Universum är fullt av fantastiska hemligheter. Skrämmande svarta hål, paradoxen "mörk materia", oförutsägbara dubbla stjärnor. En av de mest kända och spännande pusselarna är givetvis antimateria, som består av "inifrån och ut" -fråga. Upptäckten av detta fenomen är en av de viktigaste prestationerna i fysiken under det senaste århundradet.
Fram till den här tiden var forskare övertygade om att elementära partiklar är de grundläggande och oföränderliga byggstenarna i universum, som inte är födda igen och aldrig försvinner. Denna tråkiga och okomplicerade bilden är en sak från det förflutna när det visade sig att den negativt laddade elektronen och dess motsvarighet från anti-världens positron förstörs ömsesidigt, vilket ger upphov till energikvanta. Och senare blev det uppenbart att elementära partiklar i allmänhet gillar att omvandlas till varandra och på de mest bisarra sätten. Upptäckten av antimateria var början på en radikal omvandling av idéer om universums egenskaper.
Antimaterier har länge varit ett favoritämne för science fiction. Enterprise-fartyget från Star Trek-kulten använder en antimatormotor för att erövra galaxen. I Dan Browns bok Angels and Demons sparar huvudpersonen Rom från en bomb som skapats på grundval av detta ämne. Subjugating de outtömliga mängderna av energi, som erhålls genom samspelet mellan materia och antimateriel, kommer mänskligheten att få makt, överlägsen prediktionerna för de mest våldsamma science fiction-författarna. Ett fåtal kilo antimateria är tillräckligt för att passera galaxen.
Men innan skapandet av vapen och rymdfarkoster är fortfarande väldigt långt borta. För närvarande är vetenskapen engagerad i den teoretiska underbyggnaden av förekomsten av antimatter och studier av dess egenskaper, och forskare använder dussintals, i extrema fall, hundratals atomer i sina experiment. Tiden av deras liv beräknas i fraktioner av sekunder, och kostnaden för experiment är tiotals miljoner dollar. Fysiker tror att kunskap om antimateriel kommer att hjälpa oss att bättre förstå universums evolution och de händelser som ägde rum i det direkt efter Big Bang.
Vad är antimateriel och vad är dess egenskaper?
Antimatter är en speciell typ av materia som består av antipartiklar. De har samma spin och massa som vanliga protoner och elektroner, men skiljer sig från dem med tecknet på el- och färgladdningen, baryon och leptonkvantumtalet. Enkelt uttryckt, om atomer av vanligt material består av positivt laddade kärnor och negativa elektroner, är antimateriet motsatt.
Vid växelverkan av materia och antimaterier uppträder annihilation med frisättning av fotoner eller andra partiklar. Den energi som mottas samtidigt är enorm: ett gram antimateri är tillräckligt för en explosion av flera kiloton.
Enligt moderna begrepp har materia och antimateriel samma struktur, eftersom de kraft- och elektromagnetiska interaktioner som bestämmer den verkar helt identiskt både på partiklarna och på deras "tvillingar".
Det antas att antimateriel också kan skapa en gravitationskraft, men detta faktum har ännu inte visat sig definitivt. Teoretiskt sett bör gravitationen agera på materia och antimateriel på samma sätt, men detta har ännu inte bestämts experimentellt. Nu jobbar de med den här frågan i ALPHA-, AEGIS- och GBAR-projekten.
I slutet av 2015, med hjälp av RHIC-colliderna, kunde forskare mäta kraften av interaktion mellan antiprotoner. Det visade sig att det är lika med protonens liknande egenskaper.
För närvarande är "tvillingarna" av nästan alla befintliga elementära partiklar kända, förutom de så kallade "verkligt neutrala" som, under laddningskonjugation, blir till sig själva. Dessa partiklar innefattar:
- fotonen;
- Higgs boson;
- neutral pi meson;
- denna meson;
- gravitron (ännu inte upptäckt).
Antimateriet är mycket närmare än du tror. Antimatorkällan, dock inte för kraftfull, är vanliga bananer. De innehåller isotopen kalium-40, som försvinner för att bilda en positron. Detta händer ungefär en gång var 75: e minut. Detta element är också en del av människokroppen, så att vart och ett av oss kan kallas en generator av antipartiklar.
Från bakgrunden
För första gången erkände den brittiska forskaren Arthur Schuster idén om förekomsten av materia "med ett annat tecken" i slutet av 1800-talet. Hans publikation om detta ämne var ganska vag och innehöll inga bevis, sannolikt var forskarens hypotes uppmanad av den nyligen upptäckta elektronen. Han var den första som introducerade termerna "antimatter" och "antiatom" till vetenskaplig användning.
Experimentellt erhölls anti-elektronen före dess officiella upptäckt. Detta gjordes av den sovjetiska fysikern Dmitry Skobeltsinu i 20-talet av förra seklet. Han fick en märklig effekt när han granska gammastrålar i Wilsons kammare, men han kunde inte förklara det. Nu vet vi att fenomenet orsakades av utseendet av en partikel och en antipartikel - en elektron och en positron.
År 1930 förutspådde den berömde brittiska fysikern Paul Dirac, som arbetar med den relativistiska ekvationen för rörelse för en elektron, förekomsten av en ny partikel med samma massa, men en motsatt laddning. Vid den tiden visste forskare bara en positiv partikel - en proton, men det var tusentals gånger tyngre än en elektron, så att de inte kunde tolka de data som Dirac fick. Två år senare upptäckte amerikanska Anderson "tvilling" av en elektron i studien av strålning från rymden. Han kallade positron.
I mitten av förra seklet hade fysikerna en bra tid att studera denna antipartikel, flera sätt för dess förberedelse utvecklades. På 1950-talet upptäckte forskare en antiproton och en anti-neutron, 1965 erhölls en anti-deuteron, och 1974 lyckades sovjetiska forskare syntetisera en anti-kärna av helium och tritium.
På 60-talet och 70-talet söktes antipartiklar i den övre atmosfären med ballonger med vetenskaplig utrustning. Denna grupp leddes av nobelpristagaren Luis Alvarets. Totalt var omkring 40 tusen partiklar "fångade", men ingen av dem hade någonting att göra med antimateriel. År 2002 tog amerikanska och japanska fysiker liknande forskning. De lanserade en stor BESS-ballong (volymen 1,1 miljoner m3) till en höjd av 23 kilometer. Men även under de 22 timmarna av experimentet lyckades de inte upptäcka även de enklaste antipartiklarna. Senare liknande experiment utfördes i Antarktis.
I mitten av 90-talet lyckades europeiska forskare få en antihydrogenatom bestående av två partiklar: en positron och ett antiproton. Under senare år var det möjligt att syntetisera en mycket större mängd av detta element, vilket gjorde det möjligt att avancera i studien av dess egenskaper.
År 2005 installerades en känslig antimatterdetektor på International Space Station (ISS).
Antimaterier i rymden
Upptäckten av positron Paul Dirac trodde att i universum finns hela områden som helt och hållet består av antimateriel. Han talade om detta i hans Nobelföreläsning. Men hittills har forskare inte kunnat hitta något liknande.
Naturligtvis finns anti-partiklar närvarande i rymden. De är födda på grund av många processer med hög energi: supernovaxplosioner eller bränning av termonukleärt bränsle, förekommer i plasmaskyer kring svarta hål eller neutronstjärnor, födda i kollisioner av högenergipartiklar i interstellärt utrymme. Dessutom är en liten mängd antipartiklar ständigt "kasta" av regn på vår planet. Förfall av vissa radionuklider åtföljs också av bildandet av positroner. Men alla ovanstående är bara antipartiklar, men inte antimaterier. Hittills har forskare inte kunnat finna jämn anti-helium i rymden, vad man ska tala om tungare element. Misslyckandet med sökandet efter specifik gammastrålning, som åtföljer annihilationsprocessen vid kollision av materia och antimateriel.
Bedömning av de uppgifter som finns tillgängliga idag finns inga antigalaxier, anti-stjärnor eller andra stora antimaterieobjekt. Och det här är väldigt konstigt: enligt Big Bang-teorin, vid tiden för vårt universums födelse, såg samma mängd materia och antimaterium ut, och var den sista gick oklart. För närvarande finns det två förklaringar för detta fenomen: Antimatermen försvann omedelbart efter explosionen, eller det finns i vissa avlägsna delar av universum, och vi har helt enkelt inte upptäckt det än. Sådan asymmetri är en av de viktigaste olösliga problemen med modern fysik.
Det finns en hypotes att i början av vårt universums liv sammanföll mängden materia och antimateria nästan: för varje miljarder antiprotoner och positroner fanns det exakt lika många av deras motsvarigheter, plus en "extra" proton och elektron. Med tiden försvann huvuddelen av materia och antimatter i förintelsen, och allt som omger oss idag framkom av överskottet. Det är riktigt inte helt klart var och varför "extra" partiklar uppträdde.
Få antimateriel och svårigheterna med denna process
1995 lyckades forskarna skapa endast nio atomer av antihydrogen. De fanns i flera dussin nanosekunder och förstördes sedan. År 2002 var antalet partiklar redan i hundratals och deras livslängd ökade flera gånger.
Antipartikeln är som regel född tillsammans med sin vanliga "dubbla". Till exempel, för att erhålla ett positron-elektronpar, är interaktionen av ett gammakvantum med det elektriska fältet hos atomkärnan nödvändigt.
Få antimateriel - mycket besvärlig. Denna process sker i acceleratorer, och antipartiklar lagras i speciella lagringsringar under högvakuumförhållanden. Under 2010 lyckades fysikerna för första gången fälla 38 anti-väteatomer i en speciell fälla och hålla dem i 172 millisekunder. För att göra detta måste forskarna kyla 30 tusen antiprotoner till temperaturer under -70 ° C och två miljoner positroner till -230 ° C.
Följande år kunde forskare förbättra resultatet avsevärt: att öka antipartiklarnas liv till en hel tusen sekunder. I framtiden planerar vi att ta reda på frånvaron eller förekomsten av antigravitetseffekt för antimateriel.
Frågan om lagring av antimateriel är en verklig huvudvärk för fysiker, eftersom antiprotoner och positroner utplånas omedelbart när de träffas med partiklar av vanlig materia. För att behålla dem måste forskarna uppfinna kloka enheter som kan förhindra en katastrof. Uppladdade antipartiklar lagras i den så kallade Penning-fällan, som liknar en miniatyraccelerator. Dess kraftfulla magnetiska och elektriska fält hindrar positroner och antiprotoner från att kollidera med enhetens väggar. En sådan anordning fungerar emellertid inte med neutrala föremål, som en anti-väteatom. I detta fall utvecklades Joffe-fällan. Retentionen av antiatomer i den uppstår på grund av magnetfältet.
Kostnaden för antimatter och dess energieffektivitet
Med tanke på svårigheten att erhålla och lagra antimaterier är det inte förvånande att priset är mycket högt. Enligt NASA-beräkningar, 2006, kostade en milligram positrons cirka 25 miljoner dollar. Enligt tidigare data uppskattades ett gram anti-väte till 62 biljoner dollar. Ungefär samma siffror ges av europeiska fysiker från CERN.
Potentiellt antimatter är ett idealiskt bränsle, ultraeffektivt och miljövänligt. Problemet är att alla antimaterier som hittills skapats är knappt nog att koka minst en kopp kaffe.
Syntes av ett gram antimateria kräver 25 miljoner miljarder kilowatt-timmar energi, vilket gör någon praktisk användning av detta ämne helt enkelt absurt. Kanske en dag kommer vi att fylla i rymdskepp med det, men för det här måste du komma fram till enklare och billigare metoder för att ta emot och långsiktigt lagring.
Befintliga och lovande applikationer
För närvarande används antimatris i medicin, under positronutsläppstomografi. Med den här metoden kan du få en bild av de interna organen i hög upplösning. Radioaktiva isotoper som kalium-40 kombineras med organiska ämnen som glukos och injiceras i patientens cirkulationssystem. Där avger de positrons, som förstörs när de träffas med elektroner i vår kropp. Gamma-strålning, som erhålles under denna process, bildar en bild av det undersökta organet eller vävnaden.
Antimaterier studeras också som ett möjligt botemedel mot cancer.
Användningen av antimaterier har givetvis ett stort löfte. Det kan leda till en verklig energirevolution och låta människor nå stjärnorna. Fiction-romans favoritskridskoåkning är rymdskepp med så kallade varpmotorer, vilket gör det möjligt för dem att resa med superlight-hastighet. Idag finns det flera matematiska modeller av sådana installationer, och de flesta använder antimateriel i sitt arbete.
Det finns mer realistiska förslag utan superlightflyg och hyperspace. Till exempel föreslås att kasta en kapsel uran-238 med deuterium och helium-3 inuti antiprotonmoln. Projektets utvecklare tror att samspelet mellan dessa komponenter kommer att leda till starten av en termonukleär reaktion, vars produkter styrs av ett magnetfält i motorns munstycke, kommer att ge skeppet betydande dragkraft.
För flyg till Mars på en månad föreslår amerikanska ingenjörer att använda kärnklyvning utlöst av antiprotoner. Enligt deras beräkningar är endast 140 nanogram av dessa partiklar nödvändiga för en sådan resa.
Med tanke på den betydande mängd energi som släpptes under antioxidantsläckningen är detta ämne en utmärkt kandidat för att fylla bomber och andra explosiva föremål. Även en liten mängd antimaterier är tillräcklig för att skapa ett ammunition som är jämförbart i kraft för en atomvapen. Men samtidigt som det är för tidigt att oroa sig för det, eftersom den här tekniken är i början av utvecklingen. Det är osannolikt att sådana projekt kommer att realiseras under de kommande årtiondena.
Under tiden är antimateriet först och främst ämnet för studien av teoretisk vetenskap, som kan berätta mycket om världens struktur. Denna situation är osannolikt att förändras tills vi lär oss att få den i industriell skala och tillförlitligt spara. Först då kan vi prata om den praktiska användningen av detta ämne.
