Как зарождается материя и антиматерия?
Любая материя состоит из протонов, нейтронов и электронов. Эти частицы имеют аналоги, известные как античастицы – антипротоны, антинейтроны и позитроны, соответственно – которые обладают той же массой, но имеют противоположный электрический заряд. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин.
Возможность существования антивещества предсказал британский учёный Артур Шустер в небольшой заметке, которую он опубликовал в 1898 году в журнале Природа. Это предсказание он сделал чисто эмпирическим путём, посчитав, что согласно закону симметрии в природе, должен существовать симметричный аналог отрицательно заряженному электрону. А спустя тридцать лет знаменитый физик Поль Дирак заново открыл антиматерию, найдя антиэлектрон в своём математическом уравнении.
Английский физик-теоретик Поль Дирак
Впервые позитроны увидел в 1923 году русский физик Дмитрий Скобельцин, который работал в Ленинграде, когда исследовал гамма-лучи в камере Вильсона. Но в те далёкие годы сделанное им открытие так и не нашло своего научного объяснения.
В 1932 году американский физик Карл Андерсон наблюдал космическое излучение с помощью камеры Вильсона. При этом он вновь сделал открытие элементарных частиц, напоминающих собой электроны, но с противоположным зарядом, которые он назвал позитронами. С этого времени изучению антивещества стало уделяться большое внимание и в течении двадцатого века несколько десятков учёных были удостоены Нобелевской премии за данные исследования.
Было установлено, что позитроны образуются вместе с электронами из физического вакуума при воздействии на него сильным электромагнитным полем, а также мощным лазерным или гамма-излучением. Именно поэтому, учёные сравнивают физический вакуум с глубоким и спокойным морем, которого никто не замечает, пока оно находится в спокойном состоянии, но если на него осуществить сильное физическое воздействие, то из его недр начинают образовываться электрон-позитронные пары, которые до этого пребывали в нем в спокойном и взаимоуравновешенном связанном состоянии.
Электрон-позитронные пары элементарных частиц образуются и при взаимодействии фотона с электромагнитным полем атомного ядра, а также при радиоактивном распаде некоторых химических элементов, что впервые было обнаружено в 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.
Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, Париж, 1935 год
Когда антиматерия встречает материю, то они мгновенно аннигилируют и превращаются в энергию. Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. При аннигиляции всего одного электрона и позитрона вырабатывается столько же энергии, сколько может возникнуть при взрыве более миллиарда атомов химического вещества, а грамм антиматерии может произвести взрыв уже размером с ядерную бомбу. Более мощного оружия, чем основанного на принципе аннигиляции, представить пока невозможно.
В то же время антиматерия является мощнейшим источником энергии, которую можно очень эффективно использовать и для мирных целей. Так, по подсчётам учёных для полета на Марс требуется всего около 1 миллиграмма антивещества, при этом космолёт может развивать очень высокую скорость, что позволит сократить время космического полёта на эту планету от нескольких дней, до нескольких часов и обеспечит технологический прорыв в освоении космического пространства. При этом, тысячи тонн химического топлива, необходимого для пилотируемого полёта на Марс и возвращения космонавтов обратно на Землю, будут заменены объёмом антивещества, эквивалентным весу одного рисового зёрнышка.
Как известно, при использовании современных космических технологий, запланированная продолжительность пилотируемого полёта на Марс, с возвращением космонавтов обратно на Землю, составляет около 500 дней.
Старт российской ракеты на Байконуре, Казахстан
В настоящее время также разрабатывается новое поколение электрических плазменных двигателей, работающих от ядерного реактора, которые уже в будущем десятилетии позволят сократить время полета на Марс до 30 – 45 дней. Создание ядерной энергодвигательной установки поручено Росатому, а разработкой нового класса космических двигателей, турбокомпрессоров и генераторов занимается Роскосмос.
В качестве примера можно рассчитать следующие величины. Так минимально возможное расстояние от Земли до Марса составляет около 55 миллиона километров. Как уже было сказано ранее, скорость движения Земли относительно фонового реликтового излучения составляет около 600 километров в секунду или 2,16 миллионов километров в час. Если предположить, что космолёт будет двигаться с такой же скоростью, то время полёта от Земли до Марса составит около 25 часов, или всего около суток.
По расчётам Hbar Technologies для того, чтобы космический корабль долетел за 40 лет до звезды Альфа центавра – достаточно всего лишь 17 граммов антиматерии. В настоящее время в американском Центре космических полётов имени Маршалла разрабатывается высокоэффективная ловушка для антиматерии. В этом проекте также участвуют и военные ведомства США.
Марс
Небольшое количество антиматерии попадает на Землю в виде космических лучей и некоторых элементарных частиц из космоса, при этом плотность элементарных частиц антивещества, достигающих нашей атмосферы, составляет от одной до более сотни на квадратный метр.
Важно также отметить, что электромагнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли – радиационных поясах Ван Аллена. Очевидно, что более крупные космические объекты, которые обладают более мощными электромагнитными полями, также способны выступать в качестве ловушек антивещества в значительно больших объемах.
Например электромагнитное поле Юпитера простирается до орбиты Сатурна и оно в 17 раз более мощное, чем электромагнитное поле Земли. А магнитосфера Солнца простирается за пределы орбиты Плутона и является в 8000 раз более мощным, чем электромагнитное поле нашей планеты, при этом магнитосфера Солнца более чем в тысячу раз превосходит суммарное электромагнитное поле всех космических объектов Солнечной системы.
Согласно высказанной мною гипотезе, в пределах Солнечной системы существует несколько более мощных радиационных поясов, чем формируемые вокруг Земли радиационные пояса Ван Аллена. Один из таких радиационных поясов будет обнаружен вокруг орбиты Юпитера, а другой ещё более мощный – будет обнаружен за пределами орбиты Плутона вокруг Солнечной орбиты. При этом, находящаяся в этих радиационных поясах антиматерия, может быть использована в качестве альтернативного источника экологически чистой энергии.
Интерес к антивеществу проявляют не только учёные. На сегодняшний день оно является самой дорогой субстанцией на Земле. К примеру, по оценке CERN, производство миллиардной доли грамма антивещества стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков. А по оценке НАСА, стоимость одного грамма антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов, что для сравнения более чем в три раза превышает гигантский государственный долг США. Так согласно данным опубликованным на сайте американского Минфина, в сентябре 2017 года государственный долг США оценивался в $20,162 трлн.
При столкновении космических лучей образуются позитроны и антипротоны. Ученые также располагают данными образования антивещества во время электрического разряда молний при грозе.
Строящийся в настоящее время подводный нейтринный телескоп, расположенный глубоко под поверхностью Средиземного моря, а также уже работающий нейтринный телескоп, находящийся под мощным ледовым панцирем в Антарктиде, позволят осуществлять более активный поиск антиматерии во вселенной.
Теоретическое и экспериментальное изучение физических процессов, происходящих в сильных полях различной природы, составляет одно из актуальных направлений современной физики. Особый интерес вызывает область экстремально сильных полей, при которых существенными становятся качественно новые вакуумные эффекты, обусловленные перестройкой физического вакуума.
Под физическим вакуумом понимается состояние некоторой области пространства, характеризуемое отсутствием наблюдаемых частиц и физических полей в любой момент времени. Вместе с тем, согласно современным научным данным, физический вакуум представляет собой специфическую материальную среду, состоящую из флуктуирующего множества элементарных виртуальных частиц, которые являются основой для зарождения новой материи. Именно поэтому физический вакуум является одним из наиболее фундаментальных и одновременно сложных проявлений природы.
Современная теория поля рассматривает физический вакуум, как невозбужденное состояние полевой материи, при этом энергия вакуумного состояния поля условно принята за минимальный нулевой уровень энергии.
Точное кинетическое уравнение, описывающее нестационарное вакуумное рождение частиц, было получено в 1997 году физиками-теоретиками из Дубны, Ростокского и Саратовского университетов и несколько позже учеными из Лос-Аламосской Национальной лаборатории и Тель-Авивского университета.
Вакуумное рождение электрон-позитронной пары осуществляется под действием сильного постоянного электрического поля, при этом энергия родившихся частицы и античастицы оказывается одинаковой. В настоящее время современными исследованиями доказано, что вакуумное рождение элементарных частиц может происходить не только под воздействием сильных электромагнитных полей, но и других многочисленных механизмов возбуждения физического вакуума.
Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра, является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе. Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра. Рождение электрон-позитронных пар в физике элементарных частиц, является обратным аннигиляции процессом, при этом элементарные частицы и античастицы образовываются в одинаковом количестве.
Наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной – одна из самых больших нерешённых задач физики. Физики называют эту ситуацию барионной асимметрией. Такое название связано с тем, что барионы, в первую очередь протоны и нейтроны, служат основными составляющими вещества.
Объяснить барионную асимметрию вселенной – непростая задача. Теория предсказывает одинаковое количество вещества и антивещества во вселенной непосредственно после Большого взрыва. Однако именно благодаря барионной асимметрии мы существуем на свете.