Загадочная антиматерия: почему мы до сих пор не используем этот источник энергии
Взгляните на свой палец. Он состоит из кожи, мышц, костей, хрящей, нервов. Эти ткани — набор связанных молекул, которые собраны из атомов. Атомы состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Каждая из таких частиц имеет брата-близнеца — античастицу — с такой же «внешностью», но противоположным «характером». Античастицы образуют антиматерию, или антивещество.
Частицы и их противоположности имеют одинаковые массы и спин, но отличаются зарядом. Например, противоположность отрицательно заряженного электрона — это позитрон (positive electron), положительно заряженного протона — антипротон. Если взять античастицы и «собрать» из них атомы, а затем из атомов — молекулы, получится антивещество.
Пожать руку, состоящую из антиматерии, не получится: как только электроны на кончиках наших пальцев «дотронутся» до позитронов в руке человека из антивещества, произойдет реакция аннигиляции. Частицы и античастицы взаимно уничтожатся, частично или полностью превратившись в чистую энергию — фотоны. Это «частички» электромагнитного излучения, например видимого света или рентгеновских лучей в кабинете врача. Медленный электрон и его античастица позитрон полностью исчезают при соприкосновении, и вместо них обычно образуются два фотона — вещество превращается в яркую вспышку света.
Эмиль Ахмедов
заведующий кафедрой теоретической физики МФТИ
Если бы мы могли сделать предмет из антивещества, он так же отражал бы и рассеивал свет, как предмет из обычного вещества. Мы не отличили бы на глаз, скажем, «камень» из антивещества от обычного камня.
Античастицы вокруг нас
Бананы богаты калием: один фрукт содержит почти полграмма этого микроэлемента. Сотая процента всего природного калия радиоактивна, и в одном из ста тысяч случаев ядро такого калия может самопроизвольно «выплюнуть» античастицу, позитрон, и превратиться в ядро аргона. Позитрон быстро найдет в веществе электрон и превратится во вспышку энергии. Но бояться радиоактивности бананов не стоит: распад калия происходит очень редко. Среднее время жизни его ядра — миллиард лет. Банан быстрее сгниет или будет съеден. К тому же, при столкновении единичного позитрона и электрона энергии выделится немного: тепла не хватит, даже чтобы подогреть каплю воды.
На античастицы можно наткнуться в кабинете врача: их применяют в медицине, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) — методе исследования процессов внутри организма человека. Источник позитронов находится в таблетке, которую принимает пациент. В результате бета-распада в ней образуется позитрон, который аннигилирует с ближайшим найденным в теле человека электроном. Образующиеся фотоны вылетают наружу и регистрируются с помощью чувствительных детекторов, позволяющих с большой точностью узнать, где в организме произошла аннигиляция. Наибольшее применение этот метод нашел в клинической онкологии: с его помощью определяют положение опухоли, исследуют ее границы и контролируют процесс лечения.
Евгений Куликов
доцент департамента молекулярной и биологической физики МФТИ
Раковые клетки более прожорливые и активнее здоровых «поедают» глюкозу. Поэтому с ней смешивают радиоактивный фтор, который испускает античастицу позитрон после того, как опухолевые клетки «проглотят» сладкую наживку.
Антиматерия и энергетика
В ходе аннигиляции выделяется гораздо больше энергии, чем при термоядерной реакции. Один грамм антивещества, встретившись с граммом вещества, может высвободить 180 тысяч миллиардов джоулей энергии. Этого хватило бы, чтобы питать электричеством Москву в течение четырех с половиной часов.
Выделяемую при аннигиляции энергию теоретически можно использовать и в двигателях, например создав параболоид, в фокусе которого взаимодействуют материя и антиматерия. Образовывающаяся энергия будет отражаться от стенок параболоида и излучаться наружу, создавая тягу как в реактивном двигателе.
Однако ученым и инженерам предстоит придумать, из чего сделать реактор электростанции и параболоид, чтобы они не испарились в процессе эксплуатации: энергия внутри будет колоссальная. Можно подавать в реактор или фокус параболоида вещество и антивещество дозированно, чтобы происходили отдельные акты аннигиляции, и продумать, как контролировать частоту этих актов для регулировки мощности двигателя.
«При правильно подобранных энергиях частиц можно добиться чистой реакции аннигиляции, — когда все топливо превращается в энергию. Такой двигатель будет обладать 100% КПД и станет явным фаворитом по сравнению с любыми другими, — говорит Эмиль Ахмедов. — Но надо придумать, как получить и хранить антиматерию в большом количестве, достаточном, чтобы реакция продолжалась долго. К тому же антивещество стоит дорого: на его создание можно потратить больше энергии, чем получить в ходе аннигиляции, что нерентабельно».
Антивещество: источники и ловушки
В природе античастицы образуются в космических лучах, на Земле антивещество производят в ускорителях частиц. Если сталкивать ядра тяжелых атомов с мишенью, получится много античастиц: тысячи из каждого столкновения. В одном пучке ускорителя циркулирует миллион миллионов частиц.
Арсений Шабанов
младший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН
Получить античастицы не сложно, сложно отделить их от обычных частиц и поймать.
Заряженные античастицы, например позитроны или антипротоны, можно удерживать в ловушках Пенинга. Внутри них в условиях сверхвысокого вакуума магнитные поля заставляют заряженные античастицы вращаться по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, а электрические поля удерживают их вдоль магнитной оси.
Электрически нейтральные объекты из антивещества, например антиводород, можно удерживать с помощью ловушки Йоффе. В ней создается специальное распределение магнитного поля: в центре ловушки поле минимально, и оно увеличивается во всех направлениях от центральной точки. Если атомы попытаются покинуть центральную область, они будут терять кинетическую энергию, отражаться от более высоких магнитных полей и попадать в ловушку — возвращаться в центр, как шарик в воронке под воздействием гравитации скатывается по стенкам вниз.
Антиматерия стала одним из самых удивительных открытий прошлого века и породила множество вопросов. Например, сможет ли она покрыть значимую часть растущих энергетических потребностей? Сегодня существуют технологии для безопасного удержания антивещества, но получить его в достаточных для нужд энергетики количествах пока, увы, никто не смог.
