Что такое аннигиляция?

Наука и жизньНаука

Аннигиляция в вопросах и ответах

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов.

Часть изображения пузырьковой камеры. Движущийся позитрон (коричневая линия) аннигилирует в точке А с покоящимся электроном. Один из образовавшихся фотонов пролетел некоторое расстояние по направлению импульса позитрона в точке А (он невидим в камере, поэтому его путь показан красными кружками) и образовал в точке П новую пару электрон-позитрон (зелёные линии). Источник: CERN (с изменениями)

Аннигиляция — одно из самых загадочных и грозных явлений в глазах большинства людей, к тому же связанное с не менее таинственным антивеществом. Она ассоциируется с удивительным процессом полного уничтожения вещества, сопровождающимся выделением огромного количества энергии. Определённая доля правды здесь есть, но в целом это неверно. Способствует неправильным представлениям и использование слова «аннигиляция» в обычном языке, где оно означает «уничтожение». Свою роль играют множество книг и фильмов, в которых аннигиляция позволяет летать космическим кораблям и создавать сверхмощные бомбы. К сожалению, подчас ситуацию усугубляют научно-популярные издания. После выхода в свет известной книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» (2000 год, экранизирована в 2009 году), где фигурирует бомба из антивещества, на сайте ЦЕРН, крупнейшей в мире организации по физике высоких энергий, появилась страница ответов на возникшие у читателей вопросы. И там я обнаружил утверждение, что при аннигиляции «массы частицы и её античастицы преобразуются в чистую энергию». Подобные утверждения, «упрощающие понимание», строго говоря, ошибочны с физической точки зрения и вводят в заблуждение людей, далёких от науки. В этой статье я попробую рассказать, что такое аннигиляция, и ответить на некоторые возникающие вопросы.

Что такое аннигиляция и уничтожается ли в ней вещество?

В физике элементарных частиц аннигиляция — процесс превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо другие частицы. Таким образом, аннигиляция — не уничтожение вещества, а его трансформация. В этом смысле аннигиляция не совсем удачный термин. Но он исторически прочно вошёл в физику, и отказываться от него учёные не собираются, а остальным надо просто не воспринимать его буквально. Или понимать как уничтожение исходных частиц.

В случае частиц, имеющих внутреннюю кварковую структуру, ситуация сложнее. При взаимодействии адронов с антиадронами (например, протона с антипротоном) аннигилируют не сами адроны, а образующие их кварки и антикварки. Могут аннигилировать также кварк-антикварковые пары, входящие в состав одной частицы. Так, нейтральный пи-мезон π0 состоит из квантово-механической суперпозиции двух кварк-антикварковых пар uū и ddˉ(черта сверху означает античастицу). Аннигиляция такой пары приводит к распаду мезона на два фотона.

Что такое антивещество?

Для физика античастицы, по сути, ничем не отличаются от обычных частиц. Они — их двойники, различающиеся знаками всех зарядов, а вот массы и некоторые другие характеристики у них одинаковы. Надо понимать, что у элементарных частиц, помимо всем известного электрического заряда (q), есть и другие виды параметров, называемых зарядами, ароматами и квантовыми числами. К ним относятся, например, барионный (B), лептонный (L) и цветовой заряды. Так, у электрона q = −e, L = +1, B = 0, а у позитрона q = +e, L = −1, B = 0 (здесь e ≈ 1,6·10–19 Кл — элементарный заряд), а массы и спины у них одинаковы. То, что у каждого типа частиц есть античастица, следует из теории, и для всех известных частиц античастицы обнаружены экспериментально. Для истинно нейтральных частиц, вроде фотона и π0, у которых все заряды равны нулю, античастица и частица совпадают.

Античастицы могут образовывать атомы с ядрами из антипротонов и антинейтронов, а вместо электронов у них — позитроны. Любопытно, что позитрон и электрон сами могут образовывать подобие атома водорода — позитроний. Вещество, состоящее из античастиц, получило название антивещество, или антиматерия. В общем случае вещество и материя — термины многозначные и в некоторых ситуациях могут не совпадать, но в нашем контексте мы можем считать их синонимами.

Антивещество экзотично только в том смысле, что в нашей Вселенной практически не встречается. Оно не существует в стабильном состоянии, а рождается в различных процессах и быстро уничтожается аннигиляцией. Загадка преобладания во Вселенной вещества над антивеществом (барионная асимметрия) — одна из самых больших нерешённых задач современной космологии.

Лабораторная установка в НИИЯФ им. Д. В. Скобельцына (МГУ) для исследования студентами двухфотонной электрон-позитронной аннигиляции. Источником позитронов служит радиоактивный изотоп натрий-22, расположенный в центре установки. По её краям размещены шесть сцинтилляционных детекторов для регистрации разлетающихся гамма-квантов. Источник: НИИЯФ им. Д. В. Скобельцына (МГУ)

Где можно увидеть аннигиляцию?

Этот вопрос совпадает с вопросом: где можно увидеть антивещество? А оно наблюдается, например, там, где очень энергичные частицы при столкновении порождают античастицы. Это происходит в различных процессах во Вселенной, в частности, в активных ядрах галактик и пульсарах, а также при бомбардировке частицами космических лучей атмосферы Земли. Античастицы даже иногда прилетают на Землю из космоса. Антипротоны были обнаружены в радиационном поясе магнитосферы Земли. А на самой Земле учёные наблюдают образование антивещества в ускорителях и в грозах (см. статью: А. Понятов «Грозовой реактор», «Наука и жизнь» № 2, 2020 г.).

Однако мы можем обнаружить антиматерию и значительно ближе к нам. Позитроны рождаются при радиоактивном распаде некоторых атомов, который получил название позитронный распад (β+-распад). Его испытывают изотопы углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18, калий-40 и другие. Калий-40 интересен тем, что имеет большой период полураспада (более миллиарда лет), и потому встречается в природе. Несмотря на его редкость, он обнаружен во всех растительных и животных тканях. В богатых калием бананах один позитрон появляется примерно каждые 75 минут. Тело человека также содержит калий-40, а это значит, что внутри нас постоянно рождаются и аннигилируют позитроны. Но могу успокоить читателей: это не опасно.

Протон-антипротонная аннигиляция при энергии 540 ГэВ, порождающая множество разлетающихся элементарных частиц. Снимок сделан в стримерной камере — детекторе высокоэнергетических заряженных частиц, в котором треки (траектории) частиц проявляются как последовательности коротких «стримеров» — искр электрического разряда в инертном газе, заполняющем пространство между двумя свинцовыми пластинами. Фотография сделана в 1982 году на суперпротонном синхротроне ЦЕРН. Источник: UA5 collaboration, CERN

Можно ли говорить, что при аннигиляции вещество превращается в энергию?

Строго говоря, нельзя. Вещество состоит из частиц. Причём с точки зрения современной науки нет принципиальной разницы между, скажем, электронами и фотонами. Энергия же — это свойство, которым обладает частица, тот же фотон или электрон. Но мы не можем сказать, что частица — это энергия. Так же, как у мяча есть свойство — цвет, но нельзя утверждать, что мяч — это цвет. При аннигиляции одни частицы вещества превращаются в другие, например в фотоны. Фотоны обладают электромагнитной энергией, но сами энергией не являются.

Утверждение про превращение вещества в энергию при аннигиляции — это дань традиции. Мы же говорим, что Солнце излучает энергию, не уточняя, что на самом деле оно излучает частицы — фотоны, которые и обладают энергией. Фактически в этом случае мы фотоны обозвали энергией. Такая формулировка появилась задолго до открытия фотонов и просто сохранилась в языке, несмотря на её неточность. Первой же была открыта аннигиляция электрона и позитрона с рождением как раз фотонов. К тому же вещество иногда определяют как форму материи, которая обладает массой покоя. С этой точки зрения электрон — вещество, а вот фотон, энергию имеющий, но массой покоя не обладающий, не вещество. Всё это и породило устойчивое выражение про превращение вещества в энергию.

Можно ли говорить, что при аннигиляции масса превращается в энергию?

Нельзя, но совсем по другим причинам. Дело в том, что в современной физике масса — по сути, тоже энергия. Перемещающийся в свободном пространстве электрон просто имеет два вида энергии: кинетическую энергию (энергию движения), зависящую от скорости частицы, и энергию покоя E = mc2, связанную с массой частицы m и от её скорости не зависящую. Таким образом, при аннигиляции обладающих массой частиц в фотоны происходит не превращение массы в энергию, а переход энергии из одной формы в другую.

Кроме того, в реакциях аннигиляции могут возникать не только безмассовые частицы вроде фотонов, но и различные массивные частицы. Всё зависит от того, какие частицы аннигилируют и какими энергиями они обладают. Так, при аннигиляции достаточно быстро движущихся электрона и позитрона могут возникнуть более массивные мюон и антимюон (их масса в 207 раз больше массы электрона). А при энергиях, приближающихся к 1 ГэВ, будут рождаться в основном адроны (масса протона, к примеру, в 1826 раз больше массы электрона). Здесь наоборот энергия движения переходит в форму массы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Схема мироздания Схема мироздания

Что объединяет орнамент, тело человека, элементарные частицы и земной шар?

Вокруг света
Что такое True Tone на iPhone и как правильно настроить эту функцию Что такое True Tone на iPhone и как правильно настроить эту функцию

Собрали все факты о True Tone: как настроить и что это вообще такое

CHIP
Русско-японская война и манипуляции памятью Русско-японская война и манипуляции памятью

Как война с Японией прочно вошла героический раздел русской истории

Знание – сила
Сам себе Капица Сам себе Капица

Ясная, четкая, позиция П. Л. Капицы заставляла власть пойти на уступки

Знание – сила
Недолгий триумф «арийской физики» Недолгий триумф «арийской физики»

В какой тупик может завести себя наука, если станет служанкой нацизма

Знание – сила
Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM

Что не так с фильмом «Собиратель душ» с Николасом Кейджем?

Maxim
Летняя любовь: правила счастливого романа Летняя любовь: правила счастливого романа

Считается, что будущего у курортных романов нет, но перспективы в них не главное

Новый очаг
5 простых шагов, которые помогут оправиться от развода 5 простых шагов, которые помогут оправиться от развода

Пять простых шагов, которые помогут легче адаптироваться к жизни после развода

Psychologies
Триллионы долларов за грамм: 7 самых дорогих материалов в мире Триллионы долларов за грамм: 7 самых дорогих материалов в мире

Алмазы, лекарства и даже песок с Луны — вещества, которые стоят миллионы

ТехИнсайдер
Зло с человеческим лицом Зло с человеческим лицом

Самые кровожадные психопаты в мировой истории

P.I.C. Partner In Crime
Крис Пратт, Кевин Костнер, Риз Уизерспун: сколько актеры зарабатывают на сериалах Крис Пратт, Кевин Костнер, Риз Уизерспун: сколько актеры зарабатывают на сериалах

Знаменитые актеры все чаще отдают предпочтение сериалам

Forbes
Наперегонки с аппетитом Наперегонки с аппетитом

Что такое индекс насыщаемости продуктов и почему он важен для похудения

Лиза
Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок Самцы белощекой казарки посидели на гнездах в отсутствие самок

Некоторые самцы казарки садились на гнезда, когда самки временно покидали их

N+1
Красная, черная, белая Красная, черная, белая

Вино, варенье и еще 8 заготовок из смородины

Лиза
Колеса пока не крутятся Колеса пока не крутятся

Почему блокчейн и цифровые активы не могут помочь с трансграничными расчетами

Монокль
Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга» Дин Итэн: «Жизни обычных людей во всем мире похожи друг на друга»

Премьера спектакля китайского режиссера Дин Итэна «Я не убивала своего мужа»

Монокль
Замужем за неизвестным Замужем за неизвестным

История одного брака, который превратился в сущий ад

P.I.C. Partner In Crime
Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять Помпеи — сундук с сокровищами, который никогда не перестанет удивлять

В Инсуле 10 был обнаружен триклиний, украшенный невероятной красоты фресками

Наука
Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров Что мы рассказываем о себе, говоря о других: 5 примеров

То, что мы больше всего критикуем и хвалим в других людях, говорит о нас самих

Psychologies
Работа над ошибками: какие просчеты совершает бизнес при цифровой трансформации Работа над ошибками: какие просчеты совершает бизнес при цифровой трансформации

Какие ошибки мешают цифровой трансформации?

Forbes
Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте Музыкальная память не слабеет даже в преклонном возрасте

Музыку можно использовать для подкрепления памяти у людей в старшем возрасте

ТехИнсайдер
Я уже выхожу Я уже выхожу

Что такое послеотпускная депрессия и как её избежать?

VOICE
Бабушка знала толк! Вот почему полезно есть супы: интересные факты Бабушка знала толк! Вот почему полезно есть супы: интересные факты

Супы — это не просто согревающее в холодную погоду блюдо

ТехИнсайдер
Мой друг барабашка Мой друг барабашка

Как забрать домового с собой при переезде

Лиза
16 признаков, что в семье вы «козел отпущения» 16 признаков, что в семье вы «козел отпущения»

Об особой форме психоэмоционального насилия, «синдроме козла отпущения»

Psychologies
Так и тянет стянуть Так и тянет стянуть

Клептомания: личные истории о жизни с этим диагнозом

P.I.C. Partner In Crime
Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью

Про лодки «кенозерки» и чем Стоунхендж похож на Кавказский заповедник

Forbes
«Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России «Найти идею и правильно ее упаковать». Эксперты — о развитии туризма в России

Эксперты — о создании эффективного туристического продукта

СНОБ
4 вопроса, на которые надо себе ответить, если вы завязываете отношения онлайн 4 вопроса, на которые надо себе ответить, если вы завязываете отношения онлайн

Четыре важных вопроса, на которые надо ответить, завязывая виртуальный роман

Psychologies
Юлия Волкова: «Так получилось, что почти каждая моя роль — испытание» Юлия Волкова: «Так получилось, что почти каждая моя роль — испытание»

На «Фабрике» я, конечно, делала шоу. Меня называли девочка-скандал

Караван историй
Открыть в приложении