Антивещество
Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за её пределамиШаблон:Sfn).
Ядра атомов антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитроновШаблон:Sfn.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.
В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скопленийШаблон:Прояснить антивещества не обнаруженоШаблон:Sfn, однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной); предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.
Получение
В 1965 году группа под руководством Л. Ледермана наблюдалаШаблон:Где события образования ядер антидейтерияШаблон:Sfn. В 1970 году группа учёных под руководством Ю. Д. Прокошкина из Института физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрировала несколько событий образования ядерШаблон:Sfn.
В 1970—1974 группой под руководством Ю. Д. Прокошкина на ускорителе в Протвино были получены и более тяжелые антиядра — трития (изотоп водорода)<ref>Б. С. Ишханов, Кэбин Э. И.Физика ядра и частиц, XX век — гл. «Античастицы» Шаблон:Wayback // Ядерная физика в Интернете</ref>, гелия (антигелий-3)Шаблон:Sfn.
В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводородаШаблон:Sfn, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествахШаблон:Каких и было начато детальное изучение его свойств.
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 (−73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40К (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды<ref>«Физики впервые поймали в ловушку атомы антивещества.» Шаблон:Wayback: Лента.Ру, 18.11.2010, 12:45:23.</ref>.
В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации<ref>«Antihydrogen Trapped For 1000 Seconds» Шаблон:Wayback: The Physics arXiv Blog, 02.05.2011</ref>.
Стоимость
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США<ref>Шаблон:Cite web</ref>. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов<ref>Шаблон:Cite web</ref>. По оценке CERN 2001 года, производство нанограмма (миллиардной доли грамма) антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
Свойства
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 веществаШаблон:Sfn.
Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях)Шаблон:Sfn.
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляцияШаблон:Sfn, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка Шаблон:Nobr энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтриноШаблон:Нет АИ, 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-квантовШаблон:Sfn. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-квантыШаблон:Sfn.
При взаимодействии Шаблон:Nobr антивещества и Шаблон:Nobr вещества выделится <math>E = m c^2 = 2 \cdot (3\cdot 10^8)^2 \approx 1{,}8 \cdot 10^{17}~</math> джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила и значительно больше энергии, чем при термоядерной реакции образования гелия из более лёгких ядер. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса Шаблон:Nobr 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 устройстваШаблон:Нет АИ.
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 надёжность, физики были удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитационного взаимодействия антиматерии.
В ноябре 2015 года международная группа физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом отношении неотличимыми от обычных протонов<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
В 2016 году учёным коллаборации Шаблон:Нп5 впервые удалось получить оптический спектр атома антиводорода, при этом отличий спектров антиводорода и водорода не обнаружено<ref>Специалисты ЦЕРН впервые измерили оптический спектр антиматерии Шаблон:Wayback // РИА, 19.12.2016</ref><ref>Учёные впервые получили спектр антиматерии Шаблон:Wayback // 20.12.2016</ref>.
Также проводятся наблюдения для обнаружения массивных скоплений антивещества во Вселенной, таких как антизвезды, но наблюдаемых свидетельств их существования не было обнаружено<ref name="NJ052017">Зураб Силагадзе Увидеть антизвезду Шаблон:Wayback // Наука и жизнь. — 2017. — № 5.</ref>.
В 2023 году учёным коллаборации Шаблон:Нп5 удалось экспериментально доказать, что антигравитации не существует, или если точнее, что гравитация оказывает на антиматерию влияние в том же направлении, что и на обычную материю, то есть притягивает её, а не отталкивает<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
В поп-культуре
- По сюжету книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» из ЦЕРНа был украден большой образец антивещества, при помощи которого представители тайного ордена Иллюминатов хотели взорвать город-государство Ватикан<ref name="CERN-FAQ">Шаблон:Cite web</ref>.
См. также
- Антимир
- Материя (физика)
- Нерешённые проблемы современной физики
- Antiproton Decelerator
- Аннигиляционное оружие
Примечания
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:БРЭ
- Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. Шаблон:М., 1975.