Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим?

Получение антивещества и трудности этого процесса

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

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

Для получения антиматерии нужны сложнейшие устройства

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

Почему во Вселенной нет антиматерии?

Подумайте об этих двух противоречивых, на первый взгляд, фактах:

1. Каждое взаимодействие между частицами, которое мы когда-либо наблюдали при любых энергиях, никогда не создавало и не разрушало одну частицу материи, не создавая при этим и не уничтожая равное количество частиц аниматерии. Физическая симметрия между материей и антиматерией очень строгая, ведь:

• каждый раз, когда мы создаем кварк или лептон, мы также создаем антикварк и антилептон;
• каждый раз, когда кварк или лептон уничтожается, антикварк или антилептон также уничтожается;
• созданные или уничтоженные лептоны и антилептоны должны быть в балансе по всей семье летпонов и каждый раз, когда кварк или лептон взаимодействуют, сталкиваются или распадаются, общее число кварков и лептонов в конце реакции (кварки минус антикварки, лептоны минус антилептоны) должно быть и будет таким же, каким было в начале.

Единственный способ изменить количество материи во Вселенной подразумевал также изменение количества антиматерии на такую же величину.

И все же, есть второй факт.

1. Когда мы смотрим на Вселенную, на все звезды, галактики, газовые облака, скопления, сверхскопления и крупномасштабные структуры, кажется, будто все это состоит из материи, а не антиматерии. Везде и всюду, где антиматерия и материя встречаются во Вселенной, происходит фантастический выброс энергии из-за аннигиляции частиц.

Но мы не видим никаких признаков уничтожения вещества антивеществом в самых больших масштабов. Мы не видим никаких признаков того, что некоторые из звезд, галактик или планет, которые мы наблюдаем, сделаны из антивещества. Мы не видим характерных гамма-лучей, которые следовало бы ожидать увидеть, если бы антиматерия сталкивалась с материей и аннигилировала. Вместо этого всюду мы видим только материю, куда ни посмотри.

И это кажется невозможным. С одной стороны, нет никакого известного способа сделать больше вещества, чем антивещества, если обращаться к частицам и их взаимодействию во Вселенной. С другой стороны, все, что мы видим, определенно состоит из вещества, а не антивещества.

На самом деле, мы наблюдали аннигиляцию материи и антиматерии в некоторых экстремальных астрофизических условиях, но только возле гиперэнергетических источников, которые производят вещество и антивещество в равных количествах — черные дыры, например. Когда антивещество сталкивается с веществом во Вселенной, оно производит гамма-лучи очень специфических частот, которые можем затем обнаружить. Межзвездная межгалактическая среда полна материала, и полное отсутствие этих гамма-лучей является сильным сигналом о том, что никогда больше нет большого количества частиц антиматерии, поскольку тогда сигнатура материи-антиматерии была бы обнаружена.

Если вы бросите одну частичку антиматерии в нашу галактику, она просуществует порядка 300 лет, прежде чем будет уничтожена частицей материи. Это ограничение говорит нам, что в Млечном Пути количество антиматерии не может превышать значение 1 частицы на квадриллион (1015), относительно общего количества материи.

Темная метерия и темная энергия в сравнении с остальным.

На крупных масштабах — масштабах спутниковых галактик, больших галактик размера Млечного Пути и даже скоплений галактик — ограничения менее строгие, но все же очень сильные. Наблюдая расстояния от нескольких миллионов световых лет до трех миллиардов световых лет, мы наблюдали недостаток рентгеновских и гамма-лучей, которые могли бы указывать на аннигиляцию материи и антиматерии. Даже в больших космологических масштабах 99,999% того, что существует в нашей Вселенной, определенно будет представлено материей (как мы), а не антиматерией.

Почему происходит аннигиляция при контакте с веществом?

Описание танка:

Как светит солнце?

Древние мыслители думали, что поверхность солнца постоянно горит, и поэтому излучает свет и тепло. Однако это не так. Во-первых, причина излучения тепла и света находится намного глубже поверхности звезды, а именно в ядре. Ну и во-вторых, процессы происходящие в недрах звезд вовсе не похожи на горение.

Солнце содержит огромное количество атомов водорода.

Суть термоядерной реакции

Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга, что предотвращает встречу одного из протонов друг с другом.

Но ядро Солнца сильно разогрето и находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией, которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру, и электроны начинают отделяться от своих протонов.

Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга и объединяются в ядра других элементов.

То есть с научной точки зрения, — это реакция, при которой более легкие атомные ядра — обычно изотопы водорода (дейтерий и тритий) сливаются в более тяжелые ядра — гелия.

Данный процесс, происходящий в недрах звезд, называется термоядерный синтез.

Термоядерная реакция

Это процесс перехода материи в энергию, причем из минимального количества материи высвобождается невероятное количество энергии — каждую секунду Солнце излучает 3,828⋅1026 Вт мощности.

Чтобы произошла термоядерная реакция необходима невероятно высокая температура — несколько миллионов градусов.

Как можно было догадаться солнце не вечно, оно со временем «спалит само себя». Ученые считают, что в нем еще хватит материи приблизительно на 4-6 миллиардов лет, т.е. где-то на столько же, сколько оно уже просуществовало.

Базы и места дислокации ВМФ России

В состав ВМФ России входят четыре флота, одна флотилия и одна зарубежная база. Фактически базы флотов расположены по всей береговой территории Российской Федерации и готовы к защите берегов России.

Северный флот

Штаб Северного флота расположен в городе Североморск.

Пункты базирования флота:

• Североморск;
• Гремиха;
• Гаджиево;
• Видяево;
• Западная Лица (Заозёрск);
• Полярный;
• Оленья Губа.

Военно-морские базы Северного флота (ВМБ):

Беломорская военно-морская база г. Северодвинск.

Тихоокеанский флот

Штаб Тихоокеанского флота расположен в городе Владивосток.

Пункты базирования флота:

• Владивосток;
• Фокино;
• Дунай;
• Советская Гавань;
• Вилючинск — Камчатский край.

Черноморский флот

Штаб Черноморского флота расположен в городе Севастополь.

Пункты базирования флота:

• Севастополь;
• Новороссийск.

Военно-морские базы (ВМБ):

• Новороссийская военно-морская база;
• Крымская военно-морская база.

Для выполнения поставленных задач Черноморский флот имеет в своем составе дизельные подводные лодки, надводные корабли для действий в океанской и ближней морской зонах, морскую ракетоносную, противолодочную и истребительную авиацию, части береговых войск.

Балтийский флот

Штаб Балтийского флота расположен в городе Калининград.

Пункты базирования флота:

• Балтийск (Калининградская область);
• Кронштадт (Санкт-Петербург).

Военно-морские базы (ВМБ):

• Балтийская военно-морская база;
• Ленинградская военно-морская база.

Каспийская флотилия

Штаб Каспийской флотилии расположен в городе Астрахань.

Пункты базирования флотилии:

• Астрахань;
• Махачкала;
• Каспийск.

Зарубежные

В настоящий момент Россия располагает одним военно-морским пунктом за рубежом:

720-й пункт материально-технического обеспечения ВМФ России (ПМТО) в г. Тартус (Сирия) на Средиземном море.

Как получить антиматерю?

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. В лабораторных условиях этого добиваются на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около чёрных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества. Выше мы говорили, что антивещество не образуется в природе – так оно и есть. Антивещество должно состоять из античастиц, но они не объединяются в него, то есть мы не видим, например, антизвёзд или антипланет.

Для примера возьмём атом водорода, который является простейшим веществом, состоящим из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Звучит довольно просто, вот только синтезировать антиводород – крайне сложная задача. Впервые целых 9 атомов такого антивещества физикам удалось создать в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе. Правда просуществовали они до распада всего 40 наносекунд.

Работа продолжалась и специалистами была придумана и создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода, что по массе около 10^-18 грамм. Это самый настоящий успех.

Цена антиматерии — стоимость создания антивещества

Согласно расчётам NASA, создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около $25 миллионов, а 1 г антиводорода оценивается в $62,5 триллиона.

За 10 лет в экспериментах ЦЕРНа использован один нанограмм антивещества и его стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов. Не стоит пугаться таким суммам, ведь, например, компьютер в семидесятые годы прошлого столетия, когда запускали «Вояджеры», эквивалентный по мощности современному мобильнику, стоил несколько десятков миллионов долларов.

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.

Антиматерия рядом с нами

Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы.

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.

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.

Концепция более чем 40 лет…

Как ни парадоксально, такое же футуристическое и революционное оружие, как и это кажется, военное значение антиматерии, при условии, что его можно произвести, как старая как научная фантастика, которая об этом говорит.

Например, это вполне возможно, что у Эдвард Теллера, отца американской Водородной бомбы, уже были идеи возможного военного применения, когда он опубликовал в 1947 году с Энрико Ферми, статьи Захват отрицательных частиц тяжелее электронов по веществам .

Это так же, как важно отметить, что с 1945 года около половины несекретных публикаций и многочисленных статей, опубликованных Андреем Сахаровым, (отец советской водородной бомбы), были с антиматерией. На самом деле, в 1950 году, за два года до взрыва H-бомбы, воспламенение антиматерией смеси дейтерия и тритий уже изучалось. Однако, как показано например в статье А

С. Вайтмана  (изучение конкретно проблемы захвата антипротонов дейтерий и тритий), или в статье J. В дальнейшем  т. Ауэрбах и Р. Маршака (расчет результата взаимодействия между антипротоном и ядром обычной материи), основной проблемой в то время было что не было никаких экспериментальных данных, по которым можно было бы точное предсказание того, что произойдет, например, когда Протон соединится с антипротоном

Однако, как показано например в статье А. С. Вайтмана  (изучение конкретно проблемы захвата антипротонов дейтерий и тритий), или в статье J. В дальнейшем  т. Ауэрбах и Р. Маршака (расчет результата взаимодействия между антипротоном и ядром обычной материи), основной проблемой в то время было что не было никаких экспериментальных данных, по которым можно было бы точное предсказание того, что произойдет, например, когда Протон соединится с антипротоном.

Тем не менее, хорошо обоснованные теоретические аргументы уже позволили хорошее понимание двух существенных характеристик так называемой реакции аннигиляции. Реакция, в которой массы частицы и ее античастицы полностью трансформируются в энергию. Эти две характеристики по-прежнему актуальны сегодня и полностью оправдывают интерес к антивеществу.

Во-первых, это то, что выпуск можно использовать энергию на единицу массы больше в аннигиляции, чем в любой другой ядерной реакции. Один Протон-антипротон аннигиляции дает 300 раз больше энергии, чем реакция деления или синтеза.

Второй, это что когда антиматерия размещена в близи материи, уничтожение начинается само по себе, без необходимости критической массы как при делении, так и без воспламенения энергии, необходимой при плавлении. Антиматерия оружиеКороче говоря, это идеальный ядерный триггер, при условии, что присутствует наличие достаточного количества антиматерии.

Таким образом проблема воспламенения H-бомбы была разрешена, и существование антипротона оставалось лишь теоретически до 1955 года. 

Производство первых антипротонов

Читать дальше. Продолжение

Gsponer Andre и Жан-Пьер Hurni УНИВЕРСИТЕТ ЖЕНЕВЫ UNIGE Антиматерия оружие

Лаборатория Честной физики: Мировой Эфир, теория Эфира, Гравитация, антигравитация, Менделеев мировой Эфир, Эфир Тесла

Антиматерия

Рубрики Все статьи,Физика, автор Админ — Янв 10, 2012

Антиматерия – это материя, состоящая из античастиц, то есть частиц  с точно такими же, но обратными по значению электрическими и магнитными свойствами тех частиц, противоположностями которых они являются. Каждая частица обладает своей зеркальной копией – античастицей. Античастицы протона, нейтрона и электрона называются антипротоном, антинейтроном и позитроном, соответственно. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более меньших частиц, называемых кварками. Антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков.

Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во Вселенной могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения.

Большинство астрономов, все же сходятся во мнении, что антивещества все-таки не так уж и много или вообще нет в природе, иначе, как они рассуждают, во Вселенной было бы много мест где обычная материя и антиматерия сталкиваются друг с другом, что сопровождалось бы мощным потоком гамма-лучей, вызванных их аннигиляцией. Аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц материи и антиматерии, сопровождающееся выделением энергии. Однако такие регионы не были найдены.

Одна из возможных гипотез возникновения антиматерии связана с теорией большого взрыва. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла в результате взрыва и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме.

Из-за отсутствия возможности изучить свойства антиматерии в природе, ученые прибегают к искусственным способам образования антивещества. Для его получения используют специальные научные прибору – ускорители частиц, в которых атомы материи разгоняются до около световой скорости (300 000 км/сек). Сталкиваясь, некоторые частицы разрушаются, в результате чего образуются античастицы, из которых можно получить антиматерию. Сложной проблемой является хранение антивещества, так как, соприкоснувшись с обычной материей, антивещество уничтожается. Для этого полученные крупицы антиматерии помещают в вакуум и в магнитное поле, которое удерживает их в подвешенном состоянии и не дает прикоснуться к стенкам хранилища.

Не смотря на всю сложность получения и исследования антивещества, оно может предоставлять для нашей жизни множество преимуществ. Все они основаны на то факте, что при взаимодействии антиматерии с материей выделяется огромное количество энергии. Причем отношение высвобождаемой энергии к массе участвующего вещества не превзойдена ни одним видом топлива или взрывчатого вещества. В результате аннигиляции нет никаких побочных продуктов, только чистая энергия. Поэтому ученые уже сейчас мечтают об ее применении. Например, об электростанциях на антиматерии с нескончаемым ресурсом. Космические корабли с анигиляторными двигателями смогут пролетать тысячи световых лет на около световой скорости. Военным это даст возможность создать огромную по мощности бомбу, гораздо более разрушительную, чем атомная или водородная бомба. Однако всем этим мечтам не суждено осуществится, пока мы не сможем получать недорогое антивещество в промышленных масштабах.

Теги: анигиляция, антивещество, антиматерия, антинейтрон, антипротон, позитрон, энергия

Янв1

В чем сходство и различие вещества и антивещества

Антивещество – вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В противоположность этому, в “обычном” веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами.

Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже по сути вещество. Просто другое, можно сказать – разновидность вещества. Во всем остальном, оно обладает те ми же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Вещество и антивещество во вселенной – противоположности куда большие, чем огонь и вода.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.

Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

Свойства

Структура Атома Антигелия

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях).

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино[источник не указан 2722 дня], которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов — к образованию γ-квантов. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты.

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства.

В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.

В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной.

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.