Вещество и антивещество

Введение
Является ли типичным для Вселенной то состояние вещества, которое существует на нашей планете и в её окрестностях? «Наши» атомы состоят из нуклонов – протонов, заряженных положительно, нейтральных частиц – нейтронов, упакованных в ядра, и отрицательных электронов, расположенных на внешних оболочках вокруг ядра. Вещества из антиатомов вблизи нас – нет. Однако, сомнение в исключительности нашего материального мира зародились после предсказания англичанина П. Дирака о возможности существования электрона с положительным зарядом. Такая частица – позитрон – действительно был открыт в 1932 г. в экспериментах К. Андерсона с космическими лучами в камере Вильсона. За это открытие К. Андерсон получил Нобелевскую премию.
  До К. Андерсона позитроны видел в камере Вильсона Д. Скобельцын в конце 30-х.
Надо отметить, что «изучение космических лучей в середине ХХ века сопровождалось фейерверком открытий новых элементарных частиц. В 1936 г. были открыты мюон – мю-мезон ( -) и его античастица -  +, а в 1947 г. – отрицательный и положительный пионы ( +,  -).
Затем, уже на ускорителях, в 1955 г. и 1956 г., были обнаружены отрицательные «кирпичики» ядра – антипротон и антинейтрон. Ну, а сейчас мы знаем, что практически у всех известных частиц есть их античастицы.
Развитие науки и начавшееся освоение Космоса требует от нас сейчас ещё больших усилии в области исследований вещества и антивещества, а также особенностей их взаимодействия.
1. Вещество и антивещество: понятие и взаимодействие
Из господствовавших до середины 60-х годов представлений в физике элементарных частиц об эквивалентности ядерных взаимодействий между нуклонами (протонами и нейтронами) и антинуклонами (антипротонами и антинейтронами) следует существование ядер из антинуклонов – антиядер – кирпичиков, из которых состоит антивещество.
Вещество и антивещество не могут существовать вместе – они аннигилируют.
«Взаимодействие электронов и позитронов приводит к образованию гамма-квантов, а нуклонов и антинуклонов – к образованию нейтральных пионов ( 0). Эти частицы нестабильны и распадаются на гамма-кванты с довольно значительной энергией – более 70 МэВ».
 Античастицы обладают всеми свойствами частиц (с учетом их зеркальности) и способны на все, на что способны частицы.
Если протоны и нейтроны могут объединяться, образуя атомные ядра, то ничто не мешает антипротонам и антинейтронам объединяться в антиядра. И действительно, в 1965 г. в Брукхейвене была получена комбинация 1 антипротон + 1 антинейтрон. Поскольку протон и нейтрон создают ядро водорода-2, или дейтерия, их комбинация называется дейтроном. Следовательно, комбинация антипротона и антинейтрона дает антидейтрон.
Атомное ядро может окружить себя электронами, образуя нейтральный атом, и атомное антиядро может окружить себя антиэлектронами (позитронами), образуя нейтральный антиатом. И как атомы образуют вещество, так антиатомы образуют антивещество.
Трудность лабораторного получения такого антивещества объясняется неустойчивостью античастиц. Предоставленные сами себе, античастицы были бы столь же устойчивы, как и те частицы, которым они соответствуют. Но они не предоставлены сами себе. Образующаяся античастица оказывается в мире обычных частиц, она одинока в безграничном океане своих антагонистов.
Когда образуется антиэлектрон, то его столкновение с электроном—лишь вопрос времени (одной миллионной доли секунды или еще меньше). В результате происходит аннигиляция заряды взаимно уничтожаются, а общая масса пары преображается в энергию фотонов. То же происходит и при столкновении протона и антипротона.
Аннигиляция частиц и античастиц представляет собой новый и небывало мощный источник энергии. Наиболее могучие из ядерных реакций, например та их цепь, в результате которой водород в недрах звезды превращается в железо, приводят к потере всего лишь около 1% массы. При аннигиляции же вещества и антивещества в энергию превращается вся масса. Следовательно, при аннигиляции высвобождается в 100 раз больше энергии, чем при соединении ядер равной массы.
Существует и обратный процесс. Гамма-частица с достаточно высокой энергией может превратиться в пару электрон — антиэлектрон (этот процесс, теоретически предсказанный уже давно, удалось, наконец, наблюдать в 1965 г.).
Но тут возникает затруднение. Результаты тщательнейших наблюдений дают основания полагать, что существует закон сохранения электрического заряда.
Отрицательный электрический заряд не может быть ни создан, ни уничтожен, так же как и положительный электрический заряд. Произойти может только следующее равные количества положительного и отрицательного заряда могут взаимно аннигилировать и превратиться в фотоны гамма-лучей.
Точно так же положительные и отрицательные заряды могут возникнуть в равных количествах из фотонов гамма-лучей, но возникновение электрического заряда одного какого-то знака невозможно. Но в таком случае, почему мы окружены Вселенной, состоящей из вещества без каких-либо заметных признаков антивещества?
Ведь во всяком процессе возникновения частиц должны были бы возникать и античастицы, причем в точно таком же количестве.
С другой стороны, откуда нам известно, что мы живем во Вселенной, состоящей только из вещества?
2. Существование вещества и антивещества
Мы можем быть уверены, что Земля состоит исключительно из вещества без каких-либо заметных примесей антивещества, так как антивещество немедленно вступило бы во взаимодействие с веществом и исчезло бы во вспышке гамма-лучей.
Луна также состоит из вещества, это доказывается уже тем фактом, что при посадке на нее изготовленных человеком ракет не возникало колоссального взрыва.
Из вещества состоят и метеориты, так же как и Солнце — ведь солнечный ветер состоит в основном из частиц, а не из античастиц. Поэтому можно с уверенностью сделать вывод, что солнечная система состоит из вещества.
Поскольку космические лучи также состоят почти исключительно из частиц, а не из античастиц, мы можем даже сказать, что наша Галактика (а может быть, и ближайшие к нам иные галактики) — это тоже вещество.
Но в таком случае как же можно объяснить это отсутствие антивещества?
Рассмотрим модель стационарной Вселенной. Если происходит непрерывное творение атомов водорода (протонов и электронов), то почему одновременно не происходит творения того же количества антиатомов водорода (антипротонов и антиэлектронов)?
Если происходит непрерывное творение нейтронов, которые затем распадаются на протоны и электроны, то почему не происходит непрерывного творения равного количества антинейтронов, которые распадались бы на антипротоны и антиэлектроны?
Нам неизвестна причина, которая могла бы вызвать у природы такое предпочтение к веществу, а все данные, собранные до сих пор физиками, указывают, что такого предпочтения вообще не может быть.
Существует, конечно, возможность, что и вещество, и антивещество действительно создаются непрерывно, но этот процесс каким-то образом регулируется так, что они создаются в разных местах.
Атом, возникший тут, может уравновешиваться антиатомом, одновременно возникающим там. И возможно, существуют галактики из вещества и галактики из антивещества, или, говоря короче, галактики и антигалактики.
3. Поиск и наблюдение антивещества во Вселенной
Если это так, то не можем ли мы отличить галактику от антигалактики?
Во всяком случае, этого, видимо, нельзя сделать по излучаемому ею свету. Фотон является античастицей самому себе, так что вещество и антивещество производят фотоны, одинаковые по своей природе. Свет антигалактики ничем не отличается от света галактики.
Вопрос о тяготении не так прост. Существует предположение, что внутреннее гравитационное взаимодействие вещества (и антивещества) выражается в притяжении, а гравитационное взаимодействие между веществом и антивеществом выразится в отталкивании. Гравитационного отталкивания наблюдать еще никому не приходилось, но, с другой стороны, пока еще ни разу не удавалось наблюдать антивещество в количествах, способных создать заметное поле тяготения, и этот вопрос следует считать нерешенным.
Если такое гравитационное отталкивание существует, оно должно наблюдаться между галактиками и антигалактиками. До сих пор его не наблюдали, и это, возможно, означает, что во Вселенной нет антигалактик. Но это может также означать, что такое отталкивание на межгалактических расстояниях чрезвычайно слабо и что оно существует, но пока либо еще не было замечено, либо было неправильно истолковано.
Больше надежд можно возложить на нейтрино.
Галактики выбрасывают потоки нейтрино, а антигалактики— потоки антинейтрино Если бы на небосводе удалось обнаружить богатые источники антинейтрино, мы, возможно, сумели бы обнаружить и антигалактики.
Однако обнаружить нейтрино чрезвычайно трудно, и искусство астрономов еще не достигло той степени, когда на это можно было бы твердо рассчитывать.
Кроме того, в антигалактиках должны были бы возникать космические античастицы. Нас, вероятно, может достичь лишь весьма малое их число, но и эти немногочисленные частицы чрезвычайно помогли бы ученым.
На античастицы с энергией в миллиарды Гэв (которая необходима, чтобы космические лучи могли вырваться из своих галактик и пересечь отделяющее их от нас межгалактическое пространство) галактические магнитные поля не окажут почти никакого действия.
Направление их прихода помогло бы нам обнаружить местоположение антигалактик.
Однако следует помнить, что галактики существуют не сами по себе, что их чудовищно много и что некоторые из них, несмотря на общее расширение Вселенной, могут взаимодействовать друг с другом. Галактики и антигалактики могут, например, принадлежать к одному скоплению и сближаться друг с другом.
Если они сблизятся настолько, что пыль и газ на их границах смешаются, то это приведет к немедленному высвобождению огромного количества энергии. И действительно, в глубинах космического пространства наблюдаются зоны колоссального высвобождения энергии, которые, быть может, указывают на такую аннигиляцию вещества и антивещества.
Возможно, подобные реакции на границах звездных систем спасают галактики и антигалактики от общей аннигиляции. Для пояснения можно в качестве примера привести каплю воды, упавшую на раскаленную плиту. Она не испарится мгновенно. Наоборот, она будет удивительно долго прыгать и перекатываться по раскаленной поверхности. Причина заключается в том, что часть капли, соприкоснувшаяся с поверхностью плиты, сразу испаряется и облачко пара приподнимает каплю, частично изолируя се от жара.
Точно так же при сближении галактики и антигалактики первый их контакт на границе может создать мощнейший поток энергии, который будет мешать их дальнейшему сближению и, так сказать, изолировать их друг от друга.
При этом, однако, такое изолирующее взаимодействие станет гигантским источником фотонов гамма-лучей, которые начнут разлетаться по всей Вселенной. Возможно, что гамма-лучи, обнаруженные «Эксплорером-11», поступали из такого источника и были признаком того, что Вселенная содержит равное число галактик и антигалактик.
Заключение
После предсказания П. Дирака о возможности существования электрона с положительным зарядом зародились сомнение в исключительности нашего материального мира
Нобелевскому лауреату – П. Дираку принадлежат слова о том, что и Земля, и Солнечная система, преимущественно населённая отрицательными электронами и положительными протонами, скорее случайность, а не закономерность во Вселенной.
Возможно, другие звёзды и галактики состоят из антиматерии.   
При этом:
- античастицы обладают всеми свойствами частиц (с учетом их зеркальности) и способны на все, на что способны частицы.
- вещество и антивещество не могут существовать вместе – они аннигилируют.
- аннигиляция частиц и античастиц представляет собой новый и небывало мощный источник энергии.