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

Первый поход Первый поход

Кем были первые переселенцы из Африки на другие континенты?

Вокруг света
Миклош Хорти, всесильный местоблюститель Миклош Хорти, всесильный местоблюститель

Миклош Хорти: адмирал без флота, регент без короля

Дилетант
Два кавказца Два кавказца

Что за офицеры изображены на рисунке, который считался за авторством Лермонтова?

Дилетант
Ядерная энергетика. От истоков к перспективам Ядерная энергетика. От истоков к перспективам

Прошлое, настоящее и будущее ядерной энергетики

Наука и техника
Остаться в живых Остаться в живых

10 навыков, необходимых путешественнику. Советы Миклухо-Маклая

Вокруг света
Репортёр без границ Репортёр без границ

Роберт Капа дал сам себе задание рассказывать об аде, созданном человеком

Дилетант
Как интроверту и экстраверту понять друг друга Как интроверту и экстраверту понять друг друга

Чем мы отталкиваем друг друга и можем ли впоследствии изменить мнение о знакомом

Psychologies
Недетская анимация: какие реальные психические процессы показаны в мультфильме «Головоломка-2» Недетская анимация: какие реальные психические процессы показаны в мультфильме «Головоломка-2»

Какие научные доводы легли в основу «Головоломки-2»?

ТехИнсайдер
Два месяца в открытом океане по своей воле: история врача-экспериментатора Алена Бомбара Два месяца в открытом океане по своей воле: история врача-экспериментатора Алена Бомбара

Как молодой врач стал первым человеком, в одиночку пересекшим Атлантику

ТехИнсайдер
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
Происхождение казахов Синьцзяна смоделировали из четырех предковых компонент Происхождение казахов Синьцзяна смоделировали из четырех предковых компонент

Китайские генетики проанализировали ДНК более чем двухсот этнических казахов

N+1
Зонд DART увидел омоложение поверхности Диморфа Зонд DART увидел омоложение поверхности Диморфа

Как планетологи составили портрет системы астероидов Дидим и Диморф

N+1
Без шанса на удачу: 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать Без шанса на удачу: 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать

Рассказываем 5 фактов о дуэли Пушкина, которые вы могли не знать

ТехИнсайдер
Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода Дорога вдоль северного фасада. История Северного широтного хода

Для СССР результаты войны в Арктике оказались весьма болезненными

Наука
Титановое сердце на дисковых насосах Титановое сердце на дисковых насосах

Потребность в пересадке сердца в России составляет тысячи операций в год

Наука
Жить будут Жить будут

Как восстановить поврежденные в отпуске волосы – рассказывает эксперт

Лиза
Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM Стоит ли смотреть распиаренный «Собиратель душ» с Николасом Кейджем? Честная рецензия MAXIM

Что не так с фильмом «Собиратель душ» с Николасом Кейджем?

Maxim
Есть ли у вас порнозависимость? Изучите чек-лист из 5 пунктов Есть ли у вас порнозависимость? Изучите чек-лист из 5 пунктов

Порнозависимость: почему она возникает и как её выявить?

Psychologies
Публицистический запрос на безжалостность Публицистический запрос на безжалостность

Как памятник литературы сформулировал кодекс поведения главы государства

Weekend
Троцкизм, как и было сказано Троцкизм, как и было сказано

Как с помощью «троцкизма» Сталин решил подорвать авторитет Троцкого

Дилетант
7 привычек, которые раздражают бариста 7 привычек, которые раздражают бариста

Эти привычки могут повлечь за собой конфликт с персоналом любимого заведения

Psychologies
Расчеловечивание — это звучит гордо Расчеловечивание — это звучит гордо

Как Евгений Юфит перевел русский кинематограф безжалостности на новый уровень

Weekend
Иван Купала: обычаи, приметы и гадания Иван Купала: обычаи, приметы и гадания

Зачем прыгать через костер, в чем суть куклы «Купавы» и какие травы собирать

Лиза
Кулебяка Кулебяка

Царица русских застолий с эффектом Lego: кулебяка

КАНТРИ Русская азбука
Яблоки миллиардеров: как богатые наследники продолжают покорять мировой теннис Яблоки миллиардеров: как богатые наследники продолжают покорять мировой теннис

Богатые наследники, которые профессионально занимаются теннисом

Forbes
Люблю двоих Люблю двоих

Что делать, если нравятся сразу двое мужчин?

Лиза
Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить Почему слышен хруст при повороте руля и как это исправить

Хруст при повороте руля — тревожный знак. Но где именно кроется неисправность?

РБК
Премия как зеркало московской архитектуры Премия как зеркало московской архитектуры

Современные тренды в архитектуре Москвы

Монокль
Только без паники Только без паники

Пять причин повышенной тревожности

Лиза
Теневые короли и их великий «Шелковый путь 2.0» Теневые короли и их великий «Шелковый путь 2.0»

«Шелковый путь»: сетевая империя, которая изменила очень многое в XXI веке

P.I.C. Partner In Crime
Открыть в приложении