Антиматерия и Ативещество. Антиматерия реферат

Реферат - Антивещество - Физика

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Филологический факультет

Реферат на тему:

Антивещество

Выполнила

студентка IIкурса

болгарского отделения

Наумова Екатерина

Санкт-Петербург

2006

Содержание

Введение… 2

Определение антивещества… 2

Опыты по получению антиатомов … 2

Источники антивещества… 3

Применение антивещества… 4

Заключение… 5

Использованные материалы… 6

Введение

Уже достаточно долгое время ученых физиков интересуетзагадка антивещества. Открытия в этой сфере будут иметь большую практическую ценность.Это весьма перспективная область исследования на сегодняшний день, так какостается много невыясненного в механизме образования антивещества, ведутсяспоры о его источниках, высказываются различные гипотезы, но нет точногообъяснения.

Определениеантивещества

Так что же такое антивещество? Антивещество –это материя, которая состоит из античастиц. Если ядраатомов вещества состоят из протонов и нейтронов, а электроны образуют оболочкиатомов, то в антивеществе ядра включают в себя, соответственно, антипротоныи антинейтроны, а вместоэлектронов в их оболочках позитроны.

Антивещество называют зеркальным отражениемвещества, его близнецом. Согласно современным теориям, ядерные силы,обусловливающие устойчивость атомных ядер, одинаковы для частиц и античастиц. Зарядывсех античастиц противоположны зарядам соответствующих частиц, отрицательнозаряженные ядра антиатомов притягивают позитроны точно так же, как ядрапритягивают электроны в атомах. Поэтому вся иерархия строения вещества изчастиц должна быть осуществима и для антивещества, состоящего из античастиц.

При взаимодействии антивещества с веществомвыделяется огромное количество энергии, именно это и делает синтезированиеантивещества столь желаемым.

Опыты по получению антиатомов

Первыми экспериментально доказали возможностьсуществования комплексов из античастиц, подобных комплексам из частиц,американские физики под руководством Л. Ледермана в 1965 г. Они получили наускорителе и зарегистрировали первое антиядро — антидейтрон (связанноесостояние антипротона и антинейтрона).

Через четыре года советские физики(руководительЮ. Д. Прокошкин) в экспериментах наускорителе протонов зарегистрировали ядра антигелия-3, состоящие из 2антипротонов и антинейтрона.

Затем ставились опыты по переходу материи вантиматерию и обратно. Согласно опубликованным 15 апреля 2006 г. в Токиорезультатам международного исследования, такая смена состояний обнаружена украйне нестабильной субатомной частицы Bs-мезона, которая образуется врезультате столкновения потоков электронов и позитронов.

В ходе экспериментов в американскойНациональной лаборатории ускорителей элементарных частиц имени Ферми (Батавия,штат Иллинойс), установлено, что эта смена состояний вещества и антивеществапроисходит со скоростью 2,8 триллиона раз в секунду. «Если представить,что материя и антиматерия находятся в <a href=»click.begun.ru/kick.jsp?url=«4vrJyKIV27VilAVisckIitGd6WvgbEEvLMuKWCMZTq3vZ9o18o_UMnQgwrAk8mH6qfQ7hD5hmGY0lZuLs-IRoeRv3dPpGY7YS2LuUdhFVjJ-SVtP-L60gKw3oRWyWaYW_qlZAZKIv2ez5dOhHVFgBYBmA0Lgbo4tKC3WrZ6lykNST2YJI7Nb5xavdCaD3e2YNN-Z3744-K6TbIm266CasZBMxYMXL8Ji2q2ViZIY3qNbIFwKnOiCXTfooPaUUoLjhy_HYblarnzr_WJ0ZgsBfZ7P5CoIzG-eJmJrq_w3G-x1b1mtXQhgroctEab8tzBxW5fAr_i9zwPVFZoV6CTNIHanb6VAyrprA0QC_xLwmMJhEUuwSUgg2X7hIHRU2libyLu1FTD-3FJ7Nm_J9FIPw2yMy-hR1LjB» target="_blank">танце, то мы установили, что у этого танца чрезвычайно быстрыйтемп", — пояснил представитель института Жакобо Конигсберг.

Источники антивещества.

Американскими учеными из Северо-Западногоуниверситета, расположенного в Эванстоне (Иллинойс), Морской исследовательскойлаборатории (Вашингтон) и еще нескольких научных учреждений США было обнаруженосуществование потока антиматерии, который исходит из центра нашей Галактики перпендикулярноее плоскости на расстояние 3 тыс. световых лет. Максимальный диаметр выбросасоставляет 4 тыс. световых лет.

Выброс антиматерии был обнаружен в результатеобработки данных, получаемых с ноября 1996 года от направленногосцинтилляционного спектрометра, установленного на спутнике-обсерватории.Исследователи изучали карты и снимкигалактических источников гамма-излучений, полученных со спутника, на которых,как и ожидалось, были обозначены известные области антиматерии, лежащие вплоскости галактики в центральной ее части. Неожиданностью, то есть открытием,стало то, что на картах было обнаружено компактное облако антиматерии, котороевырывалось из центра галактики перпендикулярно ее плоскости.

Позитроны - редкие посетители нашейВселенной. Антиматерия в виде антипротонов или целых антиатомов вообще никогдане обнаруживалась в естественных условиях: она была синтезирована влабораторных экспериментах. Существует несколько естественных путейвозникновения позитронов в космосе.

Например, распад природных радиоактивныхэлементов. Сами радиоактивные элементы непрерывно образуются при протеканиитермоядерных реакций в таких космических объектах, как сверхновые, новые,звезды Вольфа-Рейета, то есть в больших звездах, имеющих фиолетовуюспектральную характеристику поверхности. А поскольку такие объекты довольнотипичны для нашей Галактики, то радиоактивных материалов - аследовательно, и позитронов - должно хватать. Кстати, все радиоактивныевещества на Земле - звездного происхождения.

Другой причиной возникновения позитроновявляется распад материи в условиях чрезвычайно сильного гравитационного поля,которое должно существовать в черных дырах. По мере затягивания в черную дырутемпература материи растет - до тех пор пока не произойдет полный распад,при котором высвободятся электроны и позитроны, вырывающиеся из дыры на бешеныхскоростях.

Количество позитронов, производимых чернойдырой, может значительно меняться во времени (конечно, по космической временнойшкале), поскольку все зависит от того, когда очередной кусок материи отближайших звезд будет затянут в дыру. А вот количество позитронов, производимыхобщими процессами распада радиоактивных элементов, остается в Галактике почтинеизменным.

Третьей причиной возникновения позитроновможет быть то, что в области центра Галактики на протяжении последнего миллионалет сливаются две массивные нейтронные звезды. Никем не доказано, нообщепризнано, что процесс слияния может быть источником многих загадочных явлений,связанных с гамма-излучением, ставящим втупик астрономов вот уже более двадцати лет.

Применение антивещества

Но интерес к антивеществу — антиматерии отнюдь не чисто теоретический. Двигатель на антивеществе можетработать, например, следующим образом. Сначала создают два облака изнескольких триллионов антипротонов, которые от соприкосновения с материейудерживает электромагнитная ловушка. Потом между ними вводят частичку топливавесом в 42 нанограмма. Она представляет собой капсулу из урана-238, в которуюзаключена смесь дейтерия и гелия-3 или дейтерия и трития.

Антипротоны моментальноаннигилируют с ядрами урана и вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты,вместе с образовавшимися гамма-квантами, так сильно разогревают внутренностькапсулы, что там начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающиеогромной энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и улетают черезсопло двигателя, обеспечивая космическому кораблю неслыханную тягу.

Для полета к Марсу за один месяцамериканские физики рекомендуют использовать другую технологию — ядерноеделение, катализируемое антипротонами. Тогда на весь полет потребуется 140нанограммов антипротонов, не считая радиоактивного топлива.

Заключение

В заключение вспомним, что укаждой частицы есть античастица, ученым удалось синтезировать антиатомы,источником античастиц является поток антивещества в центре нашей Вселенной иантиводород в будущем может стать альтернативным источником энергии, имеющимогромные преимущества перед другими видами топлива.

Таким образом мы видим, что антивеществодействительно является огромным полем для исследования. Открытие его законов,«приручение» антивещества – далеко не самые последние задачи, стоящие передфизиками. Эти открытия будут иметь огромную ценность не только с точки зрения«чистой» науки, но и прикладных ее отраслей.

Использованные источники:

1.

www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/061/657.htm

2.

www.computerra.ru/offline/1997/196/534/

3.

www.newsru.com/world/19sep2002/anti.html

4.

gizmod.ru/2006/04/15/zafiksirovali_perexod_materii_v_antiveschestvo/

5.

www.tradehome.ru/news62338.html

www.ronl.ru

Антиматерия и Ативещество - реферат

План реферата Введение 3 Антивещество 3 Антиматерия 1. Пустота 2. Микромир 83.3. Мир 4. Макромир . 10 Заключение . 12 Список использованной литературы 1. Введение Материя имеет и сложное структурное строение. На основе достижений современной науки мы можем указать некоторые ее виды и структурные уровни.

Известно, что до конца XIX в. естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных частиц. Оказалось, что каждая частица имеет свой антипод - античастицу, имеющую с ней одинаковую массу, но противоположный заряд и т.д. Нейтральные частицы также имеют свои античастицы.

Частицы и античастицы, взаимодействуя, аннигилируют, т.е. исчезают, превращаясь в другие частицы. Например, электрон и позитрон, аннигилируя, превращаются в два фотона. Симметричность элементарных частиц позволяет высказать предположение о возможности существования антимира, состоящего из античастиц, антиатомов и антивещества. Причем все законы, действующие в антимире, должны быть аналогичными законам нашего мира.

Основных видов материи три, к которым относятся вещество, антивещество и поле. 2. Антивещество. Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П.Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд.

В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории

Дирака. В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками

всех зарядов электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными. В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона.

Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 14

Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 1013 К количество частиц и античастиц почти совпадало на большое количество антипротонов примерно на каждые

несколько миллиардов приходилось столько же протонов и еще один лишний протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов 10 -9 и дало сведения о величине

избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом. 3. Антиматерия На основе теории физического пространства М.Г.Гаджиева В 1921 году в статье Геометрия и опыт

А.Эйнштейн писал Гравитационное поле обладает такими свойствами, как если бы кроме весомых масс оно создавалось равномерно распределенной в пространстве плотностью массы имеющей отрицательный знак. Так как эта фиктивная масса очень мала, то ее можно заметить только в случае очень больших гравирующих систем. Фиктивная масса компенсировала гравитационное сжатие Вселенной, т.е. обосновывала ее стационарность. В связи с тем, что к идее фиктивной массы

Эйнштейна привел поиск физического смысла космологической постоянной в уравнениях теории относительности, то он и не связывал с ней все остальные проблемы физики. Но если бы в поисках единой теории поля он вернулся к этой идее, то многие общие и частные проблемы физики, не решенные до сих пор, могли получить единообразное и естественное объяснение.Во-первых - существование материи с положительной плотностью и фиктивной массы с отрицательной плотностью

означает, что Вселенную можно рассматривать как двухкомпонентную среду. Причем, наиболее естественным количественным соотношением между компонентами с противоположными свойствами является равенство абсолютных значений плотностей. Тогда средняя плотность Вселенной будет равна нулю и не возникает проблемы о происхождении и количестве материи. Во вторых - если распространение света связать с распространением возмущений в фиктивной массе,

то, очевидно, что ограниченность скорости света является не свойством геометрии пространства, а характеристикой фиктивной массы. А так как в любой физической среде распространение возмущений, которое описывается волновыми уравнениями, не зависит от течения, которое удовлетворяет уравнениям движения Эйлера, то очевиден отрицательный результат опытов Майкельсона-Морли по обнаружению эфирного ветра. Течение эфира не может существенно изменить характер

и скорость распространения волн плотности.В третьих - поток любой среды например воздуха, воды оказывает на материальные тела давление пропорциональное плотности. В том случае, когда плотность среды отрицательная, это давление превращается в силу притяжения. Следовательно, если материальное тело может излучать среду с отрицательной плотностью, то она будет оказывать гравитационное воздействие на окружающие тела.

Таким образом, идея о фиктивной массе позволяет по-новому и более естественно объяснять некоторые известные физические явления и эксперименты. Для того чтобы охватить все явления, очевидно, необходимо построить модель Вселенной с фиктивной массой, которая опирается на минимальный набор гипотез. Такая модель далее называется моделью физического пространства. Понятно, что в этой модели речь идет уже не о фиктивной массе, а о реальной среде, которой необходимо

подобрать соответствующее название, например, антиматерия. Такое название возможно по аналогии с тем, что с термином материя ассоциируется среда с положительной плотностью, которая называется также и веществом. Термин антиматерия обычно используют для названия античастиц, которые имеют положительную массу. Термин антиматерия является наиболее приемлемым для обозначения равномерно распределенной в пространстве среды с отрицательной плотностью и с теми свойствами, о которых

речь пойдет ниже.Основу модели физического пространства составляют две дополняющие друг друга гипотезы, смысл которых состоит в обеспечении образования и сохранения материи без привлечения неопределенной энергии и третьих сил.Гипотеза симметрии В пространстве существуют только две среды, одна из которых имеет положительную плотность r m и называется материей, а другая имеет отрицательную плотность ra-r m и называется антиматерией. Эти среды состоят из неделимых частиц, которые образуются или исчезают

аннигилируют парами.Современное представление о Вселенной предполагает существование в пространстве только одной среды - материи и множества различных полей, природа которых в большинстве случаев неизвестна например гравитационное или магнитное поле, вакуум и т.д В принципе, можно постулировать любое количество различных сред, заполняющих пространство. Главный смысл гипотезы симметрии состоит в предположении о том, что для описания всех явлений реального

мира достаточно именно двух сред или полей. В соответствии с гипотезой симметрии имеет место количественная эквивалентность между средами, которая обеспечивается парностью образования исчезновения и неделимостью частиц. А это означает, что не возникает вопроса о происхождении материи и антиматерии, так как две частицы с противоположными характеристиками, могут возникать из ничего, т.е. из пустоты. Эта возможность требует причинного обоснования, которой, кстати, нет в теории

Большого взрыва. Избежать необходимости внешнего воздействия можно, предположив, что пустота в физическом пространстве неустойчива, т.е. любой образующийся в результате аннигиляции частиц объем пустоты становится источником материи и антиматерии.Образование и аннигиляция пар частиц не объясняет длительного существования материи во Вселенной. По гипотезе симметрии обе среды равноправны, из каждой из них можно построить свой мир, подобно миру и антимиру, но длительное существование этих миров невозможно, т.к. образование

пар частиц может происходить с такой же интенсивностью, что и их аннигиляция. Эта неопределенность, а также реальность окружающего мира, обосновывают необходимость еще одной гипотезы.Гипотеза асимметрии Неделимые частицы антиматерии образуют непрерывную среду, которая заполняет пространство, а неделимые частицы материи объединяются в элементарные частицы.В окружающей антиматерии сохраняется не любое количество объединившихся частиц материи, а существует

дискретный ряд чисел, который определяется волновыми свойствами антиматерии и соответствует известному ряду элементарных частиц. Материя, которая состоит из элементарных частиц, существует только на волнах антиматерии. Для аннигиляции необходимо лишить материю ее несущей волны. Это и происходит при столкновении частицы и античастицы, несущие волны которых равны по величине и противоположны по фазам, т.е. исчезают при наложении.

Реальным способом, который обеспечивает сохранение и распространение элементарных частиц, является возбуждение волн в окружающей антиматерии в процессе их образования. Следовательно, этот процесс имеет волновую природу и является поверхностным по отношению к пустоте, т.е. образование материи и антиматерии происходит на поверхности пустоты. Учитывая, что размеры пустоты конечные, то и сингулярности в данной модели не имеют места.

Известно, что каждая элементарная частица материи имеет свою античастицу. При их аннигиляции в соответствии с законом сохранения массы, образуется эквивалентное по массе количество элементарных частиц. Но действие закона сохранения массы в физике не определено, т.к. процессы аннигиляции и образования элементарных частиц разнесены во времени, а механизм передачи количественной информации неизвестен. В рассматриваемой модели частицы и античастицы при столкновении распадаются, аннигилируют

с окружающей антиматерией, и образуется определенный объем пустоты, который затем переходит в эквивалентное количество материи и антиматерии. В этом состоит принцип действия закона сохранения массы. 3.1 Пустота Что такое пустота В настоящей модели, где материя существует только в антиматерии и благодаря ей, под пустотой понимается ограниченная область в пространстве, где нет ни материи, ни антиматерии. Пустота неустойчива в том смысле, что на ее поверхности, граничащей с окружающей антиматерией, происходит

волновой процесс образования материи и антиматерии. Т.е. пустота постоянно выгорает подобно любому другому топливу и является источником энергии во Вселенной. Образование пустоты связано с аннигиляцией материи и антиматерии. Причем, чем больше аннигилирующие массы, тем больше образующийся объем пустоты. Типичным примером пустоты является шаровая молния, которая образуется при аннигиляции разнозаряженных

частиц и постепенно выгорает по поверхности. По такому же принципу устроены и звезды, разница только в объемах, интенсивности процесса горения, размерах и структуре слоя материи на поверхности пустоты. Очевидной особенностью пустоты является то, что она не обладает массой. Поэтому ее перемещение в пространстве определяется массой поверхностного слоя материи и течением окружающей антиматерии.Из гипотез модели следует, что материя во всех ее проявлениях существует в пространстве,

заполненном антиматерией, т.е. в физическом пространстве. Свободные и вынужденные колебания, излучение и течение антиматерии объясняют такие явления, как свет, атом, магнетизм, инерция, гравитация, скрытая масса, и др о которых в настоящее время доподлинно известно только то, что они существуют. По этому поводу Эйнштейн писал, что требование сведения явлений к физическим причинам выдвигаются пока еще не достаточно требовательно и будущим поколениям эта нетребовательность

покажется непонятной.Применение физической модели Вселенной к трактовке различных явлений реального мира является увлекательным занятием, как и вс новое. Но в ограниченном объеме публикации это можно продемонстрировать только на примерах, в которых проявляются различные свойства физического пространства. 3.2. МикромирИз волнового характера процесса горения пустоты, когда на поверхности одновременно образуются элементарные частицы и возбуждаются волны колебания плотности

антиматерии, следует, что известная корпускулярно-волновая природа элементарных частиц не является выбором между волной и частицей, а представляет собой движение частиц одной среды материи на волнах другой среды антиматерии. Причем, длина волны количественно характеризует элементарную частицу, т.к. она ограничивает ее размеры.Распространение элементарных частиц в пространстве со скоростью света означает, что скорость света - это скорость распространения возмущений в антиматерии.

Следовательно, уравнение состояния антиматерии имеет вид P c2r, где P и r - давление и плотность в антиматерии. Если учесть, что для материи справедливо уравнение Эйнштейна Ec2m , где E и m - энергия и масса, то получается, что материя и антиматерия имеют определяющие уравнения с одинаковым коэффициентом c2.Волны в антиматерии могут возбуждаться и другими способами,

например, вращением материальных тел, но это не приводит к распространению излучения, т.к. отсутствует источник излучения, т.е. процесс горения пустоты. Природа вынужденных колебаний антиматерии, окружающей вращающееся тело в том числе и с переменным направлением вращения сложна и многообразна. Здесь возможны радиальные, тангенциальные, спиральные волны и их наложения, вихри и т.д. Вопрос только в том, какому реальному физическому процессу соответствуют эти явления

Очевидно, что вынужденные колебания антиматерии можно связать с магнитным полем радиальные волны, структурой атома наложение спиральных волн, электрическими зарядами вихри и т.д. Не вдаваясь в подробности, можно утверждать, что в модель Вселенной с антиматерией гармонично вписываются различные явления микромира. 3.3 МирИз всех явлений реального мира наиболее таинственной до сих пор остается гравитация.

Вопрос о том, почему подброшенный камень падает на землю, занимает человечество на всем протяжении своего существования и не имеет однозначного ответа до сих пор. Гравитация также является пробным камнем для различных альтернативных моделей Вселенной, в которых никогда не было недостатка. И, несмотря на то, что многие физические явления в этих моделях становятся более простыми и понятными, авторы сознательно обходят толкование гравитации.

Это в полной мере относится и к физической науке.Объяснение гравитации воздействием потока антиматерии в модели физического пространства не является тривиальным, но может быть последовательно осуществлено, исходя из свойств микромира.Во-первых, почему все материальные тела излучают антиматерию Излучение материи материальными телами известно, т.к. почти вся информация о материальных телах основана на регистрации излучения материи. Но если в модели образование материи и антиматерии происходит в равных

количествах, то, очевидно, что тела излучают в пространство и антиматерию. Кстати, избыточная антиматерия проясняет и сам факт расширения Вселенной увеличение количества антиматерии или пустоты при неизменной плотности невозможно без увеличения объема.Во-вторых, если связывать величину гравитации со скоростью потока антиматерии, то необходимо объяснить, почему она не зависит от скорости самого тела

Или, почему тела могут двигаться с постоянной скоростью относительно антиматерии, т.е. по инерции Действительно, при взаимодействии тела, движущегося с постоянной скоростью, с любым внешним потоком, в том числе и с отрицательной плотностью, оно должно изменять скорость. Но поток антиматерии не является чисто внешним по отношению к телу, т.к. антиматерия излучается и самим телом. Величина и направление этого излучения изменяют характер движения.

Для того чтобы привести в движение покоящееся тело, необходимо затратить энергию. В данном случае энергия расходуется на изменение направления потока антиматерии внутри тела. Т.е. собственное выделение антиматерии является для тела движущей реактивной силой, которая нейтрализует воздействие внешнего потока при движении по инерции. Само же изменение направления потока антиматерии в теле может происходить в результате изменения внутренней

структуры атомов, ее симметрии, например, эллиптичности орбит электронов. Таким образом, инерционное движение тела происходит с фиксированной внутренней структурой ее атомов, а при воздействии внешних сил изменяются структура и скорость относительно окружающей антиматерии. Следовательно, изменение скорости внешнего потока также равнозначно приложению внешней силы. Это следствие решает проблему эквивалентности гравитационной и инертной масс тела.

Известно, что скорость антиматерии от центрального источника уменьшается пропорционально квадрату расстояния, т.е. также, как и сила притяжения. И то, что называется гравитационным полем, оказывается полем скоростей течения антиматерии от множества источников, которыми являются звезды, планеты и др. материальные тела. 3.4 МакромирВлияние антиматерии на движение материи имеет три существенно отличающихся уровня, которые имеют и различное математическое описание. На уровне элементарных частиц это влияние описывается волновыми

уравнениями для антиматерии, т.к. движение элементарных частиц сопровождается распространением волн плотности в антиматерии. Механика Ньютона, справедливая в неподвижной антиматерии, дополненная силами гравитации, эквивалентными полю скоростей течения антиматерии, является приближенным методом для исследования движения материальных тел в физическом пространстве. Третий уровень влияния антиматерии на движение материи отличается тем, что здесь уже расстояния между

галактиками таковы, что определяющая роль в их взаимодействии принадлежит силам отталкивания антиматерией. Движение галактик основывается не на инерции и гравитации, а на течении идеальной среды, каковой является антиматерия. Направление гравитационной силы в каждой точке пространства совпадает с направлением течения антиматерии, что не соответствует положениям классической механики о том, что гравитационная сила всегда направлена в сторону притягивающего центра. Отклонение течения антиматерии от радиального направления

происходит вследствие вращения источника и оказывает, в частности, заметное влияние на движение материи вокруг звезд и ядер галактик. Однако, эти материальные образования имеют различное внутреннее строение, в результате, для ядра галактики отклонение течения антиматерии от радиального нарастает при удалении от центра, а для звезды наоборот, с приближением к поверхности. Иными словами, ядро галактики вращается вместе с антиматерией, а звезда при вращении увлекает поверхностный

слой антиматерии. Этим и обусловлено незатухающее движение материи при удалении от ядра галактики, которое трактуется в современной космологии как влияние скрытой массы, и ускоренное движение материи с приближением к поверхности звезды, примером которого является смещение перигелиев планет солнечной системы. Из уравнения состояния антиматерии следует, что физическое пространство постоянно находится в условиях однородного сжатия Pa

2dip.su

Реферат Антиматерия

скачать

Реферат на тему:

План:

1 Цена

Введение

Антивещество́ — материя, состоящая из античастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуры материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы) совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.

Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.

Ведется довольно много рассуждений на тему того, почему наблюдаемая часть вселенной состоит почти исключительно из вещества и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом; но на сегодняшний день наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики. Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.

Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.

При взаимодействии вещества и антивещества их масса превращается в энергию. Такую реакцию называют аннигиляцией. Антивещество — лидер среди известных веществ по плотности энергии. Подсчитано, что при вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится приблизительно 1,8×1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (вес ~ 20 т), соответствовало 57 мегатоннам. Следует отметить, что порядка 50 % энергии, выделившейся при аннигиляции (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды[1].

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить - на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антиматерии призваны показать наличие или отсутствие для антиматерии эффекта антигравитации[2].

1. Цена

Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле, по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США[3]. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов[4]. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков[5].

Примечания

«Физики впервые поймали в ловушку атомы антивещества.» - lenta.ru/news/2010/11/18/antimatter/: Лента.Ру, 18.11.2010, 12:45:23.
«Antihydrogen Trapped For 1000 Seconds» - www.technologyreview.com/blog/arxiv/26709/: The Physics arXiv Blog, 02.05.2011
New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions - www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.html. NASA (2006).
Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft - science.nasa.gov/newhome/headlines/prop12apr99_1.htm. NASA (12 april 1999).
Questions & Answers - livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/FAQ1.html. CERN (2001).

wreferat.baza-referat.ru

Компьютерра: Зеркало мира

Архив

автор: Сергей Петрушанко 21.05.2001

Если бы мы могли извлечь всю энергию, заключенную в одном килограмме вещества, - то ее хватило бы на 100 тыс. лет непрерывного движения обычного легкового автомобиля или на один год жизни современного индустриального города средних размеров.

Если бы мы могли извлечь всю энергию, заключенную в одном килограмме вещества, - это примерно 25 млрд. киловатт-часов, - то ее хватило бы на 100 тыс. лет непрерывного движения обычного легкового автомобиля или на один год жизни современного индустриального города средних размеров. Такие выводы получаются из всем известной формулы E=mc2, которая была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном и которая дает основания утверждать, что масса - это не что иное, как концентрированная форма энергии. Масса и энергия подобны «деньгам» природы: это две «валюты», которые можно перевести друг в друга по стабильному курсу: квадрату скорости света.

Однако для того, чтобы превратить энергию в материю, нужны очень высокие температуры - десятки триллионов градусов. Ученые используют гигантские ускорители, чтобы разогнать частицы (протоны, ядра атомов) до скоростей, близких к скорости света, и затем столкнуть их с веществом.

Краткая история антиматерии

В конце 1920-х годов Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг создали теорию квантовой механики. Однако она имела существенный недостаток: объясняя поведение частицы, движущейся с небольшой скоростью, теория давала неверные результаты при скоростях, близких к световым (как говорят физики, релятивистским скоростям). Но в 1928 году молодому физику Полю Дираку удалось вывести формулу, описывающую движение релятивистского электрона, объединив таким образом специальную теорию относительности и квантовую механику. Эта формула принесла Дираку заслуженную Нобелевскую премию и подарила ученым еще одну головную боль. Так же как простое уравнение x2=4 имеет два корня (х=2 и х=-2), формула Дирака была верна для случая двух частиц: электрона с положительной и электрона с отрицательной энергией! Но ведь в рамках классической физики отрицательных энергий не существует! Дирак предложил следующий выход из положения. У каждой частицы есть партнер - античастица, имеющая те же свойства, но обладающая противоположным зарядом. Например, антиэлектрон, в отличие от отрицательного электрона, должен быть положительно заряженной частицей. За счет отличия знака заряда энергия античастицы и имеет противоположный знак. Нобелевская лекция Дирака стала сенсацией в мире физики и положила начало истории освоения антиматерии: ученый говорил о существовании целой антивселенной, состоящей из антивещества!

Немало любопытных и замечательных физических теорий и смелых предположений, которые, не найдя экспериментального подтверждения, канули в лету. Теорию антиматерии Дирака подобная участь миновала, так как охота за таинственным веществом дала плоды…

Еще в начале прошлого столетия Виктор Гесс открыл природный источник частиц сверхвысоких энергий - космические лучи, рожденные в глубинах космоса, которые, сталкиваясь с атомами атмосферы Земли, порождают ливни самых разнообразных частиц. В 1932 году молодой профессор Калифорнийского технологического института Карл Андерсон (Carl Anderson), изучая ливни частиц с помощью конденсационных камер, обнаружил одновременное рождение электрона и «чего-то положительного, но с массой, как у электрона». Дальнейшие исследования подтвердили обнаружение антиэлектрона, который назвали позитроном. За свое открытие Карл Андерсон получил Нобелевскую премию. На протяжении последующих 22 лет космические лучи оставались единственным источником античастиц. Однако физика ускорителей уже набирала обороты…

В 1930 году Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) предложил идею циклотрона - машины, которая позволяла ускорять частицы, например протоны, до энергий в десятки миллионов электрон-вольт. Этот год принято считать датой рождения новой науки: физики высоких энергий. В 1954 году в Калифорнии запустили беватрон - ускоритель, способный разгонять протоны и сталкивать их друг с другом, достигая энергии 6,2 ГэВ (1 ГэВ=109 эВ), что оптимально для поиска антипротона. Специально для этой цели группа ученых во главе с Эмилио Сегре (Emilio Segre) разработала и построила детектор. В октябре 1955 года передовица в «New York Times» сообщала: «Найдена новая частица: отрицательный протон». А в 1960 году другая группа ученых, работавшая на беватроне, открыла антинейтрон.

Таким образом, антиматерия была предложена теорией и открыта в эксперименте. Ведь протон, нейтрон и электрон - «кирпичики», из которых построено вещество. Теперь перед физиками встала задача синтезировать антиматерию, воспользовавшись этими «деталями». Необходимо было узнать, действительно ли антиматерия, как считал Дирак, является симметричным отражением материи.

В 1965 году команда физиков под руководством Антонино Зичичи (Antonino Zichicchi), используя протонный синхротрон в Европейском центре ядерных исследований, синтезировала ядро антидейтерия, состоящего из антипротона и антинейтрона. А группа ученых под руководством Леона Ледермана (Leon Lederman) на ускорителе Брукхейвенской национальной лаборатории под Нью-Йорком в том же году подтвердила открытие европейцев. В последующие годы в различных лабораториях мира, в том числе у нас в Дубне, были получены и более тяжелые антиядра: антитритий (два антинейтрона плюс один антипротон), изотопы антигелия, антибериллия и т. д. Однако во всех этих случаях речь шла о ядрах, которые имели большие энергии, вследствие чего не были способны захватить антиэлектрон, дабы физики наконец-то могли говорить о настоящем антивеществе.

В 1995 году в ЦЕРНе запустили уникальную машину: кольцо низкоэнергичных антипротонов (Low Energy Antiproton Ring - LEAR), которая позволяла замедлять антипротоны до очень небольших по меркам физиков скоростей. В конце года немецкие и итальянские физики, работавшие в этом проекте, смогли получить первые атомы антиводорода. Правда, их было всего девять, но это не помешало им стать главной новостью года физики высоких энергий. LEAR был закрыт в конце 1996 года, - физики задумали построить новую установку для вырывания у антиматерии ее сокровенных тайн - антипротонный замедлитель (Antiproton Decelerator - AD).

Фабрика антиматерии в ЦЕРНе

Уже более двадцати лет физики в ЦЕРНе используют античастицы для своих повседневных нужд. Античастицы возникают при столкновениях высокоэнергичных частиц. Затем их отбирают, изолируют и хранят для дальнейшего использования. До настоящего времени эти функции выполняли разные машины. А сейчас в ЦЕРНе построена первая «самодостаточная фабрика антиматерии» - антипротонный замедлитель, представляющий собой кольцо длиной 188 метров. Внутри составляющих кольцо труб находятся вакуумные насосы, магниты, резонаторы и электронные приборы.

Антипротоны циркулируют по трубам в условиях очень глубокого вакуума во избежание контакта с молекулами воздуха - соприкосновение материи и антиматерии вызывает мгновенную аннигиляцию. Мощные насосы поддерживают эти условия. В кольце антипротонной фабрики установлены два типа магнитов: диполи и квадруполи. Диполи - обычные двухполюсные магниты - служат для изменения направления движения пучка антипротонов, а также для удержания частиц на нужной траектории, дабы исключить их контакт со стенками труб замедлительного кольца. Квадруполи, имеющие два северных и два южных полюса, работают как линзы в оптике: они позволяют фокусировать антипротоны, уменьшая поперечные размеры пучка. Магнитное поле способно изменять направление движения частиц, но не их энергию. Для замедления частиц используется электрическое поле, создаваемое радиочастотными резонаторами. Антипротонный замедлитель имеет одну систему, «впускающую» в кольцо высокоэнергичные протоны, и одну, «выпускающую» замедленные частицы наружу - для проведения экспериментов.

Как же все это работает? В замедлитель AD поступает пучок высокоэнергичных протонов от ускорителя PS и направляется на специальную мишень из меди или иридия (эти металлы легко охлаждать). При столкновении протонов с веществом рождаются новые частицы и выделяется огромное количество энергии. В среднем лишь в одном из десяти миллионов столкновений рождается пара протон-анитпротон. За одну минуту мишень бомбардирует около 10 трлн. протонов, что дает 10 млн. антипротонов. Рождающиеся частицы разлетаются во все стороны, а кроме того, все они имеют разную энергию. Из-за этого только малую их часть удается собрать с помощью магнитов и направить циркулировать по кольцу. В процессе кругового движения антипротоны замедляются до одной десятой скорости света и выводятся наружу для экспериментов. Один такой цикл длится всего около миллионной доли секунды.

В рамках работ на антипротонном замедлителе проводится три эксперимента:

ASACUSA - атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов.

ATHENA - создание антиводорода и прецизионные измерения.

ATRAP - получение холодного антиводорода для точной лазерной спектроскопии.

В задачи экспериментов ATHENA и ATRAP входит синтез и изучение атомов антиводорода - их получают в особых магнитных ловушках, добавляя к медленным антипротонам позитроны от радиоактивных источников. А в эксперименте ASACUSA ученые хотят синтезировать экзотические атомы, в которых вокруг протона вместо электрона будет вращаться антипротон. Подобные исследования могут помочь физикам лучше понять строение атомных систем.

Первый пробный пучок антипротонов был замедлен на «антипротонной фабрике» в конце 1999 года, а все три эксперимента начались в июне 2000 года. Уже получены первые результаты - открыты новые резонансы в ядрах антипротона и антигелия. Физики, говорят, что работа только начинается, и надеются, что скоро смогут порадовать нас парой-тройкой научных сенсаций.

Зачем это нужно?

Многим читателям может показаться, что вся эта физика «слишком далека от народа». Конечно, в настоящее время изучение антиматерии является областью чисто фундаментальных исследований, которые дают новые знания о строении и происхождении нашего мира. Но не следует забывать, что в будущем эти знания наверняка окажутся полезны и в обыденной жизни, вспомним лазеры, которые сейчас есть практически в каждом доме.

В 1940-50-х годах физики синтезировали ряд изотопов, при распаде излучавших позитроны. Медики и физиологи проявили интерес к античастицам, и в середине 1950-х годов М. Тер-Погосян (Michel Ter-Pogossian) выдвинул идею использования этих элементов для исследования больных методом, который впоследствии получил название позитронной томографии (Positron Emission Tomography - PET). В тело пациента вводится смесь, содержащая биологически активное вещество, часть атомов которого заменена радиоактивными изотопами (такими как углерод-11, азот-13, кислород-15 и фтор-18), излучающими позитроны. Время жизни этих элементов - от нескольких минут до часов. Позитроны, испущенные радиоактивными атомами, почти сразу аннигилируют с электронами близлежащих атомов. При этом в противоположных направлениях - в соответствии с законом сохранения импульса - излучаются два фотона, которые регистрируются размещенными вокруг пациента детекторами, позволяя врачу узнать, куда попало введенное вещество. Технологию позитронной томографии удалось воплотить в жизнь в начале 1970-х годов, а сейчас метод PET успешно используется медиками для обследования пациентов с самыми разными заболеваниями, вызывающими биохимические изменения в организме. Наибольшее применение эта технология нашла при выявлении заболеваний головного мозга. Кроме того, ее активно используют фармацевты для изучения воздействия новых лекарств на организм человека. Также PET помогает ученым в исследованиях, касающихся работы мозга.

А еще антиматерия может стать замечательным средством хранения энергии - ведь в одном грамме антивещества заключена огромная сила! Первыми это поняли писатели-фантасты, познакомившие нас с двигателями на антиматерии. Принцип их работы прост: берем кусок антиматерии, помещаем его в магнитные ловушки и небольшими порциями подаем в «камеру сгорания» позади звездолета антивещество вперемешку с обычным веществом. В процессе аннигиляции выделяется огромное количество фотонов, ставим на задней части корабля идеальное зеркало и - летим!.. Подсчитано, что такому кораблю потребуется около 20 кг антивещества, чтобы пересечь нашу галактику.

Фантастика фантастикой, а космические специалисты тоже возлагают большие надежды на подобный двигатель. Загвоздка в том, что для путешествий в пределах Солнечной системы такому движку требуется никак не меньше десятка-другого граммов антивещества. Сегодня же все вместе взятые ускорители на Земле вырабатывают менее 10 нг антивещества в год, - на таком количестве топлива далеко не уедешь…

Однако не все так печально. Инженеры NASA и Университета Пенсильвании представили на суд коллег новую и довольно практичную идею. В предлагаемом ими проекте космического двигателя антипротонная плазма, содержащаяся в специальной магнитной ловушке, периодически сжимается электрическими и магнитными полями. Одновременно в плазму добавляется смесь из дейтерия и гелия-3 с небольшой примесью урана-238. В результате взаимодействия антиматерии с ядрами урана возникает огромное число нейтронов, что приводит к реакции ядерного синтеза между дейтерием и гелием. Таким образом, антиматерия в этой схеме играет роль «запала», энергию же дает самый обычный ядерный синтез.

Подобный двигатель потребует совсем немного антиматерии: от 1 до 100 мкг в зависимости от того, до какой скорости нужно разогнать космический аппарат. Инженеры утверждают, что двигатель позволит развивать скорость до 1000 км/с, то есть полет к границе Солнечной системы займет всего пять лет. Конечно, в ближайшие годы этот способ (который, кстати говоря, носит название antimatter initiated microfusion AIM - инициированный антиматерией микросинтез) - такая же фантастика, как и прочие движки на антиматерии. Однако не стоит отчаиваться: фабрика антиматерии в ЦЕРНе работает, и как знать, может быть, физики придумают дешевый и эффективный способ получения топлива для звездолетов (сейчас эффективность производства антиматерии очень мала: в нее превращается менее 0,00000001% затраченной энергии).

За всем этим с интересом наблюдают военные: какое там ядерное оружие, - что может быть лучше бомбы на антиматерии, мгновенно выделяющей гигантскую энергию при небольшой массе «изделия». Физики уже давно подозревают, что у военных имеются свои разработки в этой области. Но у всех одна и та же проблема - нет достаточного количества антивещества.

Что касается совсем уж отдаленного будущего, антиматерия - идеальное средство хранения энергии. Так что не удивляйтесь, если лет через пятьдесят или сто в «КомпьюFeрре» будут тестировать новые антиаккумуляторы для переносных компьютеров, а в новостях передадут, что межзвездный аппарат, построенный совместными усилиями НПО «Энергия» и NASA, достиг Альфы Центавра и сообщает, что расход антигорючего в норме. Тут мы скажем «ага!» и подумаем, что надо бы не забыть заправить свой автомобиль новой порцией антибензина на ближайшей заправке. Или антизаправке?..

Врезка: Большой взрыв и антиматерия

[i39628]

Большой взрыв и антиматерия

История нашей вселенной началась примерно 15 млрд. лет назад, когда произошел Большой взрыв, породивший разбегающееся во все стороны вещество. Ученые считают, что Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии. Окружающее нас пространство заполнено обычной материей: физики еще в 50-х годах прошлого века подсчитали, что в нашей галактике антиматерия составляет менее одной десятимиллионной доли вещества.

Куда же девалась антиматерия? Есть два возможных объяснения: либо в какой-то момент истории вселенной она просто исчезла вследствие не совсем понятных нам физических процессов, либо же материя и антиматерия продолжают существовать в отдаленных друг от друга частях вселенной.

Для проверки второго предположения нобелевский лауреат профессор Самуель Тинг (Samuel Ting) предложил построить так называемый магнитный спектрометр альфа (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS), который позволил бы зафиксировать антиядра, летящие из областей космоса, «населенных» антиматерией. В 1998 году прототип этого детектора - AMS-01 - уже слетал на десять дней в космос на борту американского шаттла. Из трех миллионов ядер, зафиксированных им, ни одно не имело приставку «анти»… Основная часть эксперимента AMS запланирована на 2004 год: на Международной космической станции установят детектор AMS-02 (на фото), который продолжит поиски внегалактических источников антиядер. Предполагается, что эксперимент продлится по меньшей мере три года.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

old.computerra.ru