Тайны антиматерии: от фантастики - к реальности

Среда, 25 Январь 2017 10:53
Загадочная антиматерия... Загадочная антиматерия...

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, имеется много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже, возможно, знали. Давайте проверим...

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

1.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва
Интересные факты об антиматерии
Согласно теории, Большой Взрыв породил материю и антиматерию в равных количествах. Когда они встречаются, происходит взаимное уничтожение, аннигиляция, и остается только чистая энергия. Исходя из этого, мы не должны существовать.
Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

2.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете
Интересные факты об антиматерии
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.

3.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии
Интересные факты об антиматерии
Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Впрочем, люди произвели не так много антиматерии, поэтому бояться нечего.
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.

4.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии
Интересные факты об антиматерии
Для изучения антиматерии вам нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые нашли несколько способов это осуществить.
Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

5.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)
Интересные факты об антиматерии
Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются в свойствах вроде электрического заряда и спина. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна одинаково воздействовать на материю и антиматерию, однако это еще предстоит выяснить наверняка. Эксперименты вроде AEGIS, ALPHA и GBAR работают над этим.
Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

6.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц
Интересные факты об антиматерии
Вы слышали об ускорителях частиц, а о замедлителях частиц слышали? В CERN находится машина под названием Antiproton Decelerator, в кольце которого улавливаются и замедляются антипротоны для изучения их свойств и поведения.
В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

7.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами
Интересные факты об антиматерии
Частица материи и ее антиматериальный партнер переносят противоположные заряды, что позволяет легко их различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с материей, не имеют заряда. Ученые считают, что они могут быть майорановскими частицами, гипотетическим классом частиц, которые являются своими собственными античастицами.
Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

8.

Антиматерия используется в медицине
Интересные факты об антиматерии
PET, ПЭТ (позитронно-эмиссионная топография) использует позитроны для получения изображений тела в высоком разрешении. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (вроде тех, что мы нашли в бананах) крепятся к химическим веществам вроде глюкозы, которая присутствует в теле. Они вводятся в кровоток, где распадаются естественным путем, испуская позитроны. Те, в свою очередь, встречаются с электронами тела и аннигилируют. Аннигиляция производит гамма-лучи, которые используются для построения изображения.
Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань. Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.

9.

Антиматерия может скрываться в космосе
Интересные факты об антиматерии
Один из путей, которым ученые пытаются разрешить проблему асимметрии материи-антиматерии, является поиск антиматерии, оставшейся после Большого Взрыва.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

10.

Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе
Интересные факты об антиматерии
Совсем немного антиматерии может произвести огромное количество энергии, что делает ее популярным топливом для футуристических кораблей в научной фантастике.
Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

Прочитано 291 раз

...

Похожие материалы (по тегу)

  • Тайны мира: нереализованные изобретения. ТОП-10

    Изобретатели и творцы были на этой планете испокон веков. С тех самых пор, когда кто-то понял, как использовать огонь, изобретения постоянно делали нашу жизнь проще и удобнее. Взять тот же телефон, который позволяет взять с собой человечество в любую точку шара. И все же далеко не все изобретения, которые могли перевернуть мир, стали известны широким массам. Перед вами десять изобретений, меняющих жизнь, которых мы, вероятнее всего, никогда не увидим...

  • Тайны космоса: удивительная и загадочная Солнечная система...

    Даже если мы уже рассказывали вам о тайнах нашей Солнечной системы здесь, здесь и здесь, им несть числа, и мы возвращаемся, взяв в охапку еще больше загадочных достопримечательностей и особенностей, которые сбивают с толку наших ученых. Порой они даже разжигают теории заговора, и это еще больше подливает масла в огонь...

  • Тайны мира: странные пирамиды древнего Рима

    Перед вами - пирамида Цестия, расположенная в центре Рима, рядом с воротами Сан-Паоло. Официальная история гласит, что построена она между 18 и 12 годами до нашей эры для магистрата Гая Цестия Эпулона. Высота пирамиды около 36 метров, длина основания - около 30 метров. Внутри нее находится склеп, причем по легендам, в нем был захоронен Рем,один из основателей Рима. Любопытно, что по тем же легендам, его брат Ромул был похоронен в другой аналогичной пирамиде, которая находилась в Ватикане и была разрушена в XVI веке...

  • Тайны мира: развалины загадочного храма в Сингапуре

    Храм находится в лесах парка Мак-Ритчи (MacRitchie) в Сингапуре. По официальной версии считается, что храм был построен японской императорской армии во время японской оккупации Сингапура во Второй мировой войне в период 1942-1943гг. При строительстве было задействовано более чем 20 000 австралийских и британских военнопленных.

  • Ученые раскрыли генетические тайны египетских мумий

    Палеогенетики впервые полностью восстановили и расшифровали ДНК почти ста древнеегипетских мумий, живших в разные исторические эпохи начиная с Среднего царства и заканчивая временами владычества Рима."То, что ДНК может дожить до наших дней в таких условиях, всегда вызывало скептицизм у нас. Жаркий климат Египта, высокий уровень влажности во многих гробницах и химикаты, которые использовались для мумификации – все это способствует разрушению ДНК и делает шансы на сохранение ее обрывков минимальными", — рассказывает Йоханнес Краузе, известный палеогенетик из университета Тюбингена (Германия).