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

По следам первопроходцев По следам первопроходцев

Следы эпохи Великих географических открытий – во всей нашей жизни

Вокруг света
«По итогу это будет музейный экспонат». Скульптор Иван Савенков — о работе над копиями львов Медичи «По итогу это будет музейный экспонат». Скульптор Иван Савенков — о работе над копиями львов Медичи

Скульптор Иван Савенков о любимых материалах и специфике коммерческой скульптуры

СНОБ
Кир Булычев. Поперек реки Хронос Кир Булычев. Поперек реки Хронос

Чем Кир Булычев резко выделялся на фоне друзей и соратников по перу?

Знание – сила
Эчпочмак Эчпочмак

Иногда визитная карточка может быть и треугольной!

КАНТРИ Русская азбука
После Ленина: гибель левой оппозиции После Ленина: гибель левой оппозиции

Как соратники тяжело больного Ленина начали ожесточённую борьбу за власть

Дилетант
Толстые отложения углекислоты на ведомом полушарии Ариэля не отменили идею подповерхностного океана Толстые отложения углекислоты на ведомом полушарии Ариэля не отменили идею подповерхностного океана

«Джеймс Уэбб» обнаружил на Ариэле толстые отложения углекислотного льда

N+1
Из Сумрака и обратно: как «Ночной дозор» изменил российское кино 20 лет назад Из Сумрака и обратно: как «Ночной дозор» изменил российское кино 20 лет назад

Как именно и что изменила экранизация книг Сергея Лукьяненко

Правила жизни
Замужем за неизвестным Замужем за неизвестным

История одного брака, который превратился в сущий ад

P.I.C. Partner In Crime
FLNG «Prelude» FLNG «Prelude»

Что представляют собой плавучие заводы-хранилища сжиженного природного газа?

Наука и техника
Вся надежда на русскую пчелу Вся надежда на русскую пчелу

Роспотребнадзор запретил ввоз пчел из Узбекистана, Казахстана и Киргизии

Наука
Curiosity нечаянно расколол камень на Марсе и обнаружил настоящий сюрприз Curiosity нечаянно расколол камень на Марсе и обнаружил настоящий сюрприз

Хотя сульфаты распространены на Марсе, чистая сера впервые была обнаружена там

ТехИнсайдер
Еще до прочтения сжечь: почему киберпреступники не снижают фишинговую активность Еще до прочтения сжечь: почему киберпреступники не снижают фишинговую активность

Почему фишинг остается наиболее эффективным способом социальной инженерии

Forbes
Мария Куликова: «Мы расписались в МФЦ. Я была в спортивном костюме» Мария Куликова: «Мы расписались в МФЦ. Я была в спортивном костюме»

Мы все рефлексирующие ребята, особенно артисты, у нас вообще расшатанные нервы

Караван историй
Под клёкот проводников Под клёкот проводников

Сложно представить себе более уединенное место на Земле, чем остров Врангеля

2Xplore
4 убедительные причины, почему взрослым детям не стоит жить с родителями 4 убедительные причины, почему взрослым детям не стоит жить с родителями

Чем же вредна для взрослых детей жизнь с родителями?

Psychologies
Вася из прошлого и настоящего. Как изменился эмоциональный интеллект у детей Вася из прошлого и настоящего. Как изменился эмоциональный интеллект у детей

Психолог Катерина Мурашова — про эмоциональный интеллект у современных детей

СНОБ
Вещи превратятся в тряпочку: 5 видов одежды, которую строго настрого запрещено стирать вместе с остальным бельем Вещи превратятся в тряпочку: 5 видов одежды, которую строго настрого запрещено стирать вместе с остальным бельем

Какие вещи нельзя стирать вместе с остальным грязным бельем?

ТехИнсайдер
Уха Уха

Уха! Этот прозрачный отвар – апофеоз рыбьего предназначения

КАНТРИ Русская азбука
Как одиночество усиливает тягу к сладкому Как одиночество усиливает тягу к сладкому

Как отражается одиночество на пищевом поведении и эмоциональном состоянии

Здоровье
«Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука «Возникла паника»: подорожают ли в России хлеб и мука

Дорожает ли мука, чем чреват рост ее экспорта и чего ждать от цен на хлеб

Forbes
Туманный взгляд: почему запотевают фары изнутри и что с этим делать Туманный взгляд: почему запотевают фары изнутри и что с этим делать

Запотевшие фары — это большая беда. Поэтому устранять проблему нужно быстро

ТехИнсайдер
Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз Не держит ручник: причины, и что делать, если не работает ручной тормоз

Все о ручнике: почему не работает и как отрегулировать своими руками

РБК
Не жужжи! Не жужжи!

Как выбрать эффективный и качественный репеллент

Лиза
Что такое добрачное консультирование и как оно поможет вам построить идеальные отношения Что такое добрачное консультирование и как оно поможет вам построить идеальные отношения

На какие вопросы добрачное консультирование помогает найти ответы?

Psychologies
Первый премьер императорской России Первый премьер императорской России

Железнодорожник, путеец, лидер и главный «мотор» команды Александра III

Знание – сила
«Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки «Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки

Как развить навык самоподдержки?

Psychologies
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
Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности Проблема поколения? Исследование: молодежь на работе страдает из-за одиночества и недооцененности

Почему молодые работники испытывают чувство одиночества на работе?

ТехИнсайдер
Фанни Фаталь Фанни Фаталь

«Когда кто-то на вас по-настоящему смотрит, вы забываете о камере»

Караван историй
А музы не молчат А музы не молчат

Литература и кино в годы Первой мировой войны

Знание – сила
Открыть в приложении