Чем отличается темная материя от антиматерии?

Алан-э-Дейл       30.10.2022 г.

Что такое антивещество

Антивещество — это просто противоположность обычной материи. Антивещество состоит из античастиц, тогда как обычное вещество состоит из частиц. Масса данной частицы и ее античастицы одинакова, но некоторые характеристики, такие как заряд, магнитный момент, спин, число барионов и число лептонов, имеют противоположные знаки.

Современный аспект антивещества начался с предсказания Пола Дирака в 1928 году. Его теория предсказывала возможность существования частицы, имеющей такую ​​же массу электрона, но равный и противоположный заряд. Этот прогноз был подтвержден Карлом Д. Андерсоном в 1932 году, который обнаружил антивещество, двойник электрона, называемый позитрон (антиэлектрон), во время исследования космических лучей. Это была первая обнаруженная античастица.

Согласно стандартной модели каждая частица обычного вещества имеет античастичный аналог. Кроме того, у каждого кварка есть аналог антивещества. Например, античастицами электрона, протона и нейтрона являются позитроны, антипротон и антинейтрон соответственно.

Простейшим антиатомом является антиводород, состоящий из антипротона и позитрона. Хотя ученые все еще не могут создать антинуклеусы, более тяжелые, чем антигелий, любое сложное ядро ​​антиатома, согласно принципам физики, возможно.

Согласно теории, антивещество взаимодействует через все четыре фундаментальных взаимодействия, а именно гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое взаимодействия. Таким образом, антивещество также изгибает пространство-время, как это делает обычная материя.

Расщеплена на элементарные частицы.

Требуется:
Универсальная машина расщепления (т.е. ускоритель элементарных частиц), невообразимое количество энергии.Метод:
Возьмите каждый отдельный атом планеты Земля и расщепите его на водород и гелий. Расщепление тяжелых элементов на водород и гелий является противоположностью самоподдерживающейся реакции на Солнце: вам потребуется вкладывать энергию, поэтому требования по энергии такие огромные.Что останется:
В то время как газовые гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в первую очередь из гелия и водорода, достаточно массивны, чтобы удерживать свои атмосферы, Земля недостаточно массивна. На месте Земли окажется тонкое облако газа.Оценка осуществимости:
2/10. Технически возможно, но опять же ошеломляюще неэффективно и отнимает огромное количество времени. Ребята, вам, по крайней мере, потребуется несколько миллиардов лет.

Описание[]

«Материя» — общий термин для любой субстанции, атомы которой состоят из протонов, нейтронов и электронов. Всё на Земле и все, что мы обнаружили на других планетах, состоит из обычной материи.

Антиматерия — «зеркальная» версия материи. Ее атомы состоят из антипротонов, антинейтронов и антиэлектронов. Она не возникает естественно, за исключением небольшого количества при взрыве сверхновых и в черных дырах, но ее можно создать при помощи ускорителей частиц и других устройств.

Когда материя и антиматерия соединяются, они превращаются в энергию в соответствии с известным уравнением Эйнштейна: Е=mc2, где m — общая масса вещества и антивещества, c — скорость света. Одна унция массы, полностью перейдя так в энергию, может обеспечить подъем почти двух триллионов тонн на фут от земли.

Ожидалось, что реакторы, основанные на реакции между материей и антиматерией, станут решением для энергетического кризиса и загрязнения окружающей среды. Но обилие и дешевизна производимой энергии только поощряло строительство новых заводов, а это, в свою очередь, еще сильнее загрязняло окружающую среду и увеличивало спрос на полезные ископаемые и сырье.

Свойства материи и антиматерии

По сравнению с обычной материей, антиматерия имеет «обратную полярность». Ее ядра состоят из антипротонов (с отрицательным электрическим зарядом вместо положительного) и антинейтронов (без электрического заряда, как и нейтроны). Ядра окружены антиэлектронами (также называемыми позитронами, так как они имеют положительный заряд, а не отрицательный). Материя и антиматерия взаимно притягиваются из-за разности электрических зарядов. Когда они соединяются, то аннигилируют, производя колоссальное количество энергии.

Первоначально ученые считали, что антиматерия ведет себя абсолютно так же, как ее нормальный эквивалент. И если это так, то почему при большом взрыве не было создано равное количество материи и антиматерии? Тогда бы они аннигилировали, и вселенная содержала бы только чистую энергию. Эксперименты, проведенные в конце XX века, показали незначительные различия между материей и антиматерией, в скорости распада каонов и антикаонов (а также В-мезонов и анти-В-мезонов) под влиянием слабого ядерного взаимодействия. Эти незначительные различия способствовали созданию, в основном, обычной материи, а небольшое количество возникшей антиматерии почти полностью аннигилировало с материей сразу после рождения вселенной.

Исследователи также предположили, что антиматерия должна обладать антигравитационными свойствами, и отталкиваться от нормальной материи. Эта теория позволила мечтать о летающих городах и огромных воздушных кораблях. Но когда было получено измеримое количество антиматерии, обнаружилось, что гравитация действует на нее так же, как на обычную материю.

Использование анобтаниума в хранении антиматерии

В конце XXI века Джеральд Хурвиц и Када н’Гома построили первый генератор, основанный на аннигиляции. Несмотря на их удивительное открытие, ученые сомневались, что такой генератор будет иметь смысл применять для питания объектов меньших, чем большой город, так как генератору требовалась огромная охлаждающая установка для поддержания сверхпроводимости в магнитах, сдерживающих реакцию между материей и антиматерией. И действительно, почти две трети первого межзвездного корабля занимала энергетическая установка и ее система охлаждения.

Но последующее открытие анобтаниума, обладающего свойством сверхпроводимости при высоких температурах, означало, что аннигиляционный реактор больше не нуждался в громоздких системах охлаждения. Это увеличило скорость, грузоподъемность и эффективность межпланетных кораблей и сделало возможной колонизацию Пандоры.

Сварена в солнечной топке.

Требуется:
средства для фокусировки заметной части выброса энергии солнца прямо на Землю. О чем здесь идет речь? О зеркалах, множестве зеркал. Перехватите несколько астероидов немаленького размера для получения сырья, и начинайте производство километровых листов из легких отражающих материалов (алюминизированого майлара, алюминиевой фольги, никелевой фольги или что еще вы сможете сделать). Литсы должны будут уметь самостоятельно менять фокусное расстояние, так как положение Солнца и Земли будут постоянно меняться, поэтому прикрепите к каждому листу несколько маневровых двигателей, а также коммуникационные и навигационные системы. Согласно предварительным расчетам вам потребуется примерно 2 триллиона квадратных километров зеркал.Метод:
Управляйте зеркалами таким образом, чтобы сфокусировать на Земле как можно больше солнечной энергии – либо на ядре, либо на какой-нибудь точке поверхности. Теоретически, температура Земли повысится, пока планета полностью не выкипит и не превратится в газовое облако.Что останется:
Газовое облако.Оценка осуществимости:
3/10. Главная проблема в том, что сделать, чтобы предотвратить остывание материи, и Земля снова не превратилась в планету? На самом деле, если поверхностные слои планеты станут газообразными, что заставит их улетучиваться в космическое пространство, а не оставаться у поверхности, вбирая еще больше энергии и предотвращая низшие слои от нагревания? Если количество энергии не будет действительно огромным, то вы получите в лучше случае газовую планету, и то временно.

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.

Антиматерия

Рубрики Все статьи,Физика, автор Админ — Янв 10, 2012

Антиматерия – это материя, состоящая из античастиц, то есть частиц  с точно такими же, но обратными по значению электрическими и магнитными свойствами тех частиц, противоположностями которых они являются. Каждая частица обладает своей зеркальной копией – античастицей. Античастицы протона, нейтрона и электрона называются антипротоном, антинейтроном и позитроном, соответственно. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более меньших частиц, называемых кварками. Антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков.

Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во Вселенной могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения.

Большинство астрономов, все же сходятся во мнении, что антивещества все-таки не так уж и много или вообще нет в природе, иначе, как они рассуждают, во Вселенной было бы много мест где обычная материя и антиматерия сталкиваются друг с другом, что сопровождалось бы мощным потоком гамма-лучей, вызванных их аннигиляцией. Аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц материи и антиматерии, сопровождающееся выделением энергии. Однако такие регионы не были найдены.

Одна из возможных гипотез возникновения антиматерии связана с теорией большого взрыва. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла в результате взрыва и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме.

Из-за отсутствия возможности изучить свойства антиматерии в природе, ученые прибегают к искусственным способам образования антивещества. Для его получения используют специальные научные прибору – ускорители частиц, в которых атомы материи разгоняются до около световой скорости (300 000 км/сек). Сталкиваясь, некоторые частицы разрушаются, в результате чего образуются античастицы, из которых можно получить антиматерию. Сложной проблемой является хранение антивещества, так как, соприкоснувшись с обычной материей, антивещество уничтожается. Для этого полученные крупицы антиматерии помещают в вакуум и в магнитное поле, которое удерживает их в подвешенном состоянии и не дает прикоснуться к стенкам хранилища.

Не смотря на всю сложность получения и исследования антивещества, оно может предоставлять для нашей жизни множество преимуществ. Все они основаны на то факте, что при взаимодействии антиматерии с материей выделяется огромное количество энергии. Причем отношение высвобождаемой энергии к массе участвующего вещества не превзойдена ни одним видом топлива или взрывчатого вещества. В результате аннигиляции нет никаких побочных продуктов, только чистая энергия. Поэтому ученые уже сейчас мечтают об ее применении. Например, об электростанциях на антиматерии с нескончаемым ресурсом. Космические корабли с анигиляторными двигателями смогут пролетать тысячи световых лет на около световой скорости. Военным это даст возможность создать огромную по мощности бомбу, гораздо более разрушительную, чем атомная или водородная бомба. Однако всем этим мечтам не суждено осуществится, пока мы не сможем получать недорогое антивещество в промышленных масштабах.

Теги: анигиляция, антивещество, антиматерия, антинейтрон, антипротон, позитрон, энергия

Янв1

Поглощение странглетами

Для такого экстравагантного способа уничтожение нашего зеленого шарика вам понадобится захватить релятивистский коллайдер тяжелых ионов из Брукхейвенской лаборатории в Нью-Йорке и с его помощью создать «армию» стабильных странглетов. Вторым пунктом этого дьявольского плана значится поддержание стабильности странглетов, пока они не превратят планету в мешанину из странной материи. Придется подойти к этой проблеме творчески, так как никто еще этих частиц даже не обнаружил.

Несколько лет назад ряд СМИ действительно писали о том, что именно этим и занимаются в Брукхейвенской лаборатории коварные ученые, но суть такова, что шансы на то, что когда-нибудь будет получен стабильный странглет, стремятся к нулю.

О темной материи

По факту обнаружить темную материю, как это вышло с антивеществом, не удалось. Однако, открыты довольно убедительные доказательства ее существования. Длительные наблюдения позволили ученым сделать выводы, что должно существовать больше темного вещества, чем есть в нашей вселенной.

Как вспомогательное доказательство того, что темная материя есть, ученые используют спиральные галактики. С какой скоростью будет вращаться такая галактика, зависит от ее массы, они увеличиваются прямо пропорционально. Большинство спиральных галактик, включая наш Млечный путь, вращаются быстрее, чем предполагалось изначально. Выходит, что их масса должны быть выше, чем та, что специалисты наблюдают. Разница представлена отсутствующей или ненаблюдаемой материей, теоретически ее можно отнести к темной материи.

В соответствии с теми теориями, от которых отталкивается современная наука, темная материя может взаимодействовать только через слабые и гравитационные взаимодействия. Гравитационное влияние однозначно существует, оно заметно. Однако, темную материю, нельзя увидеть, и поэтому она труднодоступная, ее очень трудно обнаружить. Все было бы по-другому, если бы она могла производить электромагнитные и сильные взаимодействия.

Аннигилирована соответствующим количеством антиматерии.

Требуется:
Планета размером с Землю из антиматерии. В настоящее время антиматерия может быть произведена в очень маленьких количествах в огромных ускорителях частиц. Чтобы создать достаточное количество антиматерии с помощью ускорителей потребуется вечность, поэтому, может быть, вам удастся усовершенствовать этот процесс или придумать совершенно новый.Метод:
После того, как вам удалось получить достаточно антиматерии, просто запустите эту массу в направлении Земли. Последующее высвобождение энергии (согласно известной формуле Эйнштейна E=mc2) будет эквивалентно тому количеству, которое Солнце испускает за 89 миллионов лет.Что останется:
При столкновении материя и антиматерия полностью аннигилируют друг друга. От Земли останется только вспышка света, расширяющаяся в пространстве. Это самый радикальный метод из всех предложенных, так как сама материя, из которой была сделана Земля, прекращает свое существование. Землю невозможно будет собрать заново.Оценка осуществимости:
2/10. Технически ВОЗМОЖНО создавать антиматерию, поэтому технически ВОЗМОЖНО уничтожить Землю. Но если не будет придумано новых методов создания антиматерии, то для его осуществления потребуется нереально огромное количество времени.Комментарий:
С помощью значительно меньшего количества антиматерии можно просто взорвать Землю.

Катализируемое на антивеществе оружие

Катализируемый антиматерией ядерный импульсный двигатель предлагает использовать антивещество в качестве «спускового крючка» инициировать малые ядерные взрывы; взрывы обеспечивают тягу космического корабля. Теоретически можно было бы использовать ту же технологию для производства очень маленьких и, возможно, «свободных от деления» (очень низких радиоактивные осадки) оружие (см. чисто термоядерное оружие). Оружие, катализируемое антивеществом, могло бы быть более избирательным и приводить к менее длительному загрязнению, чем обычное ядерное оружие, и поэтому его применение могло бы быть более политически приемлемый.

Последние достижения и физические препятствия

Исследования, проведенные в 2008 году, резко увеличили количество позитроны (антиэлектроны), которые могут быть произведены. Физики на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора в Калифорнии использовали короткий сверхинтенсивный лазерный импульс для облучения золотой мишени миллиметровой толщины, которая произвела более 100 миллиардов позитронов.

Даже если бы можно было преобразовать энергию напрямую в пары частица / античастица без каких-либо потерь, крупномасштабный электростанция генерируя 2000МВт Чтобы произвести всего один грамм антивещества, потребуется 25 часов. Учитывая, что средняя цена на электроэнергию составляет около 50 долларов США за мегаватт-час, это устанавливает нижний предел стоимости антивещества на уровне 2,5 доллара. миллион за грамм. Они предполагают, что это сделало бы антивещество очень экономичным в качестве ракетного топлива, поскольку всего одного миллиграмма было бы достаточно, чтобы отправить зонд в Плутон и назад через год, миссия, которая была бы совершенно недоступна с обычным топливом. Для сравнения стоимость Манхэттенский проект (для производства первой атомной бомбы) оценивается в 23 миллиарда долларов США в ценах 2007 года. Однако большинство ученых сомневаются в возможности достижения такой эффективности.

Вторая проблема — это удержание антивещества. Аннигилирование антивещества с обычным веществом при контакте, поэтому необходимо предотвратить контакт, например, путем производства антивещества в виде твердых заряженных или намагниченных частиц и их суспендирования с помощью электромагнитные поля в почти идеальном вакууме. Очевидное решение — удержать заряженный объект внутри одинаково заряженного контейнера — невозможно, поскольку электрическое поле внутри однородно. По этой причине необходимо иметь заряженные объекты, движущиеся относительно контейнера, которые могут быть ограничены в центральной области магнитными полями; например, в виде тороида или ловушки Пеннинга (см. ниже).

Для достижения компактности при макроскопическом весе общий электрический заряд ядра оружия на антивеществе должен быть очень мал по сравнению с количеством частиц. Например, невозможно создать оружие, используя одни только позитроны, из-за их взаимного отталкивания. Ядро оружия на антивеществе должно состоять в основном из нейтральных античастиц. Чрезвычайно небольшое количество антиводород были произведены в лабораториях, но содержат их (путем охлаждения до температур в несколько милликельвины и заманивая их в ловушку Ловушка Пеннинга) крайне сложно. И даже если бы эти предложенные эксперименты были успешными, они бы улавливали только несколько атомов антиводорода для исследовательских целей, чего слишком мало для оружия или двигателей космических кораблей. Более тяжелые атомы антивещества еще предстоит произвести.

Сложность предотвращения случайной детонации оружия на антивеществе можно сравнить с трудностью ядерного оружия. А ядерное оружиебезотказный’, оружие на антивеществе по своей сути’безотказный’: В оружии из антивещества любой отказ сдерживания немедленно приведет к аннигиляции, которая повредит или разрушит систему сдерживания и приведет к высвобождению всего материала антивещества, в результате чего оружие взорвется полностью с полной мощностью. Напротив, современное ядерное оружие взорвется со значительной мощностью, если (и только если) ядерный спусковой механизм срабатывает с абсолютной точностью, в результате чего нейтронный источник полностью высвобождается (

Что такое антиматерия?

Давайте попробуем найти ответ на этот вопрос, вспомнив некоторые свои школьные знания. Любой учитель труда сказал бы, что материя – это такая ткань, из которой шьют вещи. Однако учитель физики с ним бы не согласился. И заявил бы, что материя – все, что имеет массу и занимает пространство. И на уровне элементарных частиц она состоит из атомов. А каждый атом состоит из таких частиц как протон, электрон и нейтрон.

Впервые предсказал существование антиматерии в 1928 году Поль Дирак, известный математик. Он вывел два решения волновых уравнений Шредингера, из которых следовало, что у электрона должен существовать двойник, имеющий противоположный заряд.

В 1932 году Карл Андерсон, известный сказочник физик, исследуя космические лучи, обнаружил странную частицу, пролетевшую сквозь камеру Вильсона (детектор частиц). Она имела ту же массу, что и электрон. Но противоположный заряд. Ученый назвал ее положительным электроном.

Таким образом математическое предсказание Поля Дирака было экспериментально подтверждено Карлом Андерсоном. Это просто отличный пример взаимосвязи математики и экспериментальной практики.

Итак, о чем это мы? Ах, да. Антиматерия. Так вот, антиматерия состоит из античастиц. То есть из антипротонов, позитронов и антинейтронов. Все эти античастицы антиматерии имеют ту же массу, что и их аналоги в нормальной материи. Но с противоположным зарядом. Но что же происходит, когда встречаются материя и антиматерия?

Взрыв! Аннигиляция! Ослепительная вспышка света! Большая часть энергии высвобождается в виде ионизирующего излучения. Вся выделяющаяся энергия легко вычисляется по знаменитому уравнению Эйнштейна E = MC². Ученые рассчитали, что столкновение половины грамма вещества и половины грамма антивещества высвободит такое количество энергии, которое будет эквивалентно примерно 40% энергии, произведенной бомбой, сброшенной на Хиросиму! Только представьте эту мощь!

Очевидно, что мы не сможем прикоснуться к антиматерии пальцами, сделанными из материи. Мы также не можем хранить ее на каких нибудь складах. Поскольку все вокруг состоит из материи. Поэтому возникает вопрос: как ее производить? И где может храниться антиматерия?

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.

Эти частицы антиматерии (которые называются «античастицы») были получены и изучены на огромных ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер управляемый Европейской организацией ядерных исследований.

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.

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.