Что такое антиматерия?

Материя - это совокупность вещества и полей. О существовании антигравитационного поля пока никто не слышал, то же самое касается и поля противоположного электромагнитному, поэтому дальнейший разговор поведем конкретно об антивеществе.

«Положительный электрон»

Стоило Томпсону открыть электрон, как в журнале "Nature" в 1898 году появилась статья английского физика Артура Шустера, который предположил, что существует частица тождественная электрону, но с положительным зарядом. Аргументация была очень простая - в природе положительные и отрицательные электрические заряды имеются в одинаковом количестве.

В 1925 году тоже британец Пол Дирак проанализировал свои уравнения, в которых пытался совместить теорию относительности с квантовой теорией. Анализ полученного им уравнения показал, что оно справедливо не только для ставшего привычным электрона, но и для частицы такой же массы с положительным зарядом. Поначалу Пол Дирак не решался сообщить о своих теоретических выводах, но потом все же заявил Граду и Миру, что у каждой частицы во Вселенной имеется зеркальная античастица. Наградой за открытие стала Нобелевская премия 1933 года.




В 1932 году ученик Милликена Карл Андерсон из США решил попробовать поймать след положительного электрона с помощью пузырьковой камеры Вильсона при изучении космических лучей. Следов электронов имелось много, причем они имели обычные данные. Но несколько следов, не отличаясь по другим характеристикам, отклонялись в магнитном поле в сторону противоположную электронам. Это и были характеристические отпечатки положительных электронов, или, как их стали называть, позитронов.




Поначалу считалось, что электроны и позитроны совпадают во всем, кроме электрического заряда. Однако дальнейшее изучение элементарных частиц показало, что они обладают такой интересной характеристикой как спин. Эта характеристика касается магнитных свойств частицы.

Обнаружение античастиц

Когда начали открываться все новые и новые частицы, ученые довольно быстро обнаруживали соответствующие им античастицы. С заряженными частицами все просто - их античастицы имеют такую же массу, но противоположный электрический заряд. Сложности возникли с частицами не имеющими электрического заряда. Для примера возьмем нейтрон - он электрически нейтрален, но имеет соответствующий антинейтрон, который также электрически нейтрален, но обладает противоположным спином. И все же есть частицы для которых античастицами являются они сами - это фотон (квант света) и бозон Хиггса.




Хотя атомов составленных из античастиц в свободном состоянии на Земле и не наблюдается, материалов, их излучающих довольно много. Так обычный банан содержит изотоп калия с атомной массой 40. Этот изотоп радиоактивен и подвержен бета-распаду, при котором выделяются позитроны.




Так что один банан излучает позитрон в среднем каждые 75 минут, ну и человек, съев банан, также начинает насыщать окружающее пространство положительными электронами.

Взаимодействие вещества и антивещества

Важнейшим фактором взаимодействия частицы с ее античастицей является их общая аннигиляция, при которой либо выделяются высокоэнергетичные фотоны, либо возможно появление иной пары частица-античастица. В любом случае, выделившаяся энергия описывается знаменитой формулой Альберта Эйнштейна:




Этот факт сразу вызывает недоуменный вопрос - если для каждой частицы есть античастица, то почему вся Вселенная за 13,7 миллиарда лет прошедших после Большого взрыва еще не аннигилировала?

Одним из вариантов ответа на этот вопрос является предположение, что кроме наблюдаемой нами части Вселенной, состоящей из вещества есть такая же часть из антивещества. Однако обнаружить эту часть Вселенной все не удается, а скорее ее попросту нет.




Другое предположение гласит, что во время формирования Вселенной имелся некий перекос - на миллиард пар частица-античастица образовывалась одна лишняя привычная нам частица. Но и это предположение пока недоказуемо.

Итак, даже банан может испускать античастицы, а вот существует ли настоящее антивещество? Стоит вспомнить, что простейшая единица вещества – атом, состоит из ядра (протоны и нейтроны) и движущихся по орбитам электронов. Следовательно, антивещество должно иметь ядро из антипротонов и антинейтронов, а по орбитам обязаны вращаться позитроны.

В свободном состоянии подобное антивещество пока не обнаружено, а вот искусственно его создать удалось. В 1965 году был создан антидейтерий, в 1970 антитритий. В 1974 году. На ускорителе города Серпухов создали искусственный антигелий.




Поскольку, при взаимодействии пары частица-античастица вся их масса превращается в энергию, то именно антивещество представляется самым удобным топливом для ракетных двигателей. Большой массы антивещества для полетов по Солнечной системе не требуется, а время полета сокращается очень сильно.

Главным минусом подобного топлива является его чрезвычайно высокая стоимость добычи - ее требуется снизить хотя бы в 10 000 раз. И все же работы в направлении удешевления производства антивещества ведутся.