Антиматерия — это то же самое, что и обычная материя, за исключением того, что она имеет противоположный электрический заряд. Например, электрон, имеющий отрицательный заряд, имеет партнера из антиматерии, известного как позитрон. Позитрон — это частица с той же массой, что и электрон, но с положительным зарядом.
Частицы без электрического заряда, такие как нейтроны, часто являются своими собственными партнерами по антиматерии. Но исследователям еще предстоит определить, являются ли таинственные крошечные частицы, известные как нейтрино, которые также нейтральны, своими собственными античастицами, сообщает издание Live Science.
Хотя это может звучать как нечто из области научной фантастики, антиматерия реальна. Антиматерия была создана вместе с материей после Большого взрыва. Но антиматерия редко встречается в сегодняшней Вселенной, и ученые не уверены, почему так происходит.
Космический аппарат НАСА обнаружил всплеск антиматерии, вызванный грозой в атмосфере Земли. НАСА
Люди создали частицы антиматерии, используя сверхскоростные столкновения на огромных ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, который находится за пределами Женевы и управляется ЦЕРН (Европейской организацией ядерных исследований). Несколько экспериментов в ЦЕРНе создают антиводород, антиматерию-близнеца элемента водорода. Самым сложным элементом антиматерии, полученным на сегодняшний день, является антигелий, аналог гелия.
Существуют также естественно созданные античастицы, которые спорадически производятся по всей Вселенной. Но когда встречаются материя и антиматерия, они уничтожают друг друга и производят энергию, а это означает, что в космосе, где доминирует материя, таком как наш, антиматерия не задерживается надолго.
Антиматерия также находится в центре тайны о том, почему вселенная вообще существует. В первые мгновения после Большого взрыва существовала только энергия. По мере того, как вселенная охлаждалась и расширялась, образовывались частицы как материи, так и антиматерии. Ученые измерили свойства частиц и античастиц с чрезвычайно высокой точностью и обнаружили, что обе ведут себя одинаково. Так что если антиматерия и материя были созданы в равных количествах и ведут себя одинаково, вся материя и антиматерия, созданные в начале времен, должны были аннигилировать при контакте, не оставив ничего.
Материя стала преобладать над антиматерией
Одна из теорий предполагает, что в начале Вселенной было создано больше материи, чем антиматерии, так что даже после взаимного уничтожения осталось достаточно материи для образования звезд, галактик и, в конечном итоге, всего на Земле. Расхождение было бы совсем крошечным. Менее 1 из 1 миллиарда обычных частиц выжили бы в хаосе и продолжили бы формировать всю материю вокруг нас сегодня.
Если нейтрино — крошечная, призрачная частица, которая едва взаимодействует с другой материей — на самом деле является своей собственной античастицей, это может быть ключом к решению этой проблемы. В этой теории в начале времен небольшая часть нейтрино могла бы перейти из антиматерии в материю, потенциально создавая небольшой дисбаланс материи в начале вселенной. Эксперименты пытались определить, является ли нейтрино своей собственной античастицей, но до сих пор они оказались неубедительными.
Британский физик Поль Дирак предсказал антиматерию в 1928 году, пытаясь объединить квантовую механику, описывающую субатомные частицы, и теорию относительности Эйнштейна. Дирак искал решения уравнения, описывающего движение электрона, движущегося со скоростью, близкой к скорости света. «Точно так же, как уравнение x^2 = 4 может иметь два возможных решения (x = 2 или x = минус −2), так и уравнение Дирака может иметь два решения: одно для электрона с положительной энергией, а другое для электрона с отрицательной энергией», — согласно ЦЕРН.
Сначала Дирак не решался поделиться своими открытиями. Но в конце концов он принял их и сказал, что у каждой частицы во Вселенной должна быть зеркальная частица, которая вела бы себя так же, но имела бы противоположный заряд.
Позитроны были обнаружены несколько лет спустя физиком из Калифорнийского технологического института Америки Карлом Андерсоном, который изучал высокоэнергетические космические лучи, которые приходят из космоса и попадают в атмосферу Земли, создавая поток других частиц. В своем детекторе Андерсон наблюдал след чего-то с такой же массой, как у электрона, но с положительным зарядом. Редактор журнала Physical Review предложил назвать частицу позитроном, согласно Американскому институту физики.
За работу над этим открытием Дирак и Андерсон получили Нобелевскую премию по физике: Дирак в 1933 году, а Андерсон в 1936 году.
Британский физик-теоретик Поль Дирак был одной из самых значимых фигур на заре квантовой физики. Он вместе с Эрвином Шредингером получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году. Но именно в 1927 году этот тихий, но блестящий ум принялся за поиски «красивой математики» и сформулировал то, что стало одним из его величайших достижений — уравнение Дирака.
В этом отрывке из главы об антиматерии из своей книги «Единственная вещь, которую вам нужно знать» автор Маркус Чоун объясняет, как необычные методы и манеры Дирака помогли нам понять фундаментальную физику, которая формирует окружающий нас мир.
Природа решила удвоить количество своих основных строительных блоков. Для каждой субатомной частицы, что примечательно, существует «античастица» с противоположными свойствами, такими как электрический заряд. До 1927 года никто не имел ни малейшего подозрения, что такой мир «антиматерии» существует. Но в том году британский физик Поль Дирак записал уравнение, описывающее электрон, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, и заметил, что оно содержит что-то странное.
Смотрите также... Немного о кошках: история одомашнивания и интересные факты о поведении домашних питомцев |
Дирак был одним из пионеров квантовой теории, революционного описания субмикроскопического мира атомов и их составляющих, пишет в своей книге «Единственная вещь, которую вам нужно знать» Маркус Чоун. Теория примирила две, казалось бы, противоречивые характеристики мира, выявленные в экспериментах в первой четверти двадцатого века: способность атомов и им подобных вести себя как локализованные частицы и как распространенные волны. В 1926 году австрийский физик Эрвин Шредингер сформулировал это в уравнении Шредингера, которое описывает квантовые волны вероятности, распространяющиеся в пространстве.
Поль Дирак. Getty Images
Проблема с уравнением Шредингера в том, что оно не включает в себя другую революцию физики двадцатого века. В своей специальной теории относительности 1905 года Эйнштейн показал, что странные вещи происходят с пространством и временем, когда тело с массой приближается к скорости света. Хотя уравнение Шредингера прекрасно работает при описании электрона в маленьком атоме, где электрическая сила всего лишь нескольких протонов в ядре заставляет его вращаться по орбите со скоростью, намного меньшей скорости света, в более тяжелых атомах, где в ядре много протонов, а электрон вращается со скоростью, близкой к пределу космической скорости, уравнение перестает работать. Требовалось уравнение, которое было бы совместимо со специальной теорией относительности — релятивистской — и именно это Дирак намеревался найти.
Дирак был странным человеком, которому сегодня, вероятно, поставили бы диагноз «аутистический спектр». Высокий, нескладный и напоминающий палочника, он имел привычку усердно работать всю неделю, а по воскресеньям совершать долгие прогулки по сельской местности вокруг Кембриджа, где он лазил по высоким деревьям, одетый в свой костюм и галстук. Буквально до тупости, он был мистером Споком физики. Когда во время одной из его лекций студент поднял руку и сказал: «Профессор Дирак, я не понимаю уравнения на доске», он ответил: «Это комментарий, а не вопрос» и продолжил свою лекцию.
Подход Дирака к физике был не менее странным, чем его характер. В то время как другие физики искали повседневные аналоги явлений, которые они хотели описать, а затем пытались инкапсулировать в математическое уравнение, Дирак имел смелость просто сидеть с ручкой и бумагой и угадывать форму уравнения. «Это моя особенность, что я люблю играть с уравнениями, просто ища красивые математические соотношения, которые, возможно, вообще не имеют никакого физического смысла», — сказал Дирак . «Иногда они имеют».
Именно в поисках «красивой математики» в своих спартанских комнатах в колледже Св. Иоанна в конце ноября 1927 года Дирак буквально вытащил из воздуха то, что станет известно как уравнение Дирака. Сегодня это одно из двух уравнений, начертанных на плитах пола Вестминстерского аббатства в Лондоне. Другое — уравнение Стивена Хокинга для температуры черной дыры. «Из всех уравнений физики, возможно, самым волшебным является уравнение Дирака», — говорит американский физик Фрэнк Вильчек (в книге «It Must Be Beautiful: Great Equations Of Modern Science» Грэма Фармела (Granta, 2003)). «Оно наиболее свободно придумано, наименее обусловлено экспериментом, имеет самые странные и поразительные последствия».
Дирак обнаружил, что невозможно описать свойства релятивистского электрона, такие как его энергия, простым числом, поэтому вместо этого ему пришлось использовать таблицу чисел два на два, известную как матрица. Эта «двойственность» объясняла загадочную особенность электрона. Эксперименты показали, что частица вела себя так, как будто она вращалась одним из двух способов: по часовой стрелке или против часовой стрелки. Однако, если электрон действительно вращался, его поведение можно было понять, только если он вращался быстрее света, что, по мнению Эйнштейна, было невозможно. Физики были вынуждены сделать вывод, что «спин» электрона — это нечто совершенно новое. Это было внутреннее квантовое свойство, не имеющее аналогов в повседневном мире. И вот оно, увидел Дирак, просто непрошено выскочило из формулы, которую он записал. «Мое уравнение давало как раз те свойства, которые нужны для электрона», — сказал Дирак. «Это был действительно неожиданный бонус для меня, совершенно неожиданный». По словам американского физика Джона Хасбрука Ван Флека, объяснение Дираком спина электрона можно сравнить с «извлечением фокусником кроликов из шелковой шляпы».
Спин был странным. Но другой аспект, который возник из уравнения Дирака, был еще более странным. Когда Дирак записывал свое уравнение, он заметил, что его механизм был странно дублирован. Казалось, что оно описывает не только отрицательно заряженный электрон, но и частицу с той же массой, что и электрон, но имеющую положительный заряд. В то время были известны только три субатомные частицы: протон в ядре атома; электрон, который вращается вокруг ядра; и фотон, частица света. Казалось, не было необходимости в еще одной. Даже великие физики того времени, такие как Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, считали, что уравнение Дирака должно быть неверным. Однако Дирак был прав, а они ошибались, как позже показал эксперимент в 8000 километрах от Кембриджа.
В 1932 году Карл Андерсон, американский физик из Калифорнийского технологического института в Пасадене, пытался понять космические лучи, чрезвычайно высокоэнергетические частицы из космоса. Он ожидал, что они будут врезаться в атомы в атмосфере, выбрасывая их электроны. Если бы он мог просто измерить энергию таких выброшенных электронов, рассуждал он, он бы имел контроль над энергией космических лучей. С этой целью он использовал чрезвычайно сильное магнитное поле, чтобы отклонить электроны, сделав вывод, что если они имели высокую энергию и поэтому двигались быстро, они проводили бы мало времени вблизи его магнитного поля и были бы отклонились менее резко, чем если бы они имели низкую энергию и проводили там больше времени.
Андерсон сделал свои электроны видимыми с помощью «камеры Вильсона». Внутри устройства крошечные следы капель воды образовывались вдоль следов электронов, и он мог фотографировать эти следы. 2 августа 1932 года Андерсон разработал фотопластинку и был поражен, увидев частицу с массой электрона, которая была изогнута магнитным полем в противоположную сторону от электрона. Он ничего не знал о предсказании Дирака. Тем не менее, он наткнулся на положительно заряженный электрон Дирака, частицу, которую он немедленно окрестил «позитроном».
Поскольку соединение материи и антиматерии производит энергию, инженеры предположили, что космические аппараты, работающие на антиматерии, могут стать эффективным способом исследования Вселенной.
NASA изучало возможность использования транспортных средств на антиматерии для полета на Марс, но у этой идеи есть некоторые недостатки. Во-первых, это очень дорого.
Двигатель на антиматерии. smotrim.ru
«Грубая оценка производства 10 миллиграммов позитронов, необходимых для человеческой миссии на Марс, составляет около 250 миллионов долларов с использованием технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки», — сказал Джеральд Смит из Positronics Research LLC в Санта-Фе, Нью-Мексико, в статье 2006 года для NASA. Стоимость может показаться высокой, но отправка чего-либо на орбиту все еще стоит около 10 000 долларов за фунт, поэтому запуск большого космического корабля вместе с его человеческим экипажем также будет дорогим.
Совсем недавно исследователи НАСА рассматривали возможность использования энергии, вырабатываемой столкновениями материи и антиматерии, для отправки зонда к ближайшей звездной системе Альфа Центавра. Энергия столкновений позволила бы аппарату разогнаться до 10% скорости света, а затем замедлиться достаточно, чтобы исследовать Альфу Центавра, возможно, в течение десятилетий.
Смотрите также... HTML, CSS-шпаргалка с примерами - тег IMG, figure и picture. Адаптирование, форматирование, эффекты Полный список обработчиков событий HTML / Javascript с примерами |
Похожих записей не найдено...
