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

Дрожжи-снежинки. Искусственно созданные многоклеточные организмы Дрожжи-снежинки. Искусственно созданные многоклеточные организмы

Один из важнейших этапов развития жизни – появление многоклеточных организмов

Наука и Техника
«Как жемчуг падает на нефритовую тарелку»: интересные факты о телебашне Шанхая «Как жемчуг падает на нефритовую тарелку»: интересные факты о телебашне Шанхая

Как создавалась телебашня Шанхая

ТехИнсайдер
«Дела» врачей «Дела» врачей

Есть ли кто ближе к телу правителя, чем личный врач?

Дилетант
7 подручных средств: чем заменить гантели для тренировки в домашних условиях 7 подручных средств: чем заменить гантели для тренировки в домашних условиях

Чем дома заменить инвентарь для силовых тренировок?

ТехИнсайдер
В трёх действиях В трёх действиях

Почему Московские процессы 1936–1938 годов сравнивались с игрой кошки с мышью?

Дилетант
Мокрая зона Мокрая зона

Ответы на самые актуальные вопросы, связанные с выбором сантехники

Лиза
Умные полимеры в медицине Умные полимеры в медицине

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

Наука и жизнь
Дайте два. Как провести лето, чтобы отдохнуть Дайте два. Как провести лето, чтобы отдохнуть

После отдыха летом нужен еще один отдых... Как это исправить?

Новый очаг
Жить будут Жить будут

Как восстановить поврежденные в отпуске волосы – рассказывает эксперт

Лиза
Блокчейн при галстуке Блокчейн при галстуке

Цифровые финансовые активы в оценках бизнесменов-практиков

Цифровой океан
Анна на кастинге Анна на кастинге

«Тайны Карениной»: документальный сериал о киногеничности романа Льва

Weekend
Владимир Лифшиц Владимир Лифшиц

Биография Владимира Лифшица дает ответ на мучительные вопросы современности

Дилетант
Супермену — 86 лет. Чем супергерой похож на русских богатырей и Христа Супермену — 86 лет. Чем супергерой похож на русских богатырей и Христа

Ницше, Христос и русские богатыри: как появился архетип Супермена

СНОБ
«Имба»: что означает популярное слово зумеров, вводящее старшее поколение в ступор «Имба»: что означает популярное слово зумеров, вводящее старшее поколение в ступор

Что такое «имба» и почему старшему поколению полезно знать сленг зумеров?

Psychologies
Такая, какая есть: почему важна твоя индивидуальность и как ее развить Такая, какая есть: почему важна твоя индивидуальность и как ее развить

Почему нам всем действительно нужно быть собой?

VOICE
26 дуэлей и одна роковая: жизнь Александра Пушкина в цифрах 26 дуэлей и одна роковая: жизнь Александра Пушкина в цифрах

Несколько любопытных фактов из биографии поэта Александра Пушкина

Правила жизни
Репейницы преодолели более 4200 километров и добрались из Африки в Южную Америку Репейницы преодолели более 4200 километров и добрались из Африки в Южную Америку

Зоологи установили происхождение нескольких бабочек-репейниц

N+1
Небоскреб в форме паруса. Отелю-символу Дубая 25 лет Небоскреб в форме паруса. Отелю-символу Дубая 25 лет

Этот отель стоит на рукотворном острове и каждый день спасает редких черепах

СНОБ
Длинноногие иероглифы китаянок Длинноногие иероглифы китаянок

Женской добродетелью в конфуцианском Китае образованность не считалась

Знание – сила
Самым маленьким в мире слонам присвоили статус вымирающих Самым маленьким в мире слонам присвоили статус вымирающих

Борнейский слон впервые получил природоохранный статус

N+1
Младенцы из древнего погребения под вишапом в Армении оказались родственниками Младенцы из древнего погребения под вишапом в Армении оказались родственниками

Ученые исследовали останки младенцев, обнаруженные много лет назад в Армении

N+1
«Пиратское просвещение, или Настоящая Либерталия» «Пиратское просвещение, или Настоящая Либерталия»

С какой целью малагассийские женщины околдовывали иноземцев

N+1
Территория лета Территория лета

Полезные идеи для обустройства террасы и веранды на даче

Лиза
Москвич-полярник Москвич-полярник

По снежным просторам, когда зимой -50, можно путешествовать и на «Москвиче-412»

Отдых в России
Влад Мороз Влад Мороз

Отец-основатель русского аутдора Влад Мороз

Собака.ru
Отель как лучше Отель как лучше

В чем причина затянувшегося романа между литераторами и гостиницами?

Правила жизни
Что такое AWD: как работает, плюсы и минусы, отличия от 4WD Что такое AWD: как работает, плюсы и минусы, отличия от 4WD

Разбираемся в том, что скрывается под тремя буквами с окончанием «WD»

РБК
«Человек может быть одинок в любой ситуации» «Человек может быть одинок в любой ситуации»

Бакур Бакурадзе о своем новом фильме и поколении гражданской войны

Weekend
Родственные души: как мы ищем друзей и поддерживаем отношения Родственные души: как мы ищем друзей и поддерживаем отношения

Кто такие родственные души? Как их искать?

Psychologies
Человек состоит из клеток и бактерий. Главные научные новости недели Человек состоит из клеток и бактерий. Главные научные новости недели

Как помогает в лечении кишечный микробиом и атлас клеток спинного мозга?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении