В новом выпуске StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс обсуждают одну из самых захватывающих и загадочных тем современной физики — антиматерию. Участники разбираются в том, как из чистого света рождается вещество, почему при встрече материи с её «двойником» происходит идеальный взрыв и какой необъяснимый «космический сбой» позволил нашей Вселенной существовать, не превратившись в океан чистого излучения.
🕰️ Что такое антиматерия: частицы, идущие назад во время 0:00
Антиматерия — это не плод воображения авторов научной фантастики, а реально существующая субсидия, предсказанная физиками-теоретиками . Как объясняет Нил Деграсс Тайсон, понимание антиматерии пришло из изучения поведения элементарных частиц и полей, в которых они движутся. Математические уравнения предсказывали существование частиц, идентичных обычным (например, электрону), но движущихся назад во времени .
Чтобы упростить это парадоксальное описание, ученые интерпретировали такие объекты как необычные частицы, движущиеся вперед во времени, но обладающие противоположными квантовыми свойствами .
Основные характеристики антиматерии:
- Противоположный заряд: Если электрон заряжен отрицательно, то его античастица имеет положительный заряд .
- Собственные названия: Античастицу электрона называют позитроном .
- Идентичная масса: Масса частицы и её антипода абсолютно одинакова .
💥 Аннигиляция: формула идеального взрыва 1:52
Когда частица материи встречается с соответствующей ей частицей антиматерии, происходит процесс, называемый аннигиляцией . Они полностью уничтожают друг друга, превращаясь в чистую энергию. Этот процесс регулируется знаменитым уравнением Эйнштейна $E=mc^2$, где энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света .
Тайсон подчеркивает уникальность этой реакции в сравнении с другими видами энергии:
- Чистота преобразования: В реакции аннигиляции не остается никакого вещества, только фотоны (свет) .
- Эффективность: Обычные ядерные бомбы переводят в энергию лишь малую часть своей массы (около 1% или меньше), в то время как пара материя-антиматерия высвобождает 100% энергетического потенциала .
- Масштаб: Поскольку скорость света ($c$) — это огромное число, даже ничтожное количество массы при возведении $c$ в квадрат дает колоссальный объем энергии .
⚛️ Нейтроны и кварки: антимир на субатомном уровне 3:56
Чак Найс задал резонный вопрос: если антиматерия определяется противоположным зарядом, как может существовать антинейтрон, если сам нейтрон нейтрален? .
Тайсон пояснил, что ответ кроется в структуре элементарных частиц:
- Нейтроны и протоны состоят из более мелких частиц — кварков .
- Кварки обладают дробными электрическими зарядами, которые в сумме дают ноль для нейтрона или единицу для протона .
- Антинейтрон состоит из антикварков, чьи свойства противоположны обычным кваркам .
По словам астрофизика, абсолютно у каждой частицы во Вселенной есть свой «зеркальный» двойник в мире антиматерии .
💡 Рождение материи из света: спонтанное творение 5:16
Материю можно создать буквально из ничего, имея достаточный запас энергии . Ученые регулярно производят антиматерию в лабораторных условиях. Процесс превращения фотонов (света) в частицы подчиняется строгим правилам:
- Энергетический порог: Фотон видимого света не может превратиться в частицу, потому что его энергии недостаточно для создания даже самого легкого электрона .
- Спонтанное превращение: Если энергия фотона выше определенного порога, он может спонтанно превратиться в материю .
- Закон парности: Поскольку свет не имеет заряда, физика запрещает создать один только электрон (отрицательный заряд). Энергия всегда обязана порождать пару: частицу и античастицу одновременно, чтобы их суммарный заряд оставался нулевым .
- Сохранение импульса: При рождении пара разлетается в строго противоположных направлениях, чтобы сохранить нулевой суммарный импульс .
🌌 Великая загадка Вселенной: почему мы существуем? 8:01
В ранней Вселенной, когда всё было невероятно горячим, пространство представляло собой бурлящий «суп» из постоянно рождающихся и аннигилирующих пар материи и антиматерии . Однако по мере расширения и охлаждения Вселенной энергия фотонов упала ниже порога, необходимого для создания новых частиц .
Согласно классической физике, в этот момент все существующие частицы должны были найти свои антиподы, аннигилировать и превратить Вселенную в океан чистого света без звезд, планет и людей . Но этого не произошло.
Нил Деграсс Тайсон описывает это как «нарушение симметрии»:
- Примерно на каждые 100 миллионов актов аннигиляции приходилась одна лишняя частица материи, для которой не нашлось пары .
- Ученые до сих пор не имеют окончательного понимания того, почему возник этот крошечный избыток .
- Всё, что мы видим вокруг — галактики, Земля и мы сами — состоит из того самого «одного выжившего на сто миллионов», оставшегося после великой аннигиляции ранней Вселенной .
🛸 Где прячется антиматерия сегодня? 11:17
Существует ли вероятность, что где-то сохранились целые галактики из антиматерии? По мнению Тайсона, это крайне маловероятно .
Аргументы против существования «антимиров» в нашей видимой Вселенной:
- Отсутствие столкновений: Мы постоянно наблюдаем сталкивающиеся галактики. Если бы одна из них состояла из антиматерии, мы бы видели вспышки колоссальной мощности от тотальной аннигиляции, но этого не происходит .
- Косвенные доказательства: Все данные указывают на то, что наша Вселенная полностью состоит из обычной материи .
В качестве смелой гипотезы Тайсон предполагает, что антиматерия могла быть «вытолкнута» в другую Вселенную в момент нарушения симметрии . Если это так, то где-то может существовать зеркальный мир, жители которого точно так же называют себя «материей», а нас считают «антиматерией». Тайсон шутит, что если вы когда-нибудь встретите инопланетянина из другой Вселенной, сначала бросьте ему монету: если при контакте произойдет взрыв, значит, обниматься не стоит .
