Загадка Вселенной. Куда пропало антивещество?
Современная наука не может ответить на многие вопросы, которые задает сама себе, изучая свойства нашей Вселенной. И решение одного из самых интересных из них может вызвать настоящую революцию в физике .
Странности во Вселенной
В чем же заключается эта загадка? Согласно нынешним представлениям науки, начало нашей Вселенной было положено в результате так называемого Большого взрыва. Это событие произошло примерно 13.8 миллиарда лет назад. Расчеты и уравнения показывают, что в результате этого события должны были родиться пары частиц и античастиц. То есть каждой частице соответствовала своя античастица. Их общая масса была рассчитана с использованием знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc 2 .
Но когда Вселенная начала остывать, произошло нечто странное. Пары частиц и античастиц должны были просто воссоединиться. И снова превратиться в энергию. Но, несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев так и произошло, на каждый миллиард исчезнувших пар оставалась одна частица. И это всегда была частица обычной материи.
Этот необъяснимый наукой факт получил название Барионная асимметрия Вселенной . И если бы ее не существовало, нас бы здесь сейчас не было. Мы обязаны самим своим существованием этой аномалии. Которую оказалось чрезвычайно сложно объяснить. Так произошло потому, что антивещество и нормальная материя не должны, по мнению науки радикально отличаться в основных свойствах. Однако наблюдаемые явления говорят, что между ними есть небольшой дисбаланс. Иначе как можно объяснить огромное количество наблюдаемой нормальной материи, и полное отсутствие ее антипода? Получается, что различие в физике частиц и античастиц все-таки есть. Но оно настолько тонкое, что пока не может быть обнаружено современной наукой.
Где-то на задворках космоса
Некоторые ученые придерживаются мнения, что антивещество никуда не исчезло. А просто скрывается от нашего взгляда где-то в глубинах Вселенной.
В последнее время поиск ответа на этот вопрос был сосредоточен на поиске частиц, называемых стерильными нейтрино и антинейтрино. Теоретики считают, что именно эти частицы могут объяснить, почему материи больше, чем антивещества.
В мае 2018 года исследователи из США заявили, что нашли доказательства существования таких частиц.
Однако эта информация так и осталась неподтвержденной.
Эта статья появилась впервые на сайте Живой Космос.
Вам могут понравиться эти статьи:
Друзья! Если вам понравилась эта статья, ставьте лайк!
Обязательно поделитесь ей в социальных сетях!
И подписывайтесь на наш канал! Спасибо!
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Что такое антивещество?
Мы живем во вселенной, где куча вещества и по большому счету совсем нет антивещества. Двое наших читателей хотят знать, что такое антивещество, и на этот вопрос им дает ответ физик.
Антивещество. От этого слова веет увлекательными книгами и фильмами, в которых злодеи добираются до взрывчатки из антивещества или космические корабли перемещаются на таком топливе.
Но что из себя представляет эта субстанция — что такое, по сути, антивещество?
Это очень хотелось бы знать читателям «Виденскаб». Они прочитали кое-какие из множества статей, которые мы публиковали об опытах физиков с антивеществом, но с удовольствием узнали бы больше.
Во-первых, мы должны уточнить, что нельзя путать антивещество физиков с теми антителами, которые известны нам из биологии и медицины. Там антитела (которые еще называют иммуноглобулинами) — это особые белковые соединения, часть защиты организма против болезней. Они могут связываться с чужеродными молекулами и тем самым защищать тело от микроорганизмов и вирусов.
Но здесь мы будем говорить не о них. Мы связались с ученым из мира физики: преподаватель кафедры физики и астрономии Орхусского университета Николай Синнер (Nikolaj Zinner) с радостью расскажет нам об антивеществе.
Вещество с противоположным зарядом
«Все те частицы, которые, как мы знаем, есть в природе, все, из чего состоит наш мир, существует в вариантах с противоположным зарядом. Это и есть антивещество», — говорит Николай Синнер.
«Антивещество выглядит точно так же и имеет ту же массу, что и обычное вещество, но при этом обладает ровно противоположным зарядом. Например, у положительно заряженных позитронов есть негативно заряженные электроны. Позитроны — античастицы электронов».
Мультимедиа
Научный гигант современности: ЦЕРН и его достижения
«В повседневной жизни мы с антивеществом не сталкиваемся, но оно возникает во многих ситуациях, например, при радиоактивном распаде, под воздействием космического излучения и в ускорителях. Оно просто очень быстро снова исчезает. Когда позитрон встречается с электроном, в результате получается чистая энергия виде двух световых частиц с высокой энергией — квантов».
Исчезает вспышкой света
«Вот электрон и позитрон, у них противоположные заряды, поэтому они притягиваются. Они могут подойти очень близко друг к другу, и когда это происходит, они сливаются и образуют два фотона. Это следствие законов природы, — рассказывает Николай Синнер. — Масса двух частиц превращается в энергию в форме двух частиц — квантов гамма-излучения».
«Если бы у вас было много антивещества, и вы позволили бы ему проконтактировать с обычным веществом, то вызвали бы очень мощную реакцию. И наоборот: энергию можно преобразовать в вещество и антивещество, и это происходит в ускорителях частиц».
Используется в медицинских сканерах
Именно это явление, когда встреча вещества и антивещества приводит к их исчезновению и высвобождению энергии, наверное, в первую очередь и завораживает авторов научной фантастики.
Например, антивещество играет важную роль в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна (Dan Brown), а в «Звездном пути» межзвездные корабли работают на антивеществе.
Но в реальном мире у антивещества — более мирное применение.
Антивещество в виде позитронов, возникающих в результате распада радиоактивных материалов, используется в больницах в сканерах ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), которые могут сделать снимки внутренних органов и обнаружить в них нездоровые процессы.
«То есть антивещество не такое уж и мистическое. Это часть природы, которой мы с удовольствием пользуемся», — говорит Николай Синнер.
А еще мы подвергаем себя воздействию антивещества, поедая бананы. Они содержат калий, который немного радиоактивен и выделяет позитроны при распаде. Примерно каждые 75 минут банан испускает позитрон, который быстро сталкивается с каким-нибудь электроном, и они превращаются в два гамма-фотона.
Но это все совершенно не опасно. Чтобы получить дозу излучения, соответствующую той, что мы получаем, делая рентгеновский снимок, нам придется поглотить несколько сотен бананов.
Его предсказали еще до открытия
Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.
В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.
Контекст
Физика, сокрытая в эволюции
Возможная компьютерная революция 21-го века
Лабораторные черные дыры?
Астрофизика в лаборатории
С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.
Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.
Обнаружен в камере Вильсона
Тогда о частицах с отрицательной энергией ничего не знали, и Поль Дирак интерпретировал свое открытие так: может существовать частица, совершенно такая же, как электрон, за исключением противоположного заряда.
Если у электрона — негативный заряд, то должна существовать и соответствующая частица с позитивным зарядом. Согласно расчетам, то же правило должно касаться всех элементарных частиц, то есть вообще всех частиц, из которых состоит мир.
И вот началась охота за антиэлектроном. Американский физик Карл Андерсон (Carl Anderson) использовал туманную камеру (она же камера Вильсона), чтобы обнаружить следы частиц из космоса, имеющих ту же массу, что и электрон, но с противоположным зарядом.
Так был открыт антиэлектрон Дирака, который получил название позитрон — сокращение от «позитивного электрона». С того момента шаг за шагом открывали все новые античастицы.
Вселенная вначале была чистой энергией
Дирак предположил, что отдаленные звезды — возможно, половина из всех, что мы видим на небе, — могут состоять из антивещества, а не вещества. Это следует, например, из его речи, которую он произнес, принимая Нобелевскую премию по физике в 1933 году.
Но сегодня мы знаем, что все во вселенной состоит только из вещества, а не из антивещества. И это действительно загадочно, потому что в начале существования вселенной должно было быть примерно одинаковое количество того и другого, объясняет Николай Синнер.
«Если мы начнем отматывать назад развитие вселенной, энергии будет становиться все больше и больше. Плотность возрастет, температура повысится. Наконец, все превратится в чистую энергию — энергонесущие или силовые частицы вроде фотонов. Таково было начало вселенной, согласно нашим самым распространенным космологическим теориям».
«А если мы снова пойдем вперед от этой точки отсчета, то в какой-то момент энергия должна будет начать превращаться в вещество. Вполне можно создавать вещество из чистой энергии, но в таком случае у вас получается столько же антивещества, сколько и вещества. Вот в чем проблема — можно было ожидать, что будет одинаковое количество того и другого».
«Должен существовать какой-то закон природы, который отвечает за то, что сегодня существует больше вещества, чем антивещества. И ничего больше не скажешь об этом дисбалансе. А так можно было бы объяснить эту ассиметрию».
Нейтрино помогут решить загадку
Большой вопрос заключается в том, где в законах природы следует искать причину победы вещества над антивеществом. Это физики пытаются выяснить с помощью экспериментов.
В научно-исследовательском центре ЦЕРН в Швейцарии антивещество производят и удерживают в магнитных полях и с помощью ряда экспериментов с антиводородом физики пытаются найти ответ на вопрос, являются ли вещество и антивещество точным зеркальным отражением друг друга.
Возможно, между ними все-таки есть небольшая разница, за исключением заряда, и эта разница поможет объяснить, почему во вселенной так много вещества относительно антивещества.
Удалось создать антигелий
Так как антивещество очень редкое и быстро исчезает при встрече с веществом, в природе молекул антивещества нет, а создавать получается лишь самые маленькие его молекулы.
В 2011 году американским ученым удалось создать антигелий. Более крупных атомов не получилось.
Мы на «Виденскаб» немало писали об этих экспериментах, которые пока что демонстрируют, что антивещество ведет себя точно так же, как и вещество, о чем, например, рассказывается в статье «Орхусский ученый провел самые точные измерения антиводорода за всю историю». И, возможно, решение этой загадки помогут нам найти элементарные частицы под названием нейтрино. Об этом мы писали в статье «Ледяной эксперимент раскроет тайну вещества».
«Можно надеяться, что мы найдем ответ в нейтрино, потому что мы уже сейчас знаем, что оно ведет себя странно. Здесь остается много пробелов в физике, так что разумно будет тут и начать копать», — говорит Николай Синнер.
Само по себе антивещество не такое уж мистическое, но физики пока что не выяснили, почему во вселенной сегодня настолько больше вещества, чем антивещества. Они работают над этим вопросом.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник
Куда исчезло антивещество?
Существует не только гамбургский счет, но и Гамбургский приз, присуждаемый за работы в области теоретической физики. Эта премия — одна из крупнейших научных наград Германии, причем учрежденная не без юмора. Ее размер составляет 137 036 евро — это умноженный на тысячу знаменатель постоянной тонкой структуры, она же — константа электромагнитного взаимодействия «альфа» (1/137,036 с точностью до 6 знаков). Приз этого года присужден Валерию Рубакову за работы по космологии.
Таких работ у Рубакова много, причем они относятся к разным аспектам происхождения Вселенной. Поэтому мы прокомментируем лишь одно направление, отмеченное в пресс-релизе по премии и, пожалуй, наиболее известное: работы в области барионной асимметрии Вселенной.
Изначально проблема барионной асимметрии была отмечена А. Д. Сахаровым, систематически обгонявшим свое время (см. [1]). Почему во Вселенной есть вещество и почти нет антивещества? А если уж так получилось, то почему вещества столь мало — один протон на миллиард реликтовых фотонов, хотя (исходя из соображений термодинамики) их должно быть примерно одинаково? Не получилось ли так, что кварков и антикварков сначала было поровну, потом они стали аннигилировать друг с другом, но в процессе образовался перекос на одну миллиардную в сторону вещества, вот он и остался — одна миллиардная от былой концентрации?
Сахаров очень четко разложил по полочкам, что для этого нужно: нарушение симметрии между частицами и античастицами (СР – нарушение), нарушение закона сохранения барионов, отклонение от термодинамического равновесия в ранней Вселенной. Но в его работе, опередившей время, было трудно дать вразумительный механизм нарушений; особенно это касалось нарушения числа барионов.
Следующий шаг — теория великого объединения: в ней число барионов нарушается естественным образом. В работе Вадима Кузьмина 1970 года барионная асимметрия строится на теории великого объединения — появилась твердая почва под ногами теоретиков, хотя сценарий оказался слишком «зажатым»: всё должно было свершиться в определенном узком интервале времени в очень ранней Вселенной.
Следующий шаг был сделан благодаря идее Рубакова о том, что число барионов (кварков) может не сохраняться из-за прекрасно известных электрослабых взаимодействий: для этого требуется сильное внешнее воздействие на систему кварков. Изначально Валерий придумал «эффект Рубакова», где на протон оказывается воздействие тяжелым магнитным монополем (монополь т’Хоофта — Полякова, есть такой зверь в теории) и протон распадается. Затем они вместе с Вадимом Кузьминым и Михаилом Шапошниковым применили эту идею к космологии и опубликовали статью [2], которая набрала уже более трех тысяч цитирований. Их идея резко расширила набор и временной интервал возможностей для генерации барионной асимметрии — оказалось, что она может протекать вплоть до температур порядка 100 ГэВ (почти микросекунду). Статья открыла широкое поле деятельности, которое продолжил разрабатывать и сам Валерий Рубаков, и другие авторы.
Физик по гамбургскому счету
Гамбургская премия по теоретической физике за 2020 год присуждена Валерию Рубакову, академику РАН, глав. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН, профессору МГУ имени М. В. Ломоносова. Об этом стало известно 15 июня [3].
Церемония вручения премии состоится в ноябре 2020 года в Гамбурге. Ее организуют Фонд Йоахима Герца в партнерстве с Центром имени Вольфганга Паули Гамбургского университета и исследовательским центром Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) и двумя физическими научными кластерами Гамбургского университета: CUI: Advanced Imaging of Matter и Quantum Universe.
Глава Фонда Йоахима Герца Хеннеке Лютгерат (Henneke Lütgerath) отметил: «Работы Рубакова помогают нам продвинуться в раскрытии загадок происхождения материи и исчезновения антиматерии и ответить на вопрос, как существование планет и зарождение жизни на Земле вообще стало возможным».
Осенью 2020 года Валерий Рубаков совершит несколько научных визитов в Гамбург. Как и лауреаты Гамбургской премии предыдущих лет, он присоединится к коллаборации исследователей, представляющих лучшие научные институты Гамбурга.
«Для нас большая честь, что академик Рубаков, отмеченный такой высокой наградой, один из крупнейших мировых специалистов по теоретической физике, будет работать с нами. Его визионерский подход близок исследованиям в области элементарных частиц в Гамбурге. Идеи Валерия Рубакова распространяются также и на соседние дисциплины и оказывают влияние на математику и экспериментальную физику», — отмечает профессор Фолькер Шомерус (Volker Schomerus), председатель жюри, глав. науч. сотр. исследовательского центра DESY и председатель Центра имени Вольфганга Паули.
Источник