Антивещество — противоположность обычной материи.
Если более конкретно, то субатомные частицы антивещества имеют свойства противоположные нормальной материи с противоположным электрическим зарядом внутренних частиц. Ученые утверждают, что антивещество было создано вместе с материей после Большого взрыва, но антивещество редко встречается в современной Вселенной и ученые не уверены почему.
Для того, чтобы лучше понять антиматерию, нужно знать больше о материи.
Простейшие атомы антиводорода
В последние 25 лет ученые смогли создать простейшие атомы антиматерии и держать их стабильными в виде антиводорода. Проведены измерения и определена внутренняя структура антиводорода.
Атомная Вселенная является сложной, так как полна экзотических частиц со свойствами спина (вращение вокруг своей оси) и особенностей, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них.
Античастицы
Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как «возбуждаются» электроны (то есть, сколько энергии у них есть).
В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом.
В циркулярном ускорителе на встречных пучках как большой адронный коллайдер частицы получают удар энергии каждый раз, когда они завершают вращение.
Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки.
Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях.
Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя.
Как образовалась материя Вселенной
Таинственное излучение, испускаемое из далеких уголков галактики, наконец-то может быть объяснено с помощью
попытки воссоздать уникальное состояние материи, которое возникло в первые мгновения после
большого взрыва.
Вот уже 50 лет астрономы ломают голову над странными радиоволнами и гамма-лучами, испускаемыми из космоса от
вращающихся остатков мертвых звезд, называемых пульсарами.
Исследователи полагают, что эти загадочные высокоэнергетические импульсы излучения производятся
от взрыва электронов и их близнецов из антиматерии, позитронов. Вселенная на короткое время была заполнена этими
перегретыми, электрически заряженными частицами в секунды, последовавшие за Большим взрывом, прежде чем все
антиматерия исчезла, унеся с собой позитроны. Но астрофизики считают, что условия, необходимые для
возникновения позитронов могут все еще существовать в мощных электрических и магнитных полях, генерируемых вокруг
пульсаров.
Считается, что вокруг пульсара образуется перегретая форма материи, известная как плазма.
Но точные условия, необходимые для создания плазмы, содержащей позитроны, остаются неясными.
Ученые также до сих пор не понимают, почему радиоволны излучаются плазмой вокруг пульсаров и
обладают свойствами, подобными свету в лазерном луче — волновой структуре, известной как когерентность.
Чтобы выяснить это, исследователи теперь обращаются к мощному компьютерному моделированию, чтобы смоделировать то, что может быть продолжается.
Ученые предполагают, что частицы антиматерии создаются при высокоскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого взрыва существовала только энергия. Поскольку Вселенная охлаждается и расширяется, частицы как вещества, так и антивещества были произведены в равных количествах. Почему одна материя стала доминировать над другой это ученым еще предстоит открыть.
Физики — теоретики античастиц
Антивещество впервые было предсказано в 1928 году английским физиком Поль Дираком, которого английские ученые назвали «величайшим теоретиком Британии, как сэр Исаак Ньютон».
Дирак собрал специальное уравнение относительности Эйнштейна (в котором говорится, что свет имеет определенную скорость во Вселенной) и квантовую механику (которая описывает то, что происходит в атоме). Он вывел уравнение для электронов с отрицательным и с положительным зарядом. Дирак в конце концов сказал, что каждая частица во Вселенной будет иметь зеркальное отображение. Американский физик Карл Д. Андерсон обнаружил позитроны в 1932 г.
Дирак получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, а Андерсон получил премию в 1936 году.
Антивещество на космическом корабле
Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами вещества, они уничтожают друг друга и производят энергию.
Это дало повод инженерам предположить, что антивещество может быть колоссальной и эффективной энергией для космического корабля, чтобы исследовать Вселенную.
Однако, по состоянию на сейчас антиматерия стоит около $ 100 млрд, чтобы создать миллиграмм антивещества. Это тот минимум, который будет необходим для применения. Для того, чтобы эта энергия была коммерчески жизнеспособной, эта цена должна была бы упасть примерно в 10000 раз. Сейчас электроэнергии необходимо гораздо больше, чтобы создать антиматерию, чем получить обратно от реакции антивещества.
Но это не останавливает ученых от работ по совершенствованию технологии, чтобы сделать возможным применение антиматерии в космических аппаратах. Ученые утверждают, что вполне возможно, что антивещество можно было бы использовать через 50-70 лет в будущем.
Сейчас прорабатываются варианты как космический аппарат может работать на этом топливе.
Конструкция предусматривает гранулы дейтерия и трития (тяжелые изотопы водорода с одним или двумя нейтронами в ядрах, в отличие от общего водорода, который не имеет нейтронов). Антипротонный луч будет воздействовать на гранулы. После того, как антипротоны достигнут урана, они будут уничтожены с созданием продуктов деления, которые были бы искрой реакции термоядерного синтеза. Использование этой энергии может заставить космический аппарат двигаться.
Ракетные двигатели на антиматерии гипотетически возможны, но основное ограничение это сбор достаточного количества антивещества, чтобы это произошло. Самые дорогие вещества в мире сейчас – это антиматерия.
В настоящее время нет технологии для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимой для всех приложений.
