Космология - 10
Космология - 10
Общие сведения
Концепция антиматерии была окончательно сформирована в середине двадцатого века и впоследствии нашла надежное экспериментальное подтверждение. Фундаментальное отличие антивещества заключается в его взаимодействии с обычным веществом: при любом их контакте происходит процесс аннигиляции. Данный процесс сопровождается исчезновением исходных частиц и выделением значительного количества энергии, которая высвобождается либо в форме высокоэнергетических фотонов, либо в виде новых пар элементарных частиц и античастиц.
Структура и свойства
Согласно современным физическим моделям, антиматерия имеет структуру, абсолютно идентичную структуре обычной материи. Она состоит из аналогичных ядер и характеризуется симметричным электромагнитным взаимодействием, представляя собой своеобразное зеркальное отражение привычного вещества. Экспериментальные данные подтверждают эту симметрию; в частности, спектр излучения антиводорода полностью совпадает со спектром обычного водорода. Теоретически, законы физики допускают существование сложных структур из антиматерии. Однако колоссальное энерговыделение при аннигиляции делает невозможным длительное сосуществование вещества и антивещества в едином пространстве. Энергетический потенциал этого процесса породил множество теоретических концепций, включая гипотетические фотонные двигатели, способные развивать скорости, близкие к скорости света. На практике реализация подобных проектов невозможна из-за критической сложности и колоссальных затрат на получение даже минимального количества античастиц.
История синтеза и стоимость
Первые успешные эксперименты по искусственному получению антиматерии были проведены советскими физиками: в тысяча девятьсот шестьдесят пятом году были синтезированы ядра антидейтерия, а в тысяча девятьсот семидесятом году удалось получить антигелий. В дальнейшем центр исследований переместился в западные институты, такие как ЦЕРН. В две тысячи первом году был впервые получен антиводород. Значительный прорыв произошел в две тысячи десятом году, когда путем охлаждения облака, состоящего из тридцати тысяч антипротонов и двух миллионов позитронов, удалось синтезировать тридцать восемь атомов антиводорода. Дальнейшие эксперименты, включая исследования на американских коллайдерах и Большом адронном коллайдере в две тысячи пятнадцатом году, позволили получить антиматерию в объемах, достаточных для подтверждения ее структурной идентичности с обычным веществом. В настоящее время антиматерия является самым дорогим веществом на планете. Затраты на получение одного миллиграмма позитронов оцениваются примерно в двадцать пять миллионов долларов, а один грамм антиводорода стоил бы около шестидесяти двух с половиной триллионов долларов.
Барионная асимметрия Вселенной
Одним из главных парадоксов современной космологии и фундаментальной физики является отсутствие наблюдаемой антиматерии во Вселенной, несмотря на то, что в ранние эпохи, в период формирования кварков и барионов, должны были возникнуть равные доли вещества и антивещества. Это явление преобладания материи над антиматерией получило название барионной асимметрии Вселенной. В тысяча девятьсот шестьдесят седьмом году было показано, что для возникновения такой асимметрии необходимо выполнение ряда фундаментальных условий, среди которых нарушение CP-симметрии, несоблюдение закона сохранения барионного заряда и нарушение термодинамического равновесия. На сегодняшний день не существует единой общепринятой теории, объясняющей этот феномен. Рассматриваются различные научные гипотезы. Одна из них предполагает, что изначальные условия расширения Вселенной уже были несимметричными, хотя это противоречит классическим представлениям о первоначальной бесконечной плотности и симметрии. Другие модели предполагают, что при равном изначальном количестве вещества и антивещества произошли некие асимметричные реакции, приведшие к постепенному доминированию материи и исчезновению антивещества. Также существуют теории о пространственном разделении вещества и антивещества на ранних этапах эволюции космоса. Выдвигаются предположения о роли черных дыр в сепарации частиц или о трансформации антиматерии в темную материю. Различные теоретические модели взаимодействия элементарных частиц, разрабатываемые с тысяча девятьсот семьдесят третьего года, пытаются описать механизм возникновения этого дисбаланса, однако точная природа барионной асимметрии остается невыясненной.