Всесвіт повний дивних таємниць. Страхітливі чорні діри, парадокс "темної матерії", непередбачувані подвійні зірки. Однією з найвідоміших і інтригуючих загадок, безсумнівно, є антиречовину, що складається з "вивернула навиворіт" матерії. Відкриття даного феномена - одне з найбільш важливих досягнень фізики в минулому столітті.
До цього моменту вчені були впевнені, що елементарні частинки - Фундаментальні та незмінні цеглинки світобудови, які не народжуються заново і ніколи не зникають. Ця нудна і нехитра картина пішла в минуле, коли з'ясувалося, що заряджений негативно електрон і його двійник з антисвіту позитрон при зустрічі взаємно знищуються, породжуючи кванти енергії. А пізніше стало очевидним, що елементарні частинки взагалі люблять перетворюватися один в одного, причому найхимернішими способами. Відкриття антиречовини стало початком докорінної трансформації уявлень про властивості світобудови.
Антиматерія вже давно стала улюбленою темою наукової фантастики. Корабель "Ентерпрайз" з культового "Зоряного шляху" використовує для підкорення галактики двигун на антиречовину. У книзі Дена Брауна "Ангели і демони" головний герой рятує Рим від бомби, створеної на основі цієї субстанції. Підкоривши невичерпні обсяги енергії, яка виходить при взаємодії речовини з антиречовиною, людство знайде могутність, що перевершує прогнози найсміливіших фантастів. Декількох кілограмів антиматерії цілком достатньо для перетину Галактики.
Але до створення зброї і космічних апаратів ще дуже далеко. В даний час наука зайнята теоретичним обгрунтуванням існування антиматерії і дослідженням її властивостей, причому вчені використовують в своїх дослідах десятки, в крайньому випадку, сотні атомів. Час їх життя обчислюється частками секунд, а вартість експериментів - десятками мільйонів доларів. Фізики впевнені, що знання про антиречовину допоможуть нам краще зрозуміти еволюцію Всесвіту і події, що відбувалися в ній відразу після Великого вибуху.
Що таке антиречовину і які його властивості?
Антиречовину - це особливий вид матерії, що складається з античастинок. Вони мають тим же спіном і масу, що і звичайні протони й електрони, але відрізняються від них знаком електричного і колірного заряду, баріонним і лептонним квантовим числом. Говорячи простими словами, якщо атоми звичайної речовини складаються з позитивно зарядженого ядра і негативного електронів, то у антиречовини все навпаки.
При взаємодії матерії й антиматерії відбувається анігіляція з виділенням фотонів або інших частинок. Енергія, що отримується при цьому, величезна: одного грама антиречовини досить для вибуху потужністю в кілька кілотонн.
Відповідно до сучасних уявлень, речовина і антиречовину мають однакову структуру, тому що силове і електромагнітне взаємодії, що визначають її, діють абсолютно ідентично як на частинки, так і на їх "двійників".
Вважається, що антиматерія також може створювати гравітаційну силу, але остаточно цей факт ще не доведений. Теоретично гравітація повинна діяти на речовину і антиречовину однаково, але це ще належить з'ясувати експериментальним шляхом. Зараз над цим питанням працюють в проектах ALPHA, AEGIS і GBAR.
У наприкінці 2015 року за допомогою коллайдера RHIC ученим вдалося виміряти силу взаємодії між антипротонами. Виявилося, що вона дорівнює аналогічної характеристики протонів.
В даний час відомі "двійники" практично всіх існуючих елементарних частинок, крім так званих "істинно нейтральних", які при зарядовим сполученні переходять в самих себе. До цих частинок відносяться:
- фотон;
- бозон Хіггса;
- нейтральний пі-мезон;
- ця-мезон;
- гравитрон (поки не виявлений).
Антиматерія знаходиться набагато ближче, ніж ви думаєте. Джерелом антиречовини, правда, не дуже потужним, є звичайні банани. Вони містять ізотоп калій-40, який розпадається з утворенням позитрона. Це відбувається приблизно один раз в 75 хвилин. Даний елемент також входить до складу людського тіла, так що кожного з нас можна назвати генератором античастинок.
З історії питання
Вперше допустив думка про існування матерії "з іншим знаком" британський вчений Артур Шустер ще в кінці XIX століття. Його публікація на цю тему була досить туманною і не містила ніякої доказової бази, швидше за все, на гіпотезу вченого наштовхнуло недавнє відкриття електрона. Він же першим ввів в науковий обіг терміни "антиречовину" і "антіатом".
Експериментально антиелектрон був отриманий ще до свого офіційного відкриття. Це вдалося зробити радянському фізику Дмитру Скобельціну в 20-і роки минулого століття. Він отримав дивний ефект при дослідженні гамма-променів в камері Вільсона, але пояснити його так і не зміг. Тепер ми знаємо, що феномен був викликаний появою частки і античастинки - електрона і позитрона.
У 1930 році відомий британський фізик Поль Дірак, працюючи над релятивістським рівнянням руху для електрона, передбачив існування нової частинки з тією ж масою, але протилежним зарядом. У той час вчені знали тільки одну позитивну частку - протон, проте вона була в тисячі разів важче електрона, тому інтерпретувати дані, отримані Дираком, так і не змогли. Двома роками пізніше американець Андерсон виявив "двійника" електрона для дослідження випромінювання з космосу. Він отримав назву позитрон.
До середини минулого століття фізики встигли непогано вивчити цю античастицу, було розроблено кілька способів її отримання. У 50-ті роки вчені відкрили Антипротон і антинейтрон, в 1965 році було отримано антідейтрон, а в 1974 році радянським дослідникам вдалося синтезувати антиядра гелію і тритію.
У 60-е і 70-е роки античастинки в верхніх шарах атмосфери шукали за допомогою повітряних куль з науковою апаратурою. Цією групою керував нобелівський лауреат Луїс Альварец. Всього було "спіймано" близько 40 тис. Частинок, але жодна з них до антиматерії не мала ніякого відношення. У 2002 році аналогічними дослідженнями зайнялися американські і японські фізики. Вони запустили величезну повітряну кулю BESS (обсяг 1,1 млн м3) на висоту в 23 кілометри. Але і їм за 22 години експерименту не вдалося виявити навіть найпростіших античастинок. Пізніше аналогічні досліди були проведені у Антарктиді.
В середині 90-х європейських вченим вдалося отримати атом антиводню, що складається з двох частинок: позитрона і антипротона. В останні роки вдалося синтезувати значно більшу кількість цього елемента, що дозволило просунутися у вивченні його властивостей.
У 2005 році чутливий детектор антиречовини був встановлений на Міжнародній космічній станції (МКС).
Антиматерія в умовах космосу
Першовідкривач позитрона Поль Дірак вважав, що у Всесвіті існують цілі області, повністю складаються з антиречовини. Про це він говорив в своїй Нобелівської лекції. Але доки вченим не вдалося виявити нічого подібного.
Звичайно, в космосі присутні античастинки. Вони з'являються на світ завдяки багатьом високоенергетичним процесам: вибухів наднових зірок або горіння термоядерного палива, виникають в хмарах плазми навколо чорних дір або нейтронних зірок, народжуються при зіткненнях високоенергетичних частинок в міжзоряному просторі. Більш того, невелика кількість античастинок постійно "проливається" дощем на нашу планету. Розпад деяких радіонуклідів також супроводжується утворенням позитронів. Але все вищеперелічене - це тільки античастинки, але не антиречовину. До сих пір дослідникам не вдалося відшукати в космосі навіть антигелій, що вже говорити про більш важких елементах. Провалом завершилися і пошуки специфічного гамма-випромінювання, яке супроводжує процес анігіляції при зіткненні речовини і антиречовини.
Судячи з наявних на сьогодні даними, не існує антігалактік, антізвезд або інших великих об'єктів з антиречовини. І це дуже дивно: згідно теорії Великого вибуху, в момент зародження нашого Всесвіту з'явилося однакову кількість речовини і антиречовини, і куди поділося останнє - незрозуміло. В даний час є два пояснення цього феномена: або антиречовину зникло відразу після вибуху, або воно існує в якихось віддалених частинах світобудови, і ми його просто його ще не виявили. Така асиметрія - одна з найважливіших нерозгаданих завдань сучасної фізики.
Існує гіпотеза, що на ранніх етапах життя нашого Всесвіту кількість речовини і антиречовини майже збігалося: на кожні мільярд антипротонів і позитронів доводилося рівно стільки ж їх "візаві", плюс один "зайвий" протон і електрон. Згодом основна частина матерії і антиматерії зникла в процесі анігіляції, а з надлишку виникло все, що нас сьогодні оточує. Правда, не зовсім зрозуміло, звідки і чому з'явилися "зайві" частки.
Отримання антиречовини і труднощі цього процесу
У 1995 році вченим вдалося створити лише дев'ять атомів антиводню. Вони проіснували кілька десятків наносекунд, а потім аннигилировали. У 2002 році число частинок обчислювалася вже сотнями, а термін їх життя збільшився в кілька разів.
Античастинка, як правило, народжується разом зі своїм звичайним "двійником". Наприклад, для отримання позитрон-електронної пари необхідна взаємодія гамма-кванта з електричним полем атомного ядра.
Отримання антиматерії - вельми клопітка заняття. Цей процес відбувається в прискорювачах, а зберігаються античастинки в спеціальних накопичувальних кільцях в умовах високого вакууму. У 2010 році фізикам вперше вдалося зловити в спеціальну пастку "цілих" 38 атомів антиводню і утримати їх на протязі 172 мілісекунд. Для цього вченим довелося охолоджувати 30 тис. Антипротонів до температури нижче -70 ° C і два мільйони позитронів до -230 ° C.
На наступний рік дослідникам вдалося значно поліпшити результати: збільшити термін життя античастинок до цілої тисячі секунд. Надалі планується з'ясувати відсутність або наявність ефекту антигравітації для антиматерії.
Питання зберігання антиматерії - справжній головний біль для фізиків, адже антипротона і позитрони миттєво анігілюють при зустрічі з будь-якими частками звичайної речовини. Для їх утримання вченим довелося придумувати хитрі пристосування, здатні запобігати катастрофу. Заряджені античастинки зберігаються в так званій пастці Пеннінга, яка нагадує мініатюрний прискорювач. Її потужне магнітне і електричне поле не дає позитрон і антипротонів зіткнутися зі стінками приладу. Однак подібний пристрій не працює з нейтральними об'єктами, на зразок атома антиводню. Для цього випадку розробили пастка Іоффе. Утримання антиатомів в ній відбувається за рахунок магнітного поля.
Вартість антиречовини і його енергетична ефективність
З огляду на складність отримання і зберігання антиматерії, не дивно, що ціна її дуже висока. Згідно з розрахунками НАСА, в 2006 році один міліграм позитронів коштував приблизно 25 млн доларів. За більш ранніми даними, грам антиводню оценіваелся в 62 трлн дол. Приблизно такі ж цифри дають і європейські фізики з CERN.
Потенційно антиматерія - це ідеальне паливо, надефективні і екологічно чисте. Проблема в тому, що всієї антиматерії, створеній до сих пір людьми, ледь вистачить, щоб закип'ятити хоча б чашку кави.
Синтез одного грама антиречовини вимагає витрати 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії, що робить будь-який практичне застосування цієї субстанції просто абсурдним. Можливо, коли-небудь ми і будемо заправляти нею зорельоти, але для цього необхідно придумати більш прості і дешеві методи отримання і довготривалого зберігання.
Існуючі і перспективні способи застосування
В даний час антиречовину використовується в медицині, при проведенні позитронно-емісійної томографії. Цей метод дозволяє отримати зображення внутрішніх органів людини з високою роздільною здатністю. Радіоактивні ізотопи зразок калію-40 з'єднують з органічними речовинами типу глюкози і вводять в кровоносну систему пацієнта. Там вони випускають позитрони, які анігілюють при зустрічі з електронами нашого тіла. Гамма-випромінювання, отримане в ході цього процесу, формує зображення досліджуваного органу або тканини.
Антиречовину також вивчається в якості можливого засобу проти онкологічних хвороб.
Застосування антиматерії, безсумнівно, має величезні перспективи. Вона зможе привести до справжнього перевороту в енергетиці і дозволить людям досягти зірок. Улюбленим коником авторів фантастичних романів є зорельоти з так званими варп-двигунами, що дозволяють переміщатися з надсвітовою швидкістю. Сьогодні існує кілька математичних моделей подібних установок, і більшість з них використовують в роботі антиречовину.
Є і більш реалістичні пропозиції без сверхсветових польотів і гіперпростору. Наприклад, пропонується вкидати в хмару антипротонів капсулу з урану-238 з перебувають всередині дейтерієм і гелієм-3. Розробники проекту вважають, що взаємодія даних складових приведе до початку термоядерної реакції, продукти якої, будучи спрямованими магнітним полем в сопло двигуна, забезпечать кораблю значну тягу.
Для польотів на Марс за один місяць американські інженери пропонують використовувати ядерну розподіл, що ініціюється антипротонами. За їхніми підрахунками, для подібного подорожі необхідно всього лише 140 нанограммов цих частинок.
З огляду на значну кількість енергії, що виділяється при анігіляції антиречовини, ця субстанція - прекрасний кандидат для начинки бомб та інших вибухонебезпечних предметів. Навіть невеликої кількості антиречовини досить для створення боєприпасу, порівнянного за потужністю з ядерної бомбою. Але поки про це передчасно турбуватися, бо дана технологія знаходиться на самому ранньому етапі свого розвитку. Навряд чи подібні проекти зможуть здійснитися в найближчі десятиліття.
Поки ж антиречовину - в першу чергу, предмет вивчення теоретичної науки, який дуже багато може розповісти про пристрій нашого світу. Такий стан речей навряд чи зміниться поки ми не навчимося отримувати його в промислових масштабах і надійно зберігати. Тільки тоді можна буде говорити про практичне використання цій субстанції.
