Антиматерията, с която се надяваме да стигнем до Марс

Наскоро се разбра, че американски физици събират средства за създаване на двигател, който ще се захранва с антиматерия. Как може да даде енергия това вещество, по-скоро "антивещество"? Какъв смисъл се влага в представката "анти-" ?

Интересно е, че учените са стигнали до концепцията за антиматерията много преди самото й регистриране - само от едно отрицателно решение на просто квадратно уравнение - ето как математиката често показва идеи за физиката. 

Заради едно отрицателно решение

Ние живеем във Вселена на дуализъм. Като че ли всичко около нас има две равнопоставени страни: бяло и черно, добро и зло, светлина и тъмнина, положително и отрицателно, действие и противодействие. Знакът “ин и ян” е символ не само на дуализма, но и на симетрията и взаимното допълване. Възможно ли е и нашият свят да има друг съответстващ му, но с огледални качества, свят?

Заради това, че едно квадратно уравнение получи две решения се оказа, че и самата материя има своята противоположност – антиматерията.

Квантовата механика не може да не се съгласува и с теорията на относителността на Айнщайн, защото малките частици, квантите, често се движат със скоростти, близки до скоростта на светлината. Например, частиците в космическите лъчи, електроните във вътрешните обвивки на тежките атоми, имат скорости близки до скоростта на светлината.

Ако една частица се движи със средна скорост, близка до светлинната, аради неопределеността на координатите ѝ може да се окаже скоростта ѝ над средната и възможно е – над светлинната. За да избегне този парадокс, през 1928 г. Пол Дирак (Paul Dirac) съставя уравнение, което описва движението на електроните по законите на квантовата механика и теория на относителността.  Oбичайната релативистична връзка между енергия и импулс в теорията на Дирак е във формата:

, където

p е импулсът на частицата;

c е скоростта на светлината;

m е масата на частицата;

Но в уравнението на Дирак се оказал проблем – освен “нормалните решения”, описващи реалния електрон, уравнението предсказвало и съществуването на състояния с отрицателна енергия: Уравнението има две решения:     и    

Да се отхвърли това решение като нереалистично е невъзможно, защото в противен случай не може да се получи точно описание на поведението на електрона. Изводът изглеждал парадоксално.

Как да се интерпретира състоянието на електрони с отрицателна енергия? Какъв е физическия смисъл на отрицателната енергия?

Да разгледаме случая, в който частица с положителна енергия E0> 0 преминава от точка А в точка В. Тогава в точка А, енергията Е се намалява с E0, а в точка В се увеличава със стойност E0. За частица с отрицателна енергия E0< 0 преходът от точка А до точка В води до увеличение на енергията със стойност E0 в точка А и на спад на енергията със стойност E0 в точка В. Така преходът на частица с отрицателна енергия от точка А до точка В е еквивалентен на преход на частица с положителна енергия от точка В до точка А. Тоест, процесите с отрицателна енергия може да бъдат представени като процеси с положителна енергия, но обратно във времето. Частица с отрицателна енергия се държи като частица с положителна енергия, но движеща се обратно във времето в сравнение с частица с положителна енергия.

А сега да разгледаме ситуацията със заредена частица, извършваща преход от точка А до точка В. В случая на положителен заряд q , зарядът в точка А се намалява с -q , а в точка В се увеличава с +q. За да се запази симетрията, при прехода на частица с отрицателна енергия трябва едновременно да сменим знака на електрическия заряд с противоположния. Преходът на частица с положителна енергия E и заряд +q от състояние А в В е еквивалентен на прехода на частица с отрицателна енергия -E и заряд -q от състояние В в състояние в А. Състоянията с отрицателна енергия водят до появата на двойник на всяка частица, който има положителна енергия и противоположен електрически заряд.

По този начин, според теорията на Дирак, заредените частици трябва да имат близнак с противоположен заряд и същата маса.

При преход на електрона от областта на положителните енергии в областта на отрицателните внергии трябва едновремехно да промени заряда на електрона, трябва да стане положителен +e. Преходът на електроните от състояние с отрицателна енергия нарушава закона за съхранение на електрическия заряд.

За да го заобиколи през 1930 г. Дирак предлага следната хипотеза:

Морето на Дирак

Тези нереални частици с отрицателна енергия възникват от своите положителни “антиблизнаци”, но за електроните е валиден принципът на Паули (два или повече еднакви фермиони не може едновременно да се намират в едно и също квантово състояние) и тогава Дирак прави зашеметяващия извод: всички отрицателни нива на енергия ще са изпълнени с фон, изпълнен с ненаблюдаеми електрони, едно безкрайно море от частици с отрицателна енергия, наречено “море на Дирак“.

“Този океан (физическият вакуум) е изпълнен с електрони без ограничение за големината на отрицателната им енергия и затова няма нищо подобно на дъно в този електронен океан”. Сравнението с океан (или море) било сполучливо. Не рядко наричат вакуума “море на Дирак” . Ние не наблюдаваме електрони с отрицателна енергия, защото те образуват непрекъснат невидим фон, а безкрайният физически вакуум е ненаблюдаем, тъй като се забелязват само отклоненията на енергията и електричния заряд.

Снимка: Jonathan Langdale

Да си помогнем със следната аналогия: Жабите могат да виждат само движещи се обекти. Всички ние, които живеем в морето на Дирак, сме в същото положение по отношение на него като жабата, застанала до притихналото блато в очакване на непредпазливите насекоми, тя вижда летящото насекомо, но блатото при тихо време, без вълнички по повърхността, за нея е невидимо.

Така сме и ние – ние не виждаме фоновите електрони, а в ролята на насекомото са редките в сравнение с фоновите електрони частици с положителна енергия. Нерядко се срещат във физиката обекти, реално съществуващи, но не проявяващи се като невъзбуденият атом в най-ниското енергийно състояние – той не излъчва и ако не му въздействаме по някакъв начин, ще остане ненаблюдаем.

Океанът е ненаблюдаем само дотогава, докато не му се въздейства по определен начин. Когато в “морето на Дирак” попадне високоенергиен квант, то “морето” може да се покаже, избивайки един от многото електрони с отрицателна енергия. Ще се родят едновременно две частици, които могат да бъдат открити експериментално: един електрон с положителна енергия и един антиелектрон също с положителна енергия, но също така и с положителен заряд.

Схема: bgchaos

Ако на електрон от “морето на Дирак” се приложи достатъчно голяма външна енергия ΔE > 2mc²  , то ще възникне реален, наблюдаем електрон  и “дупка” във вакуума.

Тази “дупка” в експериментите се проявява като реална частица, която има свойствата на обикновен електрон с тази разлика, че носи противоположен, положителен заряд. Това е анти-електрон (позитрон). Електронът с положителна енергия е обикновен наблюдаем електрон.

Античастиците е прието да се обозначават с чертичка над символа на частицата, напр. протон ( p ) и антипротон ( p ). Същото важи и за кварките, изключение е позитронът e+.

Неуловени антиводородни атоми анихилират върху вътрешната повърхност на ALPHA капан. Снимка: CERN

Mоделът морето на Дирак не работи за бозони, макар че много от тях (макар и не всички) имат античастици. В съвременната физика, този модел не се възприема буквално. Като по-нататъшно развитие на тази идея може да се счита океанът на Хигс.

Анихилацията

При сблъсък на електрон и дупка, електронът просто запълва дупка в “морето на Дирак”. В резултат на този процес, изчезват и двете частици, а вместо тях се излъчват електромагнитни кванти (енергия), защото закона за запазване на енергията не трябва да бъде нарушен.

Това е процес наречен анихилация (от лат. annihilatio – унищожение), при който се освобождава огромно количество енергия:

E = 2E₀ = 2mc², където

E₀ е енергията на покой;

m е масата на частиците;

c е скоростта на светлината във вакуум.

Анихилацията е начин да се преобразува енергията на покой E₀ на частиците в кинетична енергия на продуктите от реакцията – високо-енергийни фотони ( гама-лъчи ) или друга двойка частица-античастица. Всъщност “унищожение” в случая не се наблюдава, при процеса на анихилация строго се изпълнява закона за съхранение на материята. Материята в този процес не се унищожава, а само се превръща от една форма в друга.

В експерименти, в които се работи със сблъсък на снопове е+е- с висока енергия (1 GeV) се наблюдават следните процеси на анихилация

е⁺+е^-→ μ⁺+μ^-

е⁺+е^-→ адрони.

Ако при ниски енергии процесът на анихилация е превръщане на двойката частица-античастица в по-леки частици, то при високи енергии леките частици могат да се анихилират до образуване на по-тежки частици. При това пълната енергия на анихилиращите се частици трябва да превишава прага на раждане (E = 2mc²) на тежките частици, равен на сумата на техните енергии на покой.

Раждането на частиците

При процеса анихилация се излъчва енергия под формата на гама-лъчи (γ), високо-енергийна кванти електромагнитно излъчване, а понякога и двойки частици-античастици.

Обратната реакция γ →е⁺+е^- също може да се осъществи при подходящи условия, ражда се двойка частица и античастица. Раждането на античастици става при сблъсък на частици вещество, ускорени до енергии, надвишаващи прага на раждане (E = 2mc²) на двойка частица-античастица.

Процесите на анихилация и раждане на частици са направил много силно впечатление – дотогава се е смятало за невъзможно да се създава или унищожава вещество. Руският физик Вавилов се е изразил много картинно: това толкова удивително, колкото ако биха ни показали, че мелодията се превръща в цигулка.

За всяка частица – античастица

През 1932 г. К. Андерсън открива тази частица – “анти-електрон” в космическите лъчи, нарекъл я “позитрон“. През следващите години на експерименти, било установено, че не само електрона, но също така и всички частици имат своите античастици. През 1936 г. в космическите лъчи са открити мюона (μ^—) и неговата античастица (μ⁺ ), а през 1947 г. – π^— и π⁺ мезоните, съставящи двойка частица-античастица; през 1955 г. в опити с ускорителя в Бъркли е наблюдаван антипротон; през 1956 г. от Х.Ламбертсън – антинеутрон и т.н. В момента античастици имат почти всички известни частици.

Същински неутрални частици

Античастици трябва да имат не само електрически заредените частици, а и частици като неутрона. Макар и с нулев заряд, неутронът и антинеутронът имат  магнитни моменти противоположни по знак.

За някои неутрални частици античастицата е тъждествена с частицата. Такива са фотона, неутралния пи и легендарния бозон на Хигс, Z-бозона, гравитона. Тези частици се наричат същински неутрални. Съществуват електрически неутрални частици, които може да не съвпадат с техните античастици – такива са неутрона, неутриното, неутралните каони и др.

Всички известни същински неутрални частици са бозони.

Позитроний

Ако относителната скорост на е+ и е- е малка, анихилацията много вероятно да премине през междинно състояние на е+ е-, наречено позитроний.

Всъщност целта на учените е да изследват дали антиматерията се държи по различен начин в условията на гравитационно поле от обикновената материя. В случай на успех изследването ще обясни защо във Вселената няма антиматерия и защо тя се разширява с все по-увеличаваща се скорост.

През 2005 г. Касиди и Милс с колеги от Япония и два други американски изследователски центъра заявиха, че са успяли да създадат двуатомна молекула позитроний - дипозитроний (в химическата номенклатура се означава Ps₂)

Антиматерията

^{Илюстрация:  INFN-Notizie}

Според съвременните представи силите, определящи структурата на материята са едни и същи, симетрични и за частици, и за античастици. Това означава, че структурата на антивеществото трябва да бъде идентична с тази на обикновеното вещество. Античастици се свързват една с друга, за да образуват антиматерията по същия начин, както обикновените частици оформят обикновената материя. Например, един позитрон e+ и антипротон p може да образува атом антиводород.

Важно е да се каже, че антиматерията няма антигравитация. Въпреки че не е потвърдено експериментално, съществуващата теория предсказва, че антиматерия се влияе от гравитацията (има тежест) по същия начин както обикновената материя.

Антиматерията в лабораторииите. Трудно раждане и задържане

В лабораторни условия античастиците се раждат при взаимодействията в ускорители на частици и се съхраняват в “капани” – комбинация от магнитно поле и електрически полета при висок вакуум.

Първите атоми антиводород са получени в Европейския център за ядрени изследвания (CERN) в Женева през 1995 г., но са се анихилирали почти веднага.

За първи път през 2002 г. физиците от ЦЕРН получават значителен обем антиматерия – около 50 000 антиводородни атома. Но цялото количество от антиматерия незабавно се самоунищожило, анихилирало, взаимодействайки си с нормалното вещество.

През 2010г. отново в лабораториите на ЦЕРН успяват да получат и задържат повече от 16 минути  38 атома антиводород, достатъчно време и количество за изследване, благодарение на апаратурата ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). Новата апаратура използва свръхниски температури до -272,5 ° C за да направи античастиците “мудни” и да бъдат уловени от мощно магнитно поле.. Атомите на антиматерията за времето, за които са „удържани”, се успокояват, т.е преминават в основно състояние, което пък дава възможност да се изследват, да се направят измервания.

^{Филмче за експеримента ALPHA за спектроскопско измерване на антиводород в CERN, Женева, 7 март 2012.}

Какво можем да направим с най-скъпата субстанция на Земята

Антиматерията има огромен енергиен потенциал. Слънчево изригване през юли 2002 г. е предизвикано от около половин килограм антиматерия, според изследвания на НАСА. Това е достатъчно, за да се осигурят енергийно Съединените щати в продължение на два дни

В уикипедия са поместени данните, че при взаимодействието на 1 кг антивещество и 1 кг веществото се отделят около 1,8. 10¹⁷ джаула енергия, което се равнява на енергията, освободена от експлозията на 42.96 мегатона тротилов еквивалент – за сравнение най-мощната бомба, избухвала някога на Земята е тежала 20 тона е 57 мегатона. Твърди се също, че 1 тон антивещество би покрил за година енергийните нужди на цялата планета.

Производството на антиматерия в момента обаче е твърде дълъг и скъп процес. CERN твърди, че $62,5 трилиона струва един грам антиводород, а да се произведе грам антиматерия ще отнеме около 100 милиарда години. Но това не означава, че учените са престанали да търсят начини да използват тази енергия.

Поради това, антиматерията е сочена като евентуално бъдещо оръжие или източник на енергия – поради това антивеществото е неизменна част от научната фантастика.

Писателите на научна фантастика отдавна разработили идеята за пътешествия в космоса с помощта на антиматерия отвъд скоростта на светлината. Предвид някои забележителни пробиви във физиката напоследък, учените от НАСА не смятат, че космическите кораби с антивещество за гориво са само фантазия, а осъществим е в близко бъдеще проект.

С антиматерия към Марс

Първата версия на двигател, наречен “позитронен реактор” (Positron reactor) е вече разработена от групата Positronics Research към НАСА.
Каква е схемата: Предполага се, че известно количество позитрони (стотни от грама) вече ще са уловени в голям брой миниатюрни магнитни капсули – капани. Капсулите регулярно, но с голяма честота, се отправят към центъра на реактора, изпълнен със специален топлообменник – матрица.

В центъра на реактора капанчетата се отварят, позитроните взаимодействат с материята и излъчвайки радиация, нагяват матрицата. През матрица се пропуска водород, който се нагрява и с голяма скорост излиза през соплото(дюзата) на двигателя.Част от горещия водород, се отвежда за задвижване на помпата, а студеният водород от резервоара, преди да стигне до реактора преминава през двойната стена на дюзата – за да я охлади.

^{Схема на ракета, захранвана от позитронен реактор:  НАСА , Positronics Research, превод bgchaos}

Според изобретателите си, позитроният реактор може да даде за всеки грам консумиран в секунда водород 900 грама тяга. Това е около 2-3 пъти повече от тази на химическите двигатели. Това означава намаляване на общото тегло на кораба, а от там още увеличаване на мощността. Използвайки двигател с антиматерия, подобен лек пилотиран космически кораб може да достигне Марс в 45-90 дни, вместо половин година с химически двигатели и стотици тонове гориво или йонни двигатели, захранвани от слънчеви панели, с размера на няколко футболни игрища.

^{Илюстрация:  НАСА , Positronics Research}

Антиматерията в медицината

Антиматерията се оказа полезна за медицински цели, за локализиране и изследване някои видове рак.

Снимка: ЦЕРН

Краткотрайни частици антиматерия, създадени от разпада на изотоп флуор-18, които да се инжектират на пациента, могат да изпълняват позитронно-емисионна томография или PET (Positron Emission Tomography)  сканиране на мозъка. Ето какво се случва: позитрона, който се получава при разпада почти веднага намира един електрон и се анихилира и изпуска две гама-лъчи. Тези гама лъчи се движат в противоположни посоки и от записа на тяхното местоположение се възпроизвежда изображение.

Къде се ражда антиматерията

В естествени условия античастиците се раждат във взаимодействието на космическите лъчи с някакво вещество, като атмосферата на Земята. Би трябвало да ги има в околностите на пулсари и активните галактически ядра. Теоретичната астрофизика предвижда образуване на античастици, позитрони и антипротони и антинеутрони, при натрупването на вещество в черните дупки. Съвременната космология смята за възможно раждането на античастици при изпаряването на черни дупки с малка маса.

Материята и антиматерията в първите мигове на Големия взрив

^{Илюстрация: Stephen van Vuuren, Outside In}

Според съвременната наука, началото на нашата Вселена е Големия взрив, когато в една точка е била концентрирана цялата материя и антиматерия на Вселената. Но както знаем те взаимно се унищожават в съотношение 1:1. Защо тогава в момента на Големия взрив, материята и антиматерията не са се анихилирали напълно? Това е възможно само в един случай – когато материята не е напълно симетрична на антиматерия.

Илюстрация: Анихилация на антиматерия и материя  (NASA / CXC / M. Weiss)

В сегашната Вселената, фотоните, тоест енергията е много повече от протоните, тоест материята, в съотношение един към милиард. Това означава, че повечето частици, създадени в началото на Вселената наистина са били анихилирани, а една частица на милиард частици не е срещнала своя двойник и така е оцеляла за да формира цялото наблюдавано днес вещество на звезди и галактики.

Причината за този малък дисбаланс между частици и античастици в ранната Вселена е една от загадките на космологията и физиката на елементарните частици.

Физиците наблюдават различията между материя и антиматерия – известни като “CP нарушение на симетрията” в продължение на десетилетия, но те са в пълно съответствие със Стандартния модел. Наблюдаваните досега разлики в поведението на частици и античастици обаче са несъмнено твърде малки за да обяснят превеса на материята над антиматерията във Вселената.

Отклонението в поведението на материята и антиматерията ясно се проследява в резултатите от експеримента. Осите са параметър на асиметрията. Илюстрация: DZero collaboration

През 2010 г. учените, работещи в американския ускорител  Tevatron, обявиха, че предварителните резултати на техните изследвания показват леко превъзходство на материята над антиматерията при разпада на частиците.  Този експеримент DZero обединява около 500 учени от 19 страни.

Осем години работа и анализ на данните от 100 000 милиарда сблъсъци на протони и и антипротони донесе сензационен резултат: образуването на мюони при разпада на В-мезоните е с 1% по-вероятно от образуването на антимюони.

Получен е резултат с 50-кратно отклонение от Стандартния модел, а вероятността за грешка е смъкната до 3.2σ, което е равносилно на 0,005% вероятност наблюдаваният ефект да е случайност.

Това обаче още не е достатъчно, защото стандартът е 5σ или около 0,00003% грешка – затова още не може да се каже, че загадката около материята и антиматерията е намерила своя отговор. Сега погледите са обърнати към Големия адронен колайдер.

Антиматерията в нашата Галактика

В търсене на първичната антиматерия

Антиматерията се е анихилирала в първите моменти след Големия взрив, но учените не са се отказали да я търсят из Вселената. С помощта на рентгеновата обсерватория Чандра (Chandra X-ray Observatory) изследователите тръгват “на лов” за доказателства за наличие на антиматерия, останала от много ранната Вселена.

Има много възможни вторични източници на антиматерия – мощни вихри със скорости близо до светлинната, предизвикани от супернови, стари червени звезди и горещи сини звезди, неутронни звезди, черни дупки и пулсари, експлозии на гама-лъчи и взаимодействие между космическите лъчи и прашните облаци газ на междузвездното пространство. Но няма доказателства досега, че е намерена антиматерия, останала от първите мигове на Вселената

^{Снимка: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.}

Това е изображение наклъстера Bullet Cluster (1E 0657 – 56), намиращ се на около 3,8 милиарда светлинни години от Земята, съчетава снимка от рентгеновата обсерваторияЧандра наНАСА с оптични данни от космическия телескоп “Хъбъл” и на телескопа Магелан в Чили.

Bullet Cluster е бил използван в най-новите изследвания за да търсене на антиматерия останала от много ранната Вселена, но се установи, че антиматерията в него има вторичен произход и е по-малко от три части на милион.

Загадъчен облак от гама-лъчи в центъра на Галактиката

В центъра на нашата Галактика е засечен загадъчен облак от гама-лъчи, получени вероятно за сметка на анихилация на електрони и антиматерия – позитрони. Възможно е присъствието на този облак да е заради фонтана от позитрони, бликащ от галактическия център . Последните предположения посочат за източник на позитрони разрушителното и екзотично обкръжение около областите, където се образуват звездите, сблъсъците на неутронните звезди и присъствието на черните дупки в центъра на Галактиката.

^{Снимка: Purcell ( NWU ) et al., OSSE , Compton Observatory , NASA}

С помощта на спектрометър OSSE на борда на орбиталната гама обсерватория Комптън (Compton Gamma Ray Observatory) е заснето гама-излъчване като ярко петно в галактическия център и по-слабо излъчване по продължение на галактическата равнина с диаметър 4000 светлинни години и височина 3500 св. г. над галактическия център.

Търсенето на антисветове продължава. Едно нещо е сигурно. Ако има антиматериални светове някъде в пространството, близки срещи от всякакъв вид са строго забранени. – както казва Хокинг.

Източници:

Fermilab scientists find evidence for significant matter-antimatter asymmetry
Вскрыта фундаментальная асимметрия материи и антиматерии, membrana.ru
The Bullet Cluster: Searching for Primordial Antimatter
The Mystery of The Missing Antimatter: Mirror Image Worlds in The Depths of Space? , Mr Ghaz
Antimatter , Christine Sutton
ТЯГОТЕНИЕ КАК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ЯВЛЕНИЕ. | История, техника и наука
Микромир, элементарные частицы, вакуум
Овчинников Н.Ф. Принципы сохранения: Законы, симметрия, структура
С.В. Старенченко, В.Б. Каширин, Ю.В. Соловьева, Н.А. Конева ФИЗИКА. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
В.С. Егоров. Философия открытого мира Антиматерия и ее сущностная определенность
Антиматерия, Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин
Море Дирака

Още по темата

08/03/2016

Космос

Физици събират средства за двигател, захранван с антиматерия

26/01/2016

Физика

Факти за антиматерията, които може би не знаете

29/11/2015

Физика

Антиматерията в реалния свят

05/11/2015

Физика

Антиматерията се оказа не толкова различна от материята