Що відбувається, коли кварк зустрічається з антікварком? Потужна сила, що утримує кварки і антикварки по три, також може притягнути і одиничний кварк до антикварки. Багато частинки, які зустрічаються в космічних променях і прискорювачах, наприклад півонії і дивні каона, - це крихітні пучки кварка і антікварка. Така комбінація не є ні матерією, ні антиматерією, але містить зразки кожної, кварк матерії і антікварк антиматерії. Якщо кварк і антикварк укладені в мініатюрній всесвіту, яка простягається тільки на одну тисячну частину мільярдної частини метра, вони практично миттєво зустрінуться і знищать один одного. Тому півонія і каона живуть тільки дуже короткий час.
Експерименти показали, що трапляється, коли протон зустрічається з антипротонів. Іноді вони просто пливуть один до одного, іноді на швидкості врізаються один в одного, і кінцевий продукт варіюється. Чим більше швидкість, на якій відбувається зіткнення, тим більше їх енергія, тим більше півоній або гамма-променів створюється при вибуху. В процесі експериментів вчені дізналися, чого очікувати, якщо хтось з успіхом створить джерело енергії на основі антиматерії, або бомбу, або якщо в нашу атмосферу прилетить антікамень з космосу. Ми вже зрозуміли досить, щоб передбачити можливі результати.
Експерименти показали, що анігіляція не відбувається миттєво. Замість цього протон і антипротон трохи "танцюють", як би доглядаючи один за одним, і тільки потім відбувається їх остаточне доленосне злиття. Уявіть протони в шматку матерії, коли наближається Антипротон. Позитивний заряд протона створює електричне поле, яке поширюється в просторі у масштабах атомів. Ці відстані становлять приблизно десять мільярдних метра і здаються нам крихітними, але при цьому вони приблизно в десять тисяч разів більше, ніж розмір і самого протона, і самого антипротона. Якщо Антипротон наближається до протону відносно повільно, то він виявиться в пастці через протилежні зарядів і почне обертатися по орбіті навколо протона подібно до того, як робить електрон в звичайному атомі. Спочатку ця орбіта далеко, але в міру того як Антипротон стане втрачати свою енергію, він буде переходити з зовнішніх орбіт на внутрішні і при цьому емітувати гамма-промені. Саме ці гамма-промені можна вловити, а їх енергію виміряти. Це подібно до гальмівним слідах автомобіля на місці аварії, за якими можна визначити послідовність подій.
Нарешті, Антипротон виявляється на близько розташованої орбіті і в радіусі дії потужної сили, опиратися якій не можуть ні протони, ні антипротона. Описаний танець міг тривати протягом однієї сотої частки секунди, але, як тільки частка потрапляє під дію потужної сили, кінець настає практично миттєво. Новина про катастрофу йде зі швидкістю світла через протон і антипротон, і вони зникають за менш ніж мільярдну частку мільярдної частки секунди, залишивши після себе гамма-промені і півонії. Потім вони теж зникають: півонії, що складаються з кварка і антікварка, живуть дуже недовго, вони саморуйнується, теж перетворюючись в гамма-промені, або в електрони, позитрони і нейтрино, і всі вони несуть енергію анігіляції.
Анігіляція дає унікальну можливість - вивільнення енергії з матерії. Що це? Благо чи зло? У нашому матеріальному світі антиматерія руйнує все. Якщо ми хочемо, щоб антиматерія приносила користь, ми повинні навчитися її стримувати і утримувати поза будь-якої матерії і так довго, як потрібно перед тим, як захочемо її використовувати. Тепер розповімо про вирішення цієї проблеми.
зберігання антиматерії
Проблема зберігання енергії стосується не тільки антиматерії. Ми знаємо, як зберігати нафту і газ. Але зараз по всьому світу йде активний розвиток альтернативної енергетики, вивчаються можливості використання сонячних батарей і вітрогенераторів. Електрика, вироблене цими джерелами енергії, вже використовується, хоча, звичайно, до освітлення і опалювання будинків тільки за допомогою енергії сонця, сили вітру і антиматерії ще дуже далеко.
Але енергетичні комплекси для вироблення енергії з альтернативних джерел вже є - наприклад, вони працюють в невеликих ізольованих селищах в різних країнах світу. Якщо тягнути на сотні кілометрів лінії від електростанції, втрати виявляться невиправдано великими. Тому в таких куточках активно будують сонячні і вітряні електростанції.
У США вартість кіловата в регіонах з великою кількістю сонця складає сім центів. Звичайно, на півдні ефективність сонячних батарей завжди буде вище. У деяких регіонах такі установки вибирають, керуючись турботою про навколишнє середовище. Іноді сонце і вітер використовують у взаємодії з електромережею.
Теоретично ефективність перетворення сонячної енергії може досягати 86% (антиматерії - 100%). Правда, ККД нинішніх сонячних батарей в масовому виробництві становить всього 18%, але це все одно вигідно. А яку вигоду може дати використання антиматерії?
Століття нафти закінчиться не через дефіциту нафти, а через те, що з'являються нові технології, однією з яких може стати антиматерія. На сьогоднішній день спосіб перетворення сонячної енергії вже досяг рівня, коли він починає конкурувати з наявними старими джерелами електроенергії, включаючи АЕС
Не так давно було запропоновано вирішення проблеми зберігання енергії, виробленої сонячною батареєю. Американський винахідник Ілон Маск представив літій-іонні акумулятори. Можливо, цей винахід змінить розклад сил у світовій енергетиці.
А що ж з антиматерією, яка безумовно може бути більш ефективна, ніж сонце і вітер? Вирішення питання зберігання речовини, яке руйнує все, запропонував Бруно Тушок, австрійський фізик, який займався фізикою прискорювачів і створив перший в світі електрон-позитронний колайдер. У його колайдері пучки частинок і античастинок обертаються в одному і тому ж кільці назустріч один одному, стикаючись в двох точках, де детектори реєструють результат взаємодії. Оскільки антиматерія зруйнує будь-який матеріальний предмет, її слід тримати в клітці, яка не має стін. Рішення - вакуум, який краще відкритого космосу з магнітними і електричними полями. У ньому повинні бути укладені античастинки, позитрони або антипротона, як циркулюють пучки.
Цей ефект був досягнутий в лабораторіях, що займаються фізикою частинок, наприклад в ЦЕРН, де використовувалося кільце магнітів протяжністю 27 кілометрів, де протягом багатьох тижнів пучки позитронів направляли крізь вакуумну трубку. Ці позитрони рухалися зі швидкістю світла і жили стільки часу, скільки часу не торкалися стінок трубки завдяки підживлює магніти електрики або поки не стикалися з випадковими атомами газу всередині трубки.
Про це експерименті ми поговоримо нижче, а зараз нас цікавить, як зберігати антиматерію, як її транспортувати і використовувати в реальності. Безумовно, непрактично будувати 27-кілометрові кола магнітів і тим більше перевозити їх з місця на місце. І в цьому немає необхідності. Величезне кільце було вершиною наукових досягнень, розроблене спеціально для виробництва і управління пучками антиматерії, на швидкості, максимально наближеною до природного межі швидкості - 300 000 кілометрів на секунду. Але початкова ідея і технологія з'явилися набагато раніше споруди кільця магнітів, в 1960 році, і належить до згаданого Бруно тушок. Хоча в той час ні він сам, ні хтось інший не могли передбачити, що це може бути вирішенням питання зберігання антиматерії.
Потім пішли експерименти американського фізика Ернеста Орландо Лоуренса (1901-1958), який висунув ідею і побудував циклотрон - перший в світі циклічний прискорювач - прискорювач протонів, в якому частота прискорювального електричного поля і магнітне поле постійні в часі, а частинки рухаються по плоскій розгортається спіралі . Лоуренс запропонував багаторазове проходження частинками прискорює зазору з відносно невеликим напругою. Для замикання орбіти використовувалося постійне магнітне поле, для прискорення частинок - локалізоване високочастотне електричне поле з амплітудою в декілька кіловольт. Для нерелятівістскіх частинок частота звернення не залежить від швидкості, тому частка, багаторазово проходячи через прискорює зазор і збільшуючи свою швидкість і радіус обертання, все одно приходить в прискорює зазор в потрібній фазі з електричним полем. За це Лоуренс був удостоєний Нобелівської премії в 1939 році (а патент отримав ще в 1934 році). Взагалі він побудував кілька циклотронів, кожен раз удосконалюючи попередній. Лоуренс залишив після себе обов'язки по ядерній фізиці, її застосуванні в біології та медицині і був учасником створення атомної бомби. Можна сказати, що завдяки циклотрон Лоуренса з'явилася сучасна фізика високих енергій.