Антиматерия + Физика

Антиматерия — это одна из самых загадочных концепций физики, завораживающая умы учёных и любителей науки. Её существование доказано, но она почти не встречается в нашей повседневной жизни, а её свойства кажутся взятыми из научной фантастики. Что такое антиматерия? Как её открыли, почему она настолько редка и что планируют с ней делать учёные в будущем? Давайте разберёмся!

Что такое антиматерия?

Антиматерия — это материал, состоящий из частиц, которые являются зеркальными противоположностями обычных частиц. Например, у электрона есть аналогичная по массе частица антиматерии — позитрон, которая имеет положительный заряд. Эти частицы могут аннигилировать при контакте, высвобождая огромные количества энергии.

Как открыли антиматерию?

Концепция антиматерии возникла в начале XX века. В 1928 году знаменитый физик Пол Дирак предположил, что для каждой частицы существует противоположная ей частица, и через несколько лет его теория подтвердилась: в 1932 году Карл Андерсон впервые зафиксировал позитрон. С тех пор открытие антиматерии стало одной из важнейших вех в физике элементарных частиц.

Почему антиматерию так трудно обнаружить?

Антиматерия почти не встречается в природе. Когда антиматерия сталкивается с обычной материей, происходит аннигиляция — частицы и античастицы превращаются в энергию. Если бы антиматерии было бы много, мы бы видели вспышки аннигиляции по всей Вселенной. Но этого не происходит, что остаётся одной из самых больших загадок в физике: почему во Вселенной доминирует материя, а антиматерии почти нет?

Как учёные изучают антиматерию?

Изучение антиматерии — сложная задача, ведь она исчезает при контакте с материей. Современные исследования сосредоточены в лабораториях, таких как ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям), где учёные создают и хранят антиводород. При помощи мощных магнитных ловушек они пытаются удерживать античастицы, чтобы предотвратить их аннигиляцию и изучать их свойства.

Зачем нужна антиматерия?

Антиматерия обладает колоссальной потенциальной энергией. Например, если бы мы смогли создать стабильный источник антиматерии, она могла бы служить источником топлива для космических путешествий — один грамм антиматерии может высвободить энергию, эквивалентную нескольким тысячам тонн топлива. Однако сейчас антиматерию невероятно трудно и дорого создавать, так что практическое использование остаётся далёкой мечтой.

Последние открытия и перспективы

Недавно в ЦЕРН в рамках эксперимента ALPHA удалось провести исследование поведения антивещества в гравитационном поле. Ученые проверили, подвержены ли античастицы гравитации так же, как обычные частицы, и пришли к выводу, что антиматерия действительно "падает" в гравитационном поле Земли, как и обычная материя. Этот эксперимент стал важным шагом в понимании гравитационного взаимодействия антиматерии и материи. Подобные открытия могут в будущем помочь разгадать, почему во Вселенной доминирует материя и почти нет антиматерии.

Также учёные исследуют антиматерию для возможного применения в медицине. Например, антипротоны могут быть использованы в терапии рака: благодаря точному разрушению клеток они позволяют атаковать злокачественные образования с высокой эффективностью, минимально повреждая окружающие ткани.

Литература и исследование

— Введение в физику антиматерии

— Проект ALPHA в ЦЕРН: Ловушка для антиводорода

Антиматерия состоит из античастиц: антипротонов, антиэлектронов (позитронов) и антинейтронов. Главным отличием от обычных частиц является то, что античастицы имеют противоположный заряд: антипротон имеет отрицательный заряд, антиэлектрон – положительный заряд. Что касается нейтрона и антинейтрона, хотя они оба изначально не имеют какого-либо заряда, у них все же есть различие. Антинейтрон имеет магнитный момент, противоположный магнитному моменту нейтрона.

Может показаться, что антиматерия – это такая же гипотетическая материя, как и темная, но это не так. Отдельные античастицы, из которых можно собрать атомы антиматерии, образуются в обычной природе, хотя и в очень малых количествах по сравнению с обычной материей. Согласно предположениям ученых, после большого взрыва должно было образоваться равное количество обеих материй. Однако при столкновении антиматерии с обычной материей происходит аннигиляция с выделением огромного количества чистой энергии. Из-за этого свойства, обе материи должны были аннигилировать и оставить после себя только энергию, так как материи было равное количество. Но на данный момент мы видим преобладание обычной для нас материи над антиматерией. Считается, что какой-то механизм оказал свое влияние, тем самым оставив в преобладании обычную материю.

Изучать антиматерию – довольно трудное и дорогостоящее занятие. Это связано со сложной добычей и хранением антиматерии. Антиматерию производят в ускорителях частиц:

"Для этого пучок высокоэнергетических протонов при помощи мощного ускорителя направляется на мишень, создавая таким образом беспорядочный поток осколков атомов. Мощные магниты выделяют из этого потока антипротоны, которые затем замедляют до очень низких скоростей и подвергаются действию позитронов, которые естественным образом излучает натрий-22. Если позитрон начинает обращаться вокруг антипротона, возникает атом антиводорода, ведь атом водорода состоит из одного протона и одного электрона"

– выдержка из книги «Физика невозможного» Митио Каку.

Производство не является единственной трудностью. Так как при столкновении с обычной материей антиматерия аннигилирует, их необходимо отгородить друг от друга. Этого достигают с помощью хранилища, внутри которого почти идеальный вакуум, а чтобы антиматерия не столкнулась со стенками хранилища, она удерживается магнитным полем, образуемого мощными магнитами, находящимися в состоянии сверхпроводимости.

На этом сегодня все.


Источники информации:

https://science.cern/science/physics/antimatter

https://www.britannica.com/science/antimatter

Топ-10 дорогих веществ в мире.

Самые дорогостоящие вещества используются в изготовлении ювелирных изделий, космических кораблей, и даже зубных пломб. Другими словами, диапазон применения дорогих материалов не ограничен даже их стоимостью. Список приведен в ценах за грамм. Цены рассчитывались исходя из текущих рыночных цен за карат. Считается, что золото самый дорогой металл на планете, но предлагаемый список разрушает стереотипы. И, кстати, золото даже не попало в этот перечень!

10. Платина Стоимость за грамм: 60 долларов США. Это редкий и драгоценный металл серебристого стального цвета. Как и золото, металл устойчив к кислотам, щелочам и другим соединениям. Активно используется в ювелирной промышленности. Украшения из платины 950 пробы отличаются повышенной прочностью, долговечностью.

9. Плутоний Стоимость за грамм: около 6 000 долларов В списке самых дорогих материалов на Земле находится плутоний. В основном его используют в ядерных реакторах, в источниках энергии на космических спутниках, которые нуждаются в длительном энергоснабжении. Плутоний получают в результате ядерного распада урана, но может быть найден и в естественных условиях, хотя и в очень редких случаях. Может быть использован для космических путешествий. Например, в детекторах межпланетной станции Voyager 1, запущенной в 1977 году, использованы плутониевые генераторы, которые до сегодняшнего дня не выходили из строя и рассчитаны на штатную работу до 2025 года.

8. Тааффеит Стоимость за грамм: 20 000 долларов США. Невероятно редкий драгоценный камень, который был открыт недавно, и является мечтой коллекционеров. Он имеет цветовой диапазон от красного до фиолетового. Основной источник этих драгоценных камней находится в Танзании. Этот драгоценный камень настолько редок, что все обнаруженные на земле образцы умещаются на ладони.

7. Тритий Стоимость за грамм: около 30 000 тысяч долларов США. Получается в ядерных реакторах путем облучения металлического лития или литийсодержащих элементов. Это сверхтяжелый тип водорода. Тритий является ключевым компонентом в изготовлении ядерного оружия. Используется в сверхмалых концентрациях для производства светящихся в темноте надписей указателей, наносится на стрелки часов. Бета-лучи, которые он испускает, очень слабы и не могут навредить человеку. Невысок риск для здоровья также при попадании внутрь организма.

6. Бриллианты Стоимость за грамм: от 55 000 до 108 000 долларов США (безупречный, круглой формы, чистота и цветность — 1, размер от 5 карат) Натуральные алмазы издавна ценились за их красоту и чрезвычайную твердость. На самом деле это самое твердое вещество, известное на Земле с показателем 10 единиц по шкале Мооса.

5. Америций Стоимость за грамм: 140 000 долларов США. Америций — радиоактивный металл, используемый в незначительных объемах в дымовых датчиках. Впервые синтезирован в 1944 году. Физические и химические свойства америция близки к свойствам плутония. Свежий америций — это светящийся в темноте, блестящий, в открытом виде быстро тускнеет. Считается токсичным из-за своей радиоактивности.

4. Пейнит Стоимость за грамм: от 9 000 до 300 000 долларов США. Впервые он был обнаружен в Бирме в 1950 году британским торговцем драгоценными камнями Артуром С. Д. Пейном. В районе Мокок в Мьянме были недавно найдены месторождения, в которых предполагается наличие пейнита. Независимо от цены они пользуются большим спросом.

3. Реголит Стоимость за грамм: 500 000 долларов США. По данным американцев, около 400 кг лунного грунта хранится в NASA. Такой вес можно было доставить на землю лишь с применением усилий космонавтов. Скептики подвергают сомнению факт посещения луны человеком. Небольшое количество лунного грунта хранится и изучается в нескольких странах, участвовавших в космических экспедициях на луну.

2. Калифорний Стоимость за грамм: от 10 до 27 миллионов долларов США Ученые создают калифорний, бомбардируя кюрий альфа-частицами. Эта реакция создает радиоактивный химический элемент с атомным номером 98. В настоящее время известно десять изотопов калифорния. Помогает в лечении определенных форм рака; выявляет содержание золота и серебра в рудах, а также остаточный объем нефти в истощенных месторождениях. Может быть создан только промышленно-лабораторным способом.

1. Антиматерия Стоимость за грамм: от 62,5 до 100 триллионов долларов США Антивещество — безусловно, самый дорогой материал на Земле. В ходе научных экспериментов было произведено очень небольшое количество, но в настоящее время нет способа его хранения. Для этого требуется очень сложная технология, разрабатываемая в CERN (Международная организация по исследованиям в области ядерной физики). Сегодня грамм антивещества оценивается примерно в 80 трлн. долл. США.

Итак, это десять самых дорогостоящих материалов на Земле. Цены, будут меняться со временем. После обнаружения новых источников или изменения затрат на производство, появятся новые дорогостоящие вещества. Для техногенных веществ официальные цены очень трудно зафиксировать.