Что такое античастица и антивещество
Каждый атом привычной нам материи состоит из протонов, нейтронов и электронов. Однако в 1920-х годах советский ученый Д. Скобельцин, исследуя рассеяние гамма-лучей на электронах обнаружил, что не все треки внутри магнитного поля направлены одинаково. На тот момент физик не мог знать, что существует антиэлектрон, которые является зеркальной копией электрона.
Немного позже объяснения этим явлениям дал П.-А.-М. Дирак.
Античастица – это двойник элементарной частицы, имеющая противоположные по знаку характеристики. Так, антиэлектрон – это копия электрона с положительным зарядом, поэтому называется позитрон. Если частица электрически нейтральна, то ее античастица тоже не имеет заряда.
Позитроны, антипротоны и антинейтроны формируют антивещество. Во Вселенной частицы и античастицы равнозначны и существуют в одинаковых условиях. Столкновения электрона с позитроном происходит их аннигиляция с высвобождением γ-квантов.
Соответственно, антивещество формирует антимир, т.е. некий объект во Вселенной, состоящий из античастиц.
Теория Дирака
В 1928 г. Дирак занимался квантовой теорией электрона. Ученый добавил в уравнение Клейна-Гордона-Фока дополнительные матричные операторы, поскольку поставил цель вывести линейное уравнение относительно оператора дифференцирования.
Полученное уравнение совместно с уравнением Максвелла дает объяснения взаимодействиям между электроном и электромагнитным полем. Это своего рода обобщение релятивистской теории, классической механики Ньютона и уравнение Шредингера.
Уравнение Дирака:
где m – масса частицы;
с – скорость света;
Pj операторы импульсных компонент;
ℏ – постоянная Планка;
ψ(x, t) – волновая функция биспинор;
αj – линейные операторы (матрицы 4х4).
Среди решений данного уравнения есть и соответствующие отрицательным энергиям частицы или частицам с отрицательной массой. Таким образом, из уравнения Дирака следует, что должна быть частица, характеристики которой совпадают с таковыми для электрона, но противоположны по знаку.
Таким образом, Дирак предсказал существование антиэлектрона.
В 1932 г. позитрон был открыт Г. Андерсоном. Ученый использовал камеру Вильсона, аналогично Скобельцину, но теперь, опираясь на выводы Дирака, это доказывало существование антиэлектрона.
Антимир, Антивселенная, симметричность Вселенной
Если рассматривать антимир как копия нашей Всленной из античастиц, то, по мнению некоторых физиков, например, Б. Констатинова, на нашу планету должны падать объекты из антиматерии.
Согласно гипотезе Г. Наана, Вселенная симметрична и в противовес нашему миру из элементарных частиц существует и антимир.
Сегодня существует предположение, что в космическом пространстве нет крупных тел из антивещества. Это выражено в теории асимметричности Вселенной. Барионная асимметрия выражается в видимом преобладании материи над антиматерией.
В 1960-х годах А. Д. Сахаров обобщил список условий барионной антисимметрии Вселенной:
- между миром и антимиром существует асимметрия, проявляющаяся в нарушении СР-инвариантности;
- закон сохранения барионного заряда не работает;
- нарушение термодинамического равновесия на ранних стадиях развития Вселенной.
СР-инвариантность – это совокупность симметрий (С –заряд, Р – четность). За счет этого возможно полное зеркальное отражение системы. При слабом распаде эта симметрия нарушается.
Существует гипотеза о природе Большого Взрыва: это результат столкновения вещества с антивеществом.
В произведениях жанра научной фантастики также есть много предположений об антиматерии и антимирах. Примеры произведений на данную тематику, основанные на выдвинутых гипотезах:
- «Триумф времени» Дж. Блиш, 1958 г.;
- «Антимир» К. Боруня, 1960 г.;
«Час Быка», И. Ефремов 1970 г.