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

Искусственный интеллект для физики белка Искусственный интеллект для физики белка

Что искусственный интеллект AlphaFold «знает» о физике белка?

Наука и жизнь
Душа обязана убиться Душа обязана убиться

«Собиратель душ»: Николас Кейдж в главном хорроре года

Weekend
Остаться в живых Остаться в живых

10 навыков, необходимых путешественнику. Советы Миклухо-Маклая

Вокруг света
Снимите белое пальто: чем опасны хорошие люди и как не попасть в ловушку спасателя Снимите белое пальто: чем опасны хорошие люди и как не попасть в ловушку спасателя

Как избежать соблазна быть героем за счет других?

Forbes
Гений чистой пустоты Гений чистой пустоты

Как Франческо Сбарро создал колесо без оси

Наука и жизнь
Корабль-призрак Корабль-призрак

Как генерал де Голль боролся с долларом США

Деньги
Всё ради искусства Всё ради искусства

Связь этой яхты с миром искусства не ограничивается одним лишь именем

Y Magazine
Революционный порядок и безопасность Революционный порядок и безопасность

Полномочия органов ОГПУ неуклонно расширялись...

Дилетант
«Я стала делать все сама, и это облегчило мою жизнь»: решение читательницы комментирует психолог «Я стала делать все сама, и это облегчило мою жизнь»: решение читательницы комментирует психолог

Можно ли полагаться в этой жизни только на себя?

Psychologies
ЦБ повысил ставку до 18%: что будет дальше ЦБ повысил ставку до 18%: что будет дальше

Банк России впервые за 7 месяцев повысил ключевую ставку на существенные 2 п.п

Forbes
«Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки «Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки

Как развить навык самоподдержки?

Psychologies
Анна на кастинге Анна на кастинге

«Тайны Карениной»: документальный сериал о киногеничности романа Льва

Weekend
Кругосветка по-новгородски Кругосветка по-новгородски

Как можно увидеть мировые достопримечательности, не покидая Россию

Лиза
Диана Милютина Диана Милютина

Сверхновая звезда Диана Милютина про эмансипацию и вайб Балабанова в «Чистых»

Собака.ru
«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
Поиск баланса Поиск баланса

Как в текущих условиях решать задачи обеспечения технологического суверенитета

Деньги
Преодоление трагедии: что такое интергенерационная травма и как она проявляется Преодоление трагедии: что такое интергенерационная травма и как она проявляется

Как другие страны справлялись с историческими травмами

Forbes
Мария Дементьева Мария Дементьева

Мария Дементьева из Saro — любимый шеф значительного числа продвинутых фуди

Собака.ru
Детство без психотравм Детство без психотравм

Что такое психологическая травма, и всякий ли стресс опасен для ребёнка?

Здоровье
Идея: худеем! Идея: худеем!

3 полезные диеты для здоровья. Выбери свою!

Лиза
Лыжи. Разрез. Девушка Лыжи. Разрез. Девушка

Кузбасс приятно открывать с близкой – интимной – дистанции

2Xplore
Как стеклышко Как стеклышко

Заготовки летом. Как стерилизовать стеклянную тару в микроволновке?

Лиза
Умные полимеры в медицине Умные полимеры в медицине

Что такое умные полимеры и почему их использование в медицине так важно?

Наука и жизнь
В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России В магазин за рекламными продуктами: что мешает развитию рынка ретейл-медиа в России

Почему рынок ретейл-медиа в России развивается так неравномерно?

Forbes
Как нравиться людям Как нравиться людям

12 шагов, чтобы стать приятным собеседником

Лиза
Городская веранда Городская веранда

Что нужно знать при остеклении балкона или лоджии

Лиза
Уроки Бреттон-Вудса Уроки Бреттон-Вудса

Как создать синтетическую резервную валюту

Деньги
«Сначала действуйте, потом думайте» и еще 5 способов улучшить сексуальное общение «Сначала действуйте, потом думайте» и еще 5 способов улучшить сексуальное общение

Есть некоторые общие принципы, по которым строится разговор о близости в паре

Psychologies
Вот почему вы не видите свой нос! Вы поразитесь этим фактам о мозге и зрении! Вот почему вы не видите свой нос! Вы поразитесь этим фактам о мозге и зрении!

Почему наш мозг игнорирует некоторые стимулы извне?

ТехИнсайдер
Все просто, все включено Все просто, все включено

«Убойный отпуск»: Михалкова и Робак разыгрывают еще один семейный кризис

Weekend
Открыть в приложении