Почему мы живем в мире материи, а не антиматерии?⁠⁠

Антиматерия это редкий случай в науке, когда сначала появилась формула, а уже потом реальность. Не наблюдение породило теорию, а наоборот, теория вынудила физиков признать существование того, чего никто никогда не видел. Антиматерию не искали специально, её никто не открывал, глядя в телескоп или микроскоп. Она просто появилась из математики.
И именно поэтому история антиматерии начинается не в лаборатории, а в кризисе физики начала XX века.
К тому времени физика уже была мощной фундаментальной наукой, но внутри неё было ощущение, что что-то не сходится. С одной стороны, квантовая механика с уравнением Шрёдингера отлично описывало электрон в атоме. Можно было считать энергетические уровни, спектры, всё сходилось. Но была проблема: оно не учитывало теорию относительности. А электроны штука быстрая, особенно в тяжёлых атомах, их скорость приближается к световой, и тут уравнение начинает вести себя не совсем корректно. Спин описывается не до конца, появляются неточности. Игнорировать Эйнштейна уже не получалось.
А с другой стороны, специальная теория относительности чётко говорила: скорость света это предел, а энергия и масса по сути одно и то же, E = mc². Красиво, просто, но с квантовой механикой не сочеталось. Они были как два упрямых осла, которые тянут физику в разные стороны. И в этот момент появляется молодой физик, Поль Дирак. Он берёт на себя довольно амбициозную задачу: собрать уравнение, которое одновременно будет и квантовым, и релятивистским. И главное чтобы не было костылей и «приблизительностей».
Звучит красиво, делается очень тяжело. Чтобы это вообще заработало, ему пришлось вводить новые математические объекты. То, чего до этого в физике просто не было - спиноры и какие-то матрицы (позже их назовут гамма-матрицами).
Всё бы ничего, но у уравнения обнаружилось неприятное свойство. Оно имело не одно решение, а два.
С положительной энергией понятно, это обычный электрон.
Но то же уравнение работало и с отрицательной энергией. И вот это уже выглядит как ошибка. Потому что в привычной физике энергия это величина положительная. Не может быть минус энергии. Но уравнение Дирака упрямо показывало, что для каждого электрона с энергией +E существует состояние с энергией -E. И если воспринимать это буквально, то электрон мог бы «провалиться» в состояние с отрицательной энергией, излучив фотон, потом ещё глубже, и так до минус бесконечности. Материя стала бы нестабильной. Она бы схлопнулась или улетела в никуда. Этого не происходит. Значит, надо что-то придумать. И Дирак придумал.

Он предположил, что все состояния с отрицательной энергией уже заняты. Они образуют «море» (в дальнейшем это назовут морем Дирака) заполненных уровней. Благодаря принципу Паули (два электрона не могут находиться в одном состоянии), новые электроны просто не могут туда провалиться, места нет.
А потом Дирак сделал следующий шаг. Он сказал: а что, если в этом «море» появится дырка? Пустое место, где электрона не хватает. Эта дырка должна вести себя как частица с положительным зарядом, с той же массой, что у электрона, и с противоположными квантовыми числами. Так родилась идея античастицы. Не из эксперимента, а из чистой математики. Получалось, что если теория верна, то должна существовать частица с массой электрона, но положительным зарядом. И вести она себя должна по тем же законам.
Но теория это всего лишь теория, до момента пока она не подтверждается или не опровергается. И это произошло в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон изучал космические лучи. У него была камера Вильсона, это такое устройство, где видны следы заряженных частиц.
Он ставил магнитное поле, и треки изгибались: положительные в одну сторону, отрицательные в другую. И однажды он увидел след частицы, которая изгибалась как положительно заряженная, но по массе была как электрон. Ничего подобного раньше не видели. Это был позитрон. Антиэлектрон. Дирак предсказал, Андерсон нашёл, теория подтвердилась.
Это был один из величайших триумфов теоретической физики, один из тех редких случаев, когда теория попадает прямо в точку без «примерно», без «с оговорками».
До этого момента частицы воспринимались как просто «кирпичики» материи. Ну есть электрон, есть протон, и всё. А тут внезапно оказалось, что у каждой частицы есть зеркальный «двойник».
Электрон - позитрон.
Протон - антипротон.
Нейтрон - антинейтрон.
Позже стало понятно, что это вообще не частный случай, а фундаментальное свойство квантовой теории поля. Антиматерия не экзотика, она встроена в саму структуру Вселенной.

Теперь к более практическому вопросу. Если антиматерия существует, можно ли её получить?Можно. Но это тот случай, когда «можно» не означает «легко».
Главная фабрика антиматерии сегодня это ускорители частиц. Например, CERN в Швейцарии.
У нас, в России, кстати есть свой ускоритель частиц, в Подмосковье, в наукограде Протвино.
Как-то довелось там даже побывать.
Так вот, принцип добычи антиматерии на словах довольно простой. Берутся частицы (обычно протоны), их разгоняют почти до скорости света, а потом сталкивают. И в момент столкновения энергия превращается в новые частицы, в том числе в античастицы. Это прямое следствие той самой формулы E = mc². Энергия превращается в материю и антиматерию парами.
Но есть крошечная такая проблема. На миллиарды столкновений получается мизерное количество античастиц. Производство крайне неэффективное и чудовищно дорогое. За всю историю человечества произведены доли нанограмма антиматерии. Это меньше пылинки.
Так что на данный момент это скорее лабораторная экзотика, чем что-то масштабируемое.

Но допустим, мы её получили. А дальше что с ней делать? Думаете получится запихать её в какой-нибудь двигатель вместо топливо, и вот двигатель на антиматерии, мечта фантастов, готов? Как-бы не так. (Кстати, вероятный двигатель на гелии-3 ждёт та же участь)
Во-первых антиматерия не может соприкасаться с обычным веществом. Вообще.
Коснётся и произойдёт мгновенная аннигиляция, вспышка энергии, всё превращается в гамма-кванты. Поэтому её нельзя «положить в контейнер», не существует материала, который её удержит. Вместо этого используют магнитные ловушки. Так принцип тоже достаточно простой, создаётся почти идеальный вакуум, температура опускается к абсолютному нулю, включаются мощные магнитные поля и античастицы удерживаются в пространстве, не касаясь стенок. Фактически они «висят» в пустоте. И это уже не теория, в том же CERN научились удерживать даже атомы антиводорода в течение достаточно долгого времени.
Во-вторых, аннигиляция это не управляемый реактор, это процесс с огромным выделением энергии. Удерживать этот процесс в контролируемом виде пока никто не умеет.
Ну и я говорил выше про экономическую бессмысленность (на данный момент) этого мероприятия. По оценкам, один грамм антиматерии стоил бы триллионы долларов.
По сути, наша цивилизация упирается не в формулы, а в стоимость, масштабируемость, управляемость и безопасность. Пока все четыре пункта - красный свет.

Так что до двигателя на антиматерии ещё очень далеко, технологии отстают на столетия.
Потому что между «возможно по физике» и «возможно в реальности» лежит огромная пропасть.
Но, справедливости ради, скажу что это самый эффективный источник энергии, который вообще допускает физика. При аннигиляции частиц, их масса полностью превращается в энергию.
Чтобы вы понимали масштаб: в ядерном делении (атомная бомба, реактор) в энергию превращается менее 1% массы. Остальное это побочные радиоактивные осколки.
В термоядерном синтезе эффективность выше, но всё равно мизерная доля.

Однако есть одна область, где антиматерия работает на нас каждый день.
Это ПЭТ, позитронно-эмиссионная томография. Метод медицинской визуализации, который позволяет увидеть раковые опухоли, нарушения метаболизма и прочие болячки.
Как это работает? В организм вводят радиоактивный изотоп, который испускает позитроны (антиэлектроны). Позитрон пробегает долю миллиметра, встречает обычный электрон, аннигилирует, и рождаются два гамма-кванта, летящие строго в противоположные стороны. Детекторы их ловят, компьютер вычисляет точку рождения, и вуаля, получается трёхмерная картинка. Это единственное массовое применение антиматерии. И оно спасает жизни. Так что антиматерия, внезапно, не только про космические корабли и чёрные дыры, но и про диагностику рака.

Ну и главный вопрос статьи: почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии?
По законам физики, Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии. Они бы встретились, аннигилировали, и от Вселенной осталось бы только излучение. Ни звёзд, ни галактик, ни нас с вами.
Но этого не произошло. Материи почему-то оказалось чуть больше. На много-много миллиардов частиц материи всего одна лишняя. Вот эта маленькая асимметрия и есть причина того, что мы существуем. Почему так случилось? Физики до сих пор ищут ответ. Есть гипотезы (нарушение CP-инвариантности, процессы в ранней Вселенной), но окончательной теории нет. Это одна из самых больших загадок современной физики.