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

Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
«Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки «Да пребудет со мной сила!»: практика самоподдержки

Как развить навык самоподдержки?

Psychologies
Булгаковское Средневековье Булгаковское Средневековье

Что роман «Мастер и Маргарита» унаследовал от Средневековья

Вокруг света
Восемь мифов о правильной еде Восемь мифов о правильной еде

Давно опровергнутые, но устоявшиеся представления о правильной еде

Здоровье
Просто добавь воды Просто добавь воды

Химики предложили новый способ стабилизации наночастиц оксида железа

Наука и жизнь
Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью Наследие под угрозой: почему природный парк в России признали всемирной ценностью

Про лодки «кенозерки» и чем Стоунхендж похож на Кавказский заповедник

Forbes
Как United Airlines обслуживает клиентов с помощью ИИ и сколько она на этом выиграла, а не потеряла Как United Airlines обслуживает клиентов с помощью ИИ и сколько она на этом выиграла, а не потеряла

United Airlines использует ИИ, чтобы передавать клиентам важную информацию

Inc.
Попробуй — полюбишь Попробуй — полюбишь

Какие полезные привычки можно внедрить в свою жизнь?

Новый очаг
Эта посредственность Бетховен Эта посредственность Бетховен

Не то чтобы совсем уж бездарность, но... — о чем рассказали генетические тесты?

Знание – сила
Будет мальчик! Будет мальчик!

11 примет, которые предсказывают беременность и пол ребенка

Лиза
«Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники «Без технóты нет работы у пилотов». Обслуживание авиатехники

Из каких этапов состоит техобслуживание летательных аппаратов

Наука и техника
Флоатинг как способ ментальной перезагрузки: почему иногда полезно полежать в соленой воде Флоатинг как способ ментальной перезагрузки: почему иногда полезно полежать в соленой воде

Могут ли сеансы пребывания в солёной воде помочь справиться со стрессом?

ТехИнсайдер
Дмитрий Кюлленен Дмитрий Кюлленен

Дмитрий Кюлленен — ресторатор, который создает неопанк-вайбы

Собака.ru
Пояс верности — это не более, чем миф. Рассказываем, как такое получилось Пояс верности — это не более, чем миф. Рассказываем, как такое получилось

Кто и зачем изобрел пояс верности? Существовал ли он на самом деле?

ТехИнсайдер
«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
Имитирующий мышцы спины экзоскелет снизит нагрузку на позвоночник при поднятии тяжестей Имитирующий мышцы спины экзоскелет снизит нагрузку на позвоночник при поднятии тяжестей

Инженеры разработали экзоскелет, предназначенный для снижения риска травм спины

N+1
5 простых шагов, которые помогут оправиться от развода 5 простых шагов, которые помогут оправиться от развода

Пять простых шагов, которые помогут легче адаптироваться к жизни после развода

Psychologies
Вот это поворот Вот это поворот

Ищем (и находим) новую профессию в любом возрасте

VOICE
У мышей нашли отвечающие за плацебо-обезболивание нейронные цепи У мышей нашли отвечающие за плацебо-обезболивание нейронные цепи

Ученые разработали эксперимент, который вызывает эффект облегчения боли

N+1
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
По следам золотодобытчиков По следам золотодобытчиков

Как добывается золото в наши дни?

2Xplore
Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют Фанатские теории по «Назад в будущее», которые все меняют

Док хотел покончить с собой, Марти мертв и куда пропали ховерборды?

Maxim
Дом у моря Дом у моря

Белоснежная вилла для летнего отдыха, со всех сторон открытая к морю

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Город без плана Город без плана

Новосибирск: конторы, фавелы и оперный театр

Weekend
Лайфхак для отпуска! Вот какие вещи можно забрать с собой из гостиничного номера Лайфхак для отпуска! Вот какие вещи можно забрать с собой из гостиничного номера

Какие вещи можно, а какие нельзя забирать как сувенир из отеля

ТехИнсайдер
Страсть на мушке Страсть на мушке

Известная парочка гангстеров, орудовавшая в Америке в годы Великой депрессии

P.I.C. Partner In Crime
Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать Олимпиада по запретам: как МОК не дает спортсменам рекламировать себя и зарабатывать

Как работает коммерция на Играх, и что запрещается даже самым титулованным

Forbes
Правила хранения джина, виски и водки Правила хранения джина, виски и водки

Почему водка иногда теряет свой вкус и откуда в виски появляются ноты резины?

СНОБ
12 фраз, которые используют люди с высоким эмоциональным интеллектом 12 фраз, которые используют люди с высоким эмоциональным интеллектом

Можно ли сказать, что у вас развит эмоциональный интеллект? Давайте проверим

Psychologies
Ветвистоусые летописцы водоёмов Ветвистоусые летописцы водоёмов

Кандидат биологических наук Антон Жаров — о кладоцерной палеореконструкции

Наука и жизнь
Открыть в приложении