Наука и Техника

Наука И Техника
4 декабря 2015

На грани аннигиляции: что делать с антиматерией

Мы настолько привыкли к мысли, что антиматерия является либо элементом фантастических романов (сверхэффективное ракетное топливо или разрушительное оружие), либо гипотетической субстанцией в извращенных мозгах физиков, что поверить в ее реальность в нашей повседневной жизни довольно трудно. В крайнем случае, мы допускаем, что физики действительно получают ее в секретных лабораториях, но сама по себе она не встречается. Попробуем развенчать это убеждение.

Античастицы не такая уж редкость и возникают в окружающем мире без нашего участия. Они так же стабильны, как частицы материи, а живут в нашем мире ничтожно мало лишь потому, что, стоит им столкнуться с атомами, как они аннигилируют с образующими его частицами: небольшая вспышка света, незаметная для глаза, и больше никаких следов.

Самая распространенная античастица - антинейтрино, но проблема аннигиляции ее как раз не касается: слишком мал ее взаимодействие с любыми частицами. Сотни нейтрино и антинейтрино содержатся в каждом кубическом сантиметре нашей Вселенной. Посчитайте, сколько их внутри вас, и порадуйтесь, что, по счастью, они почти никак не взаимодействуют с материей и не наносят нам вреда.

Античастицы электронов, позитроны, появляются в космических лучах, возникают в грозовых разрядах, а также в распадах вполне распространенных на Земле элементов. К примеру, изотоп калия-40, правда довольно редко, всего в 0,001% случаев его распадов, испускает позитрон. Благодаря небольшому содержанию этого изотопа в природной смеси в нашем организме рождается около одного позитрона в минуту. Вреда здоровью это не наносит; гораздо больший риск мутаций в организме представляют космические лучи, в состав которых входят антимюоны, сотни которых пролетают через нас за секунду. В космических лучах наблюдаются также антипротоны, которые, пусть редко, рождаются в нашей Галактике при ядерных взаимодействиях в межзвездной среде. Более того, какая-то их часть стабильно удерживается в магнитном поясе Земли (на высокой орбите, где нет протонов, с которыми можно было бы проаннигилировать).

Правда, все вышеописанное - это лишь примеры античастиц, а не антиатомов или антивещества. А могут ли существовать антимиры где-то далеко в нашей Вселенной? Может быть, на далекой антипланете антилюди озабочены проблемой анти-антиматерии (нашей обычной материи) и сейчас тоже размышляют о нашем гипотетическом существовании?

Как была открыта антиматерия

Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, сразу после открытия Джозефом Томсоном электрона. Томсон обнаружил, что катодные лучи образованы входящими в состав вещества тождественными друг другу отрицательно заряженными частицами. Шустер задался вопросом, а не существует ли симметричный аналог электрона (названный им антиэлектроном), заряженный положительно. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиматерии, внутри которой придуманные антиэлектроны и должны жить. Гипотеза Шустера основывалась на соображении, что Природа должна была позаботиться о симметрии между отрицательным и положительным. Убедительный аргумент? В общем-то, не очень... Вот и современники Шустера (а в его время концентрация выдающихся физиков была запредельно высокой) этой идеей, увы, не заинтересовались, и она была надолго забыта...

Лишь спустя 30 лет замечательный английский физик Поль Дирак переоткрыл антиматерию. В отличие от Шустера он не предположил существование антиэлектрона, а нашел его, но не в окружающем мире, а... в своем уравнении! Уравнение Дирака успешно описало релятивистский электрон, но в решениях этого уравнения «вылезла» также положительно заряженная частица, в точности симметричная электрону. Дирак назвал ее позитроном.

Поначалу к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории в разрешении многих парадоксов, коллеги отнеслись скептически. Но вскоре позитрон был открыт Карлом Андерсоном в космических лучах: он рождался из энергичных космических фотонов в паре с электроном, а перед последующей аннигиляцией успевал пролететь некоторое расстояние и оставить следы.

Античастицы есть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона он же сам и является античастицей), и сегодня все они открыты.

Материя и антиматерия немного разные

Еще до открытия Андерсона, пытаясь найти ответ на вопрос, почему позитроны не наблюдаются в окружающем нас мире, Дирак осознал, что позитроны жить вместе с нами не могут: возникнув где-то рядом, они немедленно аннигилируют с окружающими электронами. Он здраво рассудил, что, раз уж наша Солнечная система построена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей.

Антигалактики искали и продолжают искать, но пока не находят. Более того, сегодня мало кто верит, что они действительно могут существовать. В чем же причина такой асимметрии Вселенной, в которой материя есть, а антиматерии почти нет?

В 1960-х годах сделали совершенно неожиданное открытие: антиматерия немного отличается от материи. Казалось бы, как же так? Ведь мы только что вывели антиматерию из симметрии между положительным и отрицательным, а никакой симметрии оказывается нет? Ну не совсем... симметрия нарушается только в слабых взаимодействиях, а есть еще электромагнитные и ядерные взаимодействия, которые эту симметрию чтут. Давайте не будем упрекать слабые взаимодействия за эту непочтительность к симметриям, ведь только благодаря ей мы, в отличие от менее удачливых антилюдей, и существуем! К этому выводу в 1967 году пришел Андрей Дмитриевич Сахаров.

Действительно, если бы материя и антиматерия были абсолютно идентичны, то вскоре после Большого Взрыва, в результате которого образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, они бы полностью проаннигилировали. В живых остались бы только фотоны, из которых строить мир (и нас с вами) было бы довольно проблематично. На самом деле, благодаря разности свойств материи и антиматерии небольшая доля частиц материи выжила (одна на миллиард проаннигилировавших!), и этого уцелевшего в грандиозной битве остатка хватило, чтобы сделать нас с вами.

Изучение антиматерии

Изучая антиматерию, мы в действительности пристально смотрим на ее различия с материей. Эта маленькая разница позволяет многое узнать о законах Природы. До сих пор не решен вопрос о механизме нарушения симметрии между материей и антиматерией. Вернее, мы знаем, зачем Природа допустила это нарушение (ради нас), а также за счет чего эта разница свойств возникает, но уже 40 лет гадаем, почему все это организовано в Природе подобным образом.

Последние 15 лет разницу распадов тяжелых кварков и антикварков изучали специальные эксперименты в Японии и США. Разогнанные до огромных скоростей электроны и позитроны, сталкиваясь, рождали так называемые B-мезоны, содержащие кварк третьего поколения (1 млрд пар B-мезонов за 10 лет работы). В этих экспериментах обнаружили большую разницу в распадах B-мезона и анти-B-мезона и измерили ее с хорошей точностью. В последние годы к этим усилиям подключился специальный эксперимент на Большом адронном коллайдере, а еще через два года в Японии заработает супер В-фабрика. Точность измерений возрастет, и, возможно, будет найдено что-то новое в несоответствии свойств материи и антиматерии.

Сегодня вряд ли кто-нибудь возьмется прогнозировать, что будет найдено и как это позволит развить наши знания. И уж тем более, никто не сможет предсказать, как новые знания можно использовать в нашей жизни. Можно лишь воспользоваться предыдущим опытом человечества: все научные открытия, какими бы никчемными с практической точки зрения они не казались поначалу, рано или поздно приносили пользу. Достаточно вспомнить ту же квантовую механику, без которой не было бы транзисторов, микрочипов и, соответственно, 99% современных технологий...

Использование антиматерии

Сегодня мы применяем, по крайней мере, самую легко получаемую античастицу - позитрон, для некоторых вполне практичных задач. Одно из своих применений позитроны нашли в медицине для диагностики онкологических заболеваний. Помимо упомянутого выше калия-40, существуют множество радиоактивных изотопов, испускающих позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей (причем, делается это бесконтактно - вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны). Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ).

Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. Можно также изучать разнообразные образцы, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.

Действительно ли в антиматерии скрыта колоссальная энергия?

Здесь писатели-фантасты не преувеличивают. Давайте оценим эту энергию. Вспомнив, что масса и энергия эквивалентны, сравним разные виды энергии. Начнем с энергии химических связей: сжигая, к примеру, 1 грамм угля, мы получим энергию, составляющую примерно одну миллионную от его массы. Немного! В ядерной энергии скрыт гораздо больший потенциал: из 1 грамма урана, запустив цепную реакцию, можно извлечь энергию, достигающую величины 0,001 (т. е. одной тысячной) в граммовом эквиваленте - правда, это в идеале, в реальности все гораздо скромнее. А вот 1 грамм антиводорода при анигилляции даст 2 грамма энергии! Согласитесь, что это впечатляет - в 1 грамме антиматерии заключено энергии больше чем в 1000 тонн угля. Правда, следует помнить, что на Земле нет залежей антиматерии в отличие от других носителей энергии, а чтобы получить 1 грамм антиводорода потребуется сжечь гораздо больше, чем 1000 тонн угля...

И все же, ракета на антиводородном топливе (одного грамма достаточно, чтобы отправить многотонную ракету на Марс) будоражит воображение. Все это по-прежнему выглядит фантастикой? Судите сами. Антиводород уже реально получают. Пока, правда, в гигантской лаборатории и всего тысячи антиатомов. Причем удержать их в ловушке удается только несколько минут. Но 10 лет назад антиатомы получали лишь десятками и удерживали микросекунды. А еще через 10 лет планируются получить уже количество антивещества, измеряемое микрограммами.