapotabil și un sidecar. Un soldat conducea în trăsură, iar o femeie stătea sub un blat de piele în spatele unui șorț, toate legate cu eșarfe. Prințul Andrew a condus și se îndreptase deja spre soldat cu o întrebare, când atenția i-a fost atrasă de strigătele disperate ale unei femei care stătea într-un căruță. Ofițerul care se ocupa de vagonul l-a bătut pe soldat, care stătea ca cocher în această vagonă, pentru că voia să-i ocolească pe ceilalți, iar biciul a căzut pe șorțul vagonului. Femeia țipă strident. Văzându-l pe prințul Andrei, s-a aplecat de sub șorț și, făcându-și mâinile subțiri care săriseră de sub șalul covorului, a strigat:
- Adjutant! Domnule adjutant!... Pentru numele lui Dumnezeu... ocrotiți... Ce va fi?... Eu sunt soția leac a celui de-al 7-lea Jaeger... nu au voie; am rămas în urmă, ne-am pierdut pe al nostru...
- O voi rupe într-o prăjitură, o împachetez! - a strigat ofițerul furios la soldat, - întoarce-te cu curva ta.
- Domnule adjutant, protejează-mă. Ce este asta? – a strigat medicul.
„Dacă vă rog să lăsați trăsura să treacă. Nu vezi că aceasta este o femeie? – spuse prințul Andrey, conducând până la ofițer.
Ofițerul i-a aruncat o privire și, fără să răspundă, s-a întors spre soldat: - O să-i ocolesc... Înapoi!...
„Dă-l mai departe, îți spun”, a repetat prințul Andrey, strângându-și buzele.
- Si cine esti tu? Ofițerul s-a întors brusc spre el cu o furie beată. - Cine ești tu? Tu (a apăsat mai ales pe tine) șeful, nu? Aici sunt eu șeful, nu tu. Tu, înapoi, - repetă el, - o voi sparge într-o prăjitură.
Se pare că ofițerului i-a plăcut această expresie.
- I-ai bărbierit important pe adjutant, - a auzit o voce din spate.
Prințul Andrew a văzut că ofițerul era în acea criză de beție de furie gratuită, în care oamenii nu-și aminteau ce spuneau. A văzut că mijlocirea lui pentru soția de leac în căruță era plină de ceea ce se temea cel mai mult în lume, ceea ce se numește ridicol [ridicol], dar instinctul lui spunea altfel. Înainte ca ofițerul să aibă timp să-și termine ultimele cuvinte, prințul Andrei, cu chipul desfigurat de furie, se apropie de el și ridică biciul:
- Din testamentele despre lasa-l!
Ofițerul a făcut semn cu mâna și a plecat în grabă.