Что такое антивещество?

Мы живем во вселенной, где куча вещества и по большому счету совсем нет антивещества. Двое наших читателей хотят знать, что такое антивещество, и на этот вопрос им дает ответ физик. 

Антивещество. От этого слова веет увлекательными книгами и фильмами, в которых злодеи добираются до взрывчатки из антивещества или космические корабли перемещаются на таком топливе.

Но что из себя представляет эта субстанция — что такое, по сути, антивещество?

Это очень хотелось бы знать читателям «Виденскаб». Они прочитали кое-какие из множества статей, которые мы публиковали об опытах физиков с антивеществом, но с удовольствием узнали бы больше.

Во-первых, мы должны уточнить, что нельзя путать антивещество физиков с теми антителами, которые известны нам из биологии и медицины. Там антитела (которые еще называют иммуноглобулинами) — это особые белковые соединения, часть защиты организма против болезней. Они могут связываться с чужеродными молекулами и тем самым защищать тело от микроорганизмов и вирусов.

Но здесь мы будем говорить не о них. Мы связались с ученым из мира физики: преподаватель кафедры физики и астрономии Орхусского университета Николай Синнер (Nikolaj Zinner) с радостью расскажет нам об антивеществе.

Вещество с противоположным зарядом

«Все те частицы, которые, как мы знаем, есть в природе, все, из чего состоит наш мир, существует в вариантах с противоположным зарядом. Это и есть антивещество», — говорит Николай Синнер.

«Антивещество выглядит точно так же и имеет ту же массу, что и обычное вещество, но при этом обладает ровно противоположным зарядом. Например, у положительно заряженных позитронов есть негативно заряженные электроны. Позитроны — античастицы электронов».

Так что в антивеществе нет ничего такого принципиально необыкновенного. Это всего лишь вещество с противоположным зарядом относительно того вещества, в окружении которого мы обычно находимся. А вот почему его так мало — это как раз загадка, и мы к этому еще вернемся.

«В повседневной жизни мы с антивеществом не сталкиваемся, но оно возникает во многих ситуациях, например, при радиоактивном распаде, под воздействием космического излучения и в ускорителях. Оно просто очень быстро снова исчезает. Когда позитрон встречается с электроном, в результате получается чистая энергия виде двух световых частиц с высокой энергией — квантов».

Исчезает вспышкой света

«Вот электрон и позитрон, у них противоположные заряды, поэтому они притягиваются. Они могут подойти очень близко друг к другу, и когда это происходит, они сливаются и образуют два фотона. Это следствие законов природы, — рассказывает Николай Синнер. — Масса двух частиц превращается в энергию в форме двух частиц — квантов гамма-излучения».

«Если бы у вас было много антивещества, и вы позволили бы ему проконтактировать с обычным веществом, то вызвали бы очень мощную реакцию. И наоборот: энергию можно преобразовать в вещество и антивещество, и это происходит в ускорителях частиц».

Используется в медицинских сканерах

Именно это явление, когда встреча вещества и антивещества приводит к их исчезновению и высвобождению энергии, наверное, в первую очередь и завораживает авторов научной фантастики.

Например, антивещество играет важную роль в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна (Dan Brown), а в «Звездном пути» межзвездные корабли работают на антивеществе.

Но в реальном мире у антивещества — более мирное применение.

Антивещество в виде позитронов, возникающих в результате распада радиоактивных материалов, используется в больницах в сканерах ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), которые могут сделать снимки внутренних органов и обнаружить в них нездоровые процессы.

«То есть антивещество не такое уж и мистическое. Это часть природы, которой мы с удовольствием пользуемся», — говорит Николай Синнер.

А еще мы подвергаем себя воздействию антивещества, поедая бананы. Они содержат калий, который немного радиоактивен и выделяет позитроны при распаде. Примерно каждые 75 минут банан испускает позитрон, который быстро сталкивается с каким-нибудь электроном, и они превращаются в два гамма-фотона.

Но это все совершенно не опасно. Чтобы получить дозу излучения, соответствующую той, что мы получаем, делая рентгеновский снимок, нам придется поглотить несколько сотен бананов.

Его предсказали еще до открытия

Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.


В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.

Молодой британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) бросился решать эту проблему и сумел вывести уравнение, которое позволяет комбинировать квантовую механику со специальной теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.

Обнаружен в камере Вильсона

Тогда о частицах с отрицательной энергией ничего не знали, и Поль Дирак интерпретировал свое открытие так: может существовать частица, совершенно такая же, как электрон, за исключением противоположного заряда.

Если у электрона — негативный заряд, то должна существовать и соответствующая частица с позитивным зарядом. Согласно расчетам, то же правило должно касаться всех элементарных частиц, то есть вообще всех частиц, из которых состоит мир.

И вот началась охота за антиэлектроном. Американский физик Карл Андерсон (Carl Anderson) использовал туманную камеру (она же камера Вильсона), чтобы обнаружить следы частиц из космоса, имеющих ту же массу, что и электрон, но с противоположным зарядом.

Так был открыт антиэлектрон Дирака, который получил название позитрон — сокращение от «позитивного электрона». С того момента шаг за шагом открывали все новые античастицы.

Вселенная вначале была чистой энергией

Дирак предположил, что отдаленные звезды — возможно, половина из всех, что мы видим на небе, — могут состоять из антивещества, а не вещества. Это следует, например, из его речи, которую он произнес, принимая Нобелевскую премию по физике в 1933 году.

Но сегодня мы знаем, что все во вселенной состоит только из вещества, а не из антивещества. И это действительно загадочно, потому что в начале существования вселенной должно было быть примерно одинаковое количество того и другого, объясняет Николай Синнер.

«Если мы начнем отматывать назад развитие вселенной, энергии будет становиться все больше и больше. Плотность возрастет, температура повысится. Наконец, все превратится в чистую энергию — энергонесущие или силовые частицы вроде фотонов. Таково было начало вселенной, согласно нашим самым распространенным космологическим теориям».

«А если мы снова пойдем вперед от этой точки отсчета, то в какой-то момент энергия должна будет начать превращаться в вещество. Вполне можно создавать вещество из чистой энергии, но в таком случае у вас получается столько же антивещества, сколько и вещества. Вот в чем проблема — можно было ожидать, что будет одинаковое количество того и другого».

«Должен существовать какой-то закон природы, который отвечает за то, что сегодня существует больше вещества, чем антивещества. И ничего больше не скажешь об этом дисбалансе. А так можно было бы объяснить эту ассиметрию».

Нейтрино помогут решить загадку

Большой вопрос заключается в том, где в законах природы следует искать причину победы вещества над антивеществом. Это физики пытаются выяснить с помощью экспериментов.

В научно-исследовательском центре ЦЕРН в Швейцарии антивещество производят и удерживают в магнитных полях и с помощью ряда экспериментов с антиводородом физики пытаются найти ответ на вопрос, являются ли вещество и антивещество точным зеркальным отражением друг друга.

Возможно, между ними все-таки есть небольшая разница, за исключением заряда, и эта разница поможет объяснить, почему во вселенной так много вещества относительно антивещества.

Удалось создать антигелий

Так как антивещество очень редкое и быстро исчезает при встрече с веществом, в природе молекул антивещества нет, а создавать получается лишь самые маленькие его молекулы.

В 2011 году американским ученым удалось создать антигелий. Более крупных атомов не получилось.

Мы на «Виденскаб» немало писали об этих экспериментах, которые пока что демонстрируют, что антивещество ведет себя точно так же, как и вещество, о чем, например, рассказывается в статье «Орхусский ученый провел самые точные измерения антиводорода за всю историю». И, возможно, решение этой загадки помогут нам найти элементарные частицы под названием нейтрино. Об этом мы писали в статье «Ледяной эксперимент раскроет тайну вещества».

«Можно надеяться, что мы найдем ответ в нейтрино, потому что мы уже сейчас знаем, что оно ведет себя странно. Здесь остается много пробелов в физике, так что разумно будет тут и начать копать», — говорит Николай Синнер.

Само по себе антивещество не такое уж мистическое, но физики пока что не выяснили, почему во вселенной сегодня настолько больше вещества, чем антивещества. Они работают над этим вопросом.