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

По следам первопроходцев По следам первопроходцев

Следы эпохи Великих географических открытий – во всей нашей жизни

Вокруг света
Шaрлотка с яблоками Шaрлотка с яблоками

Десерт, известный как charlotte russe, в СССР был переименован в яблочную бабку

КАНТРИ Русская азбука
История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций

История гибрида, обнаруженного в природе спустя столетие после его создания

Наука и жизнь
Будет мальчик! Будет мальчик!

11 примет, которые предсказывают беременность и пол ребенка

Лиза
Жизнь в серебре Жизнь в серебре

Чем живет город Гуанахуато, обеспечивший современный миропорядок?

Вокруг света
Урожай красоты Урожай красоты

Проверенные рецепты домашних масок из сезонных ягод, фруктов, овощей и злаков

Лиза
Чебуреки Чебуреки

Они должны быть настолько сочными, чтобы, когда ешь их, аж по локтям текло

КАНТРИ Русская азбука
Киберспорт: что это такое и сколько зарабатывают киберспортсмены? Киберспорт: что это такое и сколько зарабатывают киберспортсмены?

У людей до сих пор нет четкого понимания, в чем суть киберспорта

CHIP
3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины 3 причины, почему вы переживаете из-за бывшей вашего мужчины

Почему наличие бывшей у партнера заставляет нас чувствовать себя неуверенно?

Psychologies
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
«Маленькие белые рабовладельцы»: как табак влиял на войны, общество и моду «Маленькие белые рабовладельцы»: как табак влиял на войны, общество и моду

Как табак, вызывающий проблемы со здоровьем, стал спутником человека?

Forbes
Голова в облаках Голова в облаках

Как отключиться от мыслей о делах?

VOICE
Илья Авербух и Лиза Арзамасова: «Мы оба пребываем в состоянии ожидания чуда» Илья Авербух и Лиза Арзамасова: «Мы оба пребываем в состоянии ожидания чуда»

Главное в семье — это любовь мужа и жены

Коллекция. Караван историй
Проклятия, сглаз, завистливые матери и Карл Юнг: черная магия глазами психолога Проклятия, сглаз, завистливые матери и Карл Юнг: черная магия глазами психолога

Поэтому многие в сложных жизненных ситуациях предпочитают полагаться на магию?

Psychologies
Избегаем неприятных инцидентов: что можно, а что нельзя есть перед анальным сексом Избегаем неприятных инцидентов: что можно, а что нельзя есть перед анальным сексом

Каких правил питания стоит придерживаться перед анальным сексом?

VOICE
«Способность совершать зло не есть могущество» «Способность совершать зло не есть могущество»

Как была написана одна из главных книг в истории европейской мысли и о чем она

Weekend
В 18 лет обнаружили аллергию на оргазм! История бедолаги из США с синдромом посторгазмического недомогания В 18 лет обнаружили аллергию на оргазм! История бедолаги из США с синдромом посторгазмического недомогания

Почему один юный американец «активно избегал» секса или романтических отношений?

ТехИнсайдер
Птицам стыдно? Ученые выяснили, что курицы могут краснеть! Вот почему это происходит Птицам стыдно? Ученые выяснили, что курицы могут краснеть! Вот почему это происходит

Куры способны краснеть — и не только. Вот что выяснили ученые!

ТехИнсайдер
Подельники Подельники

Девять (помимо Брута) самых интересных заговорщиков против Цезаря

Дилетант
360 000 рублей от государства: как население стимулируют к долгосрочным сбережениям 360 000 рублей от государства: как население стимулируют к долгосрочным сбережениям

Как будет работать программа сбережений и куда пойдут длинные деньги россиян?

Forbes
Самые мощные роботы-пылесосы: топ-8 достойных моделей Самые мощные роботы-пылесосы: топ-8 достойных моделей

Мощные роботы-пылесосы с производительными двигателями, которые не подведут

CHIP
Уроки Бреттон-Вудса Уроки Бреттон-Вудса

Как создать синтетическую резервную валюту

Деньги
ТОП-3 растительных масел для готовки ТОП-3 растительных масел для готовки

Лучшие полезные растительные масла, которые сделают ваши блюда вкусными

ТехИнсайдер
Фрагментация глобальной экономики Фрагментация глобальной экономики

О процессах фрагментации глобальной экономики

Деньги
Редактирование генома: как ограничивают научные прорывы в России и мире, и при чем тут этика Редактирование генома: как ограничивают научные прорывы в России и мире, и при чем тут этика

Как в развитии науки переплетается этика и закон

Inc.
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
Затянувшаяся грусть: что такое «ловушка печали» и как из нее выбраться Затянувшаяся грусть: что такое «ловушка печали» и как из нее выбраться

«Ловушка печали»: что это такое, как вовремя ее распознать?

ТехИнсайдер
Существует ли пищевая зависимость Существует ли пищевая зависимость

Когда тяга к еде становится чем-то большим, чем просто желанием есть?

ТехИнсайдер
Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели Самый дорогой роман Толстого и долги Достоевского: сколько зарабатывали писатели

Какие суммы зарабатывали писатели-классики литературным трудом

Forbes
7 способов хорошо отдохнуть: метод Далтон-Смит 7 способов хорошо отдохнуть: метод Далтон-Смит

Как научиться правильно отдыхать?

Psychologies
Открыть в приложении