Что такое антиматерия и как мы можем использовать ее для путешествий в космосе?

Исходя из известных нам законов физики, существование Вселенной кажется немного странным. Дело в том, что материя, из которой состоит все, что мы видим, от галактик до милых котят, имеет двойника, называемого антиматерией.

Антиматерия имеет ту же массу, что и обычная материя, но противоположный электрический заряд, и при взаимодействии этой «субстанции» происходит аннигиляция — превращение частиц и античастиц в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. И все это сопровождается высвобождением чистой энергии. Насколько нам известно, частицы и античастицы абсолютно одинаковы (кроме заряда), но по каким-то причинам сразу после Большого взрыва материи стало немного больше, чем антиматерии.

Таким образом, со временем Вселенная стала насыщена материей, и осталась лишь крошечная часть антиматерии, образовавшейся в результате ядерных реакций и высокоэнергетических взаимодействий. Тот факт, что Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, является главной нерешенной проблемой современной физики, которую изучают во всем мире.

Что такое антиматерия?

Фундаментальные или даже ядерные частицы — это не то, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни, так как они слишком малы, чтобы их можно было увидеть или ощутить. Однако мы знаем, что они существуют. Возьмем, к примеру, электрон. Это частица, которая проходит по цепям, несущим электрический ток, и движется вокруг ядра в атомах. Электрон имеет электрический заряд, который удобно принять равным -1.

Квантовая теория, разработанная британским физиком Полем Дираком в 1929 году, предполагала существование двух версий электрона: с положительным и отрицательным зарядом. Именно Роберт Оппенгеймер и Герман Вейль убедили Дирака в том, что положительно заряженный электрон является реальной частицей. В 1932 году американский физик Карл Дейвид Андерсон открыл эту частицу, которая была названа позитроном.

Любая фундаментальная заряженная частица имеет свою античастицу. Однако даже нейтральные вещества, не имеющие электрического заряда, могут иметь версию из антивещества, отличающуюся только некоторыми квантовыми свойствами. Таким образом, на каждый кварк, из которого состоят протоны, существуют антикварки, из которых состоят антипротоны. Соединив один антипротон с позитроном, вы получите антиводород.

Насколько распространена антиматерия?

Спустя несколько мгновений после Большого взрыва антиматерия стала «редким зверем», но это не значит, что ее вообще не существует в природе. Космические лучи, представляющие собой поток заряженных частиц, движущихся с высокими энергиями в космическом пространстве, содержат позитроны и антипротоны (и, возможно, даже более сложные античастицы), но это крошечная часть, менее одного процента от общего потока частиц.

Позитроны и антинейтрино образуются при определенном радиоактивном распаде. Позитроны также высвобождаются во время некоторых ударов молний, а антипротоны были обнаружены в радиационном поясе Земли. И все же это капля в океане по сравнению с обычной материей.

Любое взаимодействие с обычной материей разрушает антиматерию, и этот процесс сопровождается высвобождением значительного количества энергии, что рассматривается как интригующий способ путешествовать в космосе на высоких скоростях.

Антиматерия и космические путешествия

Концепция создания транспортного средства, использующего в качестве «топлива» антиматерию, была представлена NASA еще в 1999 году. Идея заключалась в том, чтобы сталкивать протоны и антипротоны для образования гамма-лучей, чрезвычайно энергичного излучения, а также других частиц. Если эти потоки частиц направить наружу, то можно получить тягу. По оценке NASA, удельный импульс (показатель эффективности) такого двигателя будет более чем в 200 или даже в 2 000 раз больше, чем у «Спейс шаттла».

Это не будет научно-фантастический двигатель, искажающий пространство-время, как в «Звездном пути». Он по-прежнему опирается на концепцию (третий закон Ньютона), согласно которой каждому действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Но в данном случае это действие будет достаточно большим, чтобы значительно сократить время путешествия по Солнечной системе.

Если у двигателя на антиматерии такие перспективы, то почему мы его создаем? Что ж, есть много проблем, которые придется решить, прежде чем будет создан рабочий прототип.

Стоимость антиматерии

Учитывая, что антиматерия аннигилирует при контакте с материей, ее очень сложно удержать. ЦЕРН принадлежит рекорд, установленный в 2011 году, по удержанию антиводорода в течение примерно 17 минут. Удержание всего 309 атомов было осуществлено с целью изучения свойств антиводорода.

Антивещество сложно производить, что делает его самым дорогим «веществом» на Земле. В ЦЕРН подсчитали, что фактическое производство одной миллиардной части грамма антиматерии обойдется в несколько сотен миллионов долларов.

Конечно, если бы человечество создало специальные установки, производящие антиматерию, то ее стоимость бы снизилась. К сожалению, пока это сфера узкоспециализированных и сложных экспериментов.