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

«Ведая пространство земель нашей империи…» «Ведая пространство земель нашей империи…»

Как Екатерина Великая решала проблемы демографии и освоения пустынных территорий

Знание – сила
Как на ноутбуке сделать запись экрана: несколько простых способов Как на ноутбуке сделать запись экрана: несколько простых способов

Как записать экран на ноутбуке Windows?

CHIP
Экстремалы в природе, или о пределах выносливости Экстремалы в природе, или о пределах выносливости

Они выбрали себе жизнь, какой не позавидуешь, и везде сумели освоиться

Наука и жизнь
Почему родителям надо уважать границы молодой семьи: 3 совета теще и свекрови Почему родителям надо уважать границы молодой семьи: 3 совета теще и свекрови

Почему родители часто вмешиваются в уклад молодой семьи?

Psychologies
Как растения размножаются Как растения размножаются

Почему одни растения плодятся спорами, а другие семенами?

Наука и жизнь
Лисички в сметане Лисички в сметане

В России наиболее популярным блюдом всегда были жареные лисички в сметане

КАНТРИ Русская азбука
Можно ли взять велосипед в метро: да, если знать пару хитростей Можно ли взять велосипед в метро: да, если знать пару хитростей

Из всех видов транспорта у метропо самые жесткие ограничения для велосипедов

ТехИнсайдер
Лето в городе Лето в городе

Как интересно провести время на отдыхе в городе

Здоровье
Смотрины для родинки Смотрины для родинки

Разбираемся, какие родинки опасны, а какие совершенно безобидны

Лиза
Счет, пожалуйста! Когда и как тебя могут обсчитать в ресторане Счет, пожалуйста! Когда и как тебя могут обсчитать в ресторане

Как рестораны не только обсчитывают, но и заставляют раскошелиться против воли

Лиза
Всё по минимуму Всё по минимуму

Минимализм в интерьере: как добиться лаконичности и сохранить ощущение уюта

Лиза
«Академикам-медикам не нашлось места в зале общего собрания» «Академикам-медикам не нашлось места в зале общего собрания»

Исполнилось 80 лет со дня основания медицинской академии наук СССР

Наука
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
На педали жали: краткий таймлайн велосипедной формы На педали жали: краткий таймлайн велосипедной формы

Как с годами менялась одежда велосипедистов и велосипедисток

Правила жизни
Ольга Забненкова: «Главный тренд в эстетической косметологии сместился с лозунга Ольга Забненкова: «Главный тренд в эстетической косметологии сместился с лозунга

Врач-дерматолог об аппаратных процедурах и правильном уходе за кожей

Здоровье
Нобелевские премии по физике в контексте истории Нобелевские премии по физике в контексте истории

Почему Нобелевскую премию Эйнштейну дали так поздно?

Наука и жизнь
Странная принцесса Странная принцесса

Жизнь принцессы Александры Ольденбургской стала основой для жития святой

Дилетант
Остров спокойствия Остров спокойствия

Serenissima 1 — плод сотрудничества турецкой верфи и итальянского дизайн-бюро

Y Magazine
Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг Почему «счастливые часов не наблюдают»? Так работает мозг

Увеличение нашей активности влияет на то, как наш мозг отсчитывает время

ТехИнсайдер
Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой» Историк культуры Андрей Зорин: «Нельзя недооценивать то, чего можно добиться силой»

С чем связан рост ожесточения и откуда у молодежи ностальгия по прошлому

Forbes
Мотивация на добро: как бизнесу получить налоговый вычет за благотворительность Мотивация на добро: как бизнесу получить налоговый вычет за благотворительность

Как правильно оформить пожертвование и как получить за него вычет

Inc.
Детство без психотравм Детство без психотравм

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

Здоровье
Операция «Утка» Операция «Утка»

В 30-х годах Сталин решил, что выслать Троцкого за пределы СССР недостаточно...

Дилетант
Йох Йох

Весьма необычное национальное блюдо из кукурузной муки и курдючного сала

КАНТРИ Русская азбука
FLNG «Prelude» FLNG «Prelude»

Что представляют собой плавучие заводы-хранилища сжиженного природного газа?

Наука и техника
Археолог развел огонь по-неандертальски Археолог развел огонь по-неандертальски

Ученый проверил, насколько помогает пиролюзит для разведения огня

N+1
Все побежали и я побежал Все побежали и я побежал

Почему марафоны и тренинги только уводят дальше от цели

VOICE
Комариные укусы: чем помазать, чтобы не чесалось Комариные укусы: чем помазать, чтобы не чесалось

Почему комариные укусы чешутся и можно ли с этим что-то сделать?

ТехИнсайдер
Смерть на параде Смерть на параде

История покушения на президента Египта Анвара Садата

Дилетант
«Посреди моря всяческой несвободы» «Посреди моря всяческой несвободы»

Как Андрей Синявский перечитал русских классиков, чтобы найти путь на волю

Weekend
Открыть в приложении