Антиматерия (эссе)

Введение.

Из чего состоит окружающий мир? Что представляют собой первичные частицы, из которых состоят все остальные? Ученые и философы пытаются ответить на эти вопросы в течение всей истории человечества. Простейшими, неделимыми частичками древнегреческий философ Демокрит считал атомы. Его представления о материи, сходные со взглядом на течение реки: все течет, все изменяется, кроме атомов, из которых все состоит. Элементарность атома была «разбита» в конце XIX – начале XX в., когда открыли структурные компоненты атома. С 30-х годов XX в. ученые открыли более четырехсот элементарных частиц, классифицировали их, и до сих пор продолжают пристально изучать. Среди этих открытий крупнейшим достижением считается открытие античастиц в первой половине XX в.

Цель написания моего эссе – рассмотреть понятие «антиматерия», «антивещество» в современной науке, а также выяснить, что думают философы о последних достижениях физики элементарных частиц.

Основная часть.

Из школьной физики мы помним, что окружающие нас тела состоят из молекул, молекулы - из атомов, а атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. Кроме этих трех частиц существует еще много элементарных частиц. Элементарными частицами называют мельчайшие частицы физической материи.[4] Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. У всех этих частиц есть много характеристик (масса, спин, время жизни и т.п.), и среди них ряд величин отвечают за взаимодействие этой частицы с другими. Одна из этих величин - электрический заряд, который отвечает за электромагнитное взаимодействие, есть еще барионный и лептонные заряды, которые отвечают за другие виды взаимодействия - сильное и слабое. Элементарные частицы существуют в двух разновидностях: частица и атичастица. Каждой частице должна соответствовать античастица. Античастица – элементарная частица, имеющая по отношению к частице равную массу покоя, спин, время жизни и противоположный заряд. [5]

Первая античастица была обнаружена в 1932 г. американским физиком К.Андерсоном при изучении космических лучей. Этот «двойник» электрона с положительным электрическим зарядом назвали позитроном. Существование античастицы электрона предсказал в 1928 г. П.Дирак. В 50-х годах XX века обнаружены антипротон и антинейтрон. Были получены атомы антидейтерия, антитрития и антигелия, у которых отрицательно заряженные ядра и оболочка из позитронов.[2] Антивещество – вещество, построенное из антинуклонов и позитронов (нуклоны - ядерные частицы: протоны и нейтроны). При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция – процесс, в результате которого они превращаются в фотоны – кванты электромагнитного поля или другие частицы. Обратный процесс, когда фотон большой энергии при взаимодействии с веществом превращается в позитрон и электрон, называется рождением пары. Для физиков процессы возникновения и превращения электронно-позитронных пар являются примером взаимосвязи различных форм материи: материя в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля и наоборот. [6]

Всего вместе с античастицами открыто более 400 элементарных частиц. Из них стабильными (долгоживущими) являются только фотон, электрон, протон, нейтрино и их античастицы. У фотона античастицы нет, поэтому его считают истинно нейтральной частицей.

Итак, физики под антиматерией понимают антивещество, состоящее из античастиц. Причем под античастицами не подразумевается какая-то философская противоположность материи, а всего лишь частицы, которые аннигилируют при встрече со своим "двойником".

Интересно, что антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 г., производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 млн. долларов США.

Открытие античастиц по праву считается крупнейшим достижением физики ХХ столетия. Оно впервые доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого ученые были уверены, что вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново. Эта простая картина ушла в прошлое, когда был открыт позитрон. Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи.

  Почти всё, что физики детектируют на Земле и с помощью искусственных спутников, представляет собой вещество. Антивещество получают на Земле с помощью ускорителей высоких энергий. Так были получены антипротоны, ядра антидейтрона, антигелия, антиатомы, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРН в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая. Астрономическими методами непосредственное наблюдение антиматерии невозможно, т.к. фотоны, рождающиеся при взаимодействии частиц антиматерии между собой, неотличимы от фотонов, рождающихся при взаимодействии частиц материи. Причина этого в том, что фотон - истинно нейтральная частица. Образование частиц антивещества наблюдается в результате взаимодействия высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой Земли. Античастицы образуются в областях с повышенной концентрацией энергии. Так, например, образование античастиц происходит в ядрах активных галактик. Как правило, в таких случаях частицы антиматерии появляются вместе с частицами материи. 

Проблема существования антивещества во Вселенной является фундаментальной проблемой физики, которая связана с проблемой образования и развития нашей Вселенной. Никаких признаков существования во Вселенной космических тел, состоящих из антиматерии, не обнаружено. Одной из главных и пока нерешенных загадок современной физики считается асимметрия — подавляющее преобладание во Вселенной материи над антиматерией. Процесс, посредством которого возникает эта асимметрия между частицами и античастицами называется бариогенезисом. До 50-х годов ХХ века преобладало мнение, что во Вселенной одинаковое количество материи и антиматерии. Однако в середине 60-х гг. работы в области теории Большого Взрыва поколебали эту точку зрения. Существуют различные гипотезы относительно того, почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи. Если бы в первые моменты существования горячей и плотной Вселенной количество частиц и античастиц было одинаковым, то их аннигиляция привела бы к тому, что во Вселенной осталось бы только излучение. В настоящее время большинство физиков согласно с тем, что в результате нарушения так называемой симметрии четности в слабых взаимодействиях (СР‑симметрии) во Вселенной в первые мгновения эволюции частиц образовалось несколько больше, чем античастиц. В итоге после аннигиляции осталось преобладающее количество частиц. 
    Другая возможность объяснить доминирование вещества в «ближней» Вселенной- это предположить, что антивещество сосредоточено в дальних плохо исследованных областях Вселенной. В 1979 г. Ф. Стекер предположил, что асимметрия вещества и антивещества могла возникнуть спонтанно в первые моменты после Большого взрыва, когда вещество и антивещество разлетелись в разные стороны. [1]
    Так как электромагнитное излучение одинаковым образом взаимодействует как с материей, так и с антиматерией, планеты, звезды и галактики из материи и антиматерии в электромагнитном излучении выглядят одинаково. Поэтому физики думают над другими методами поиска антивещества во Вселенной. Если бы удалось зарегистрировать вблизи Земли ядра антигелия, то это было бы достаточно сильным свидетельством в пользу существования во Вселенной областей повышенного содержания антивещества, но пока этого не произошло.  Принципиальная возможность обнаружения антиматерии во Вселенной связана с детектированием антинейтрино.  Строящиеся в настоящее время подводные нейтринные телескопы, нейтринный телескоп в Антарктиде позволят сделать следующие шаги в поисках антиматерии во Вселенной. 

Что говорят об антиматерии современные философы? В книге [3] автор прямо пишет: «В самом общем виде антиматерия - это не материя, не вещественность, не субстратность; другими словами, противоположность материи… Открытие антиматерии отрицает материальность мира на основе уже не только теоретических предположений, но и экспериментальных данных.» Данное высказывание в общем-то находится в противоречие с пониманием антиматерии физиками. И далее: «Существующие понятия пространства и времени неприемлемы в качестве характеристики сущностных основ мира. Если мир един, а материя и антиматерия являются лишь его противоположными характеристиками, то должны быть и иные формы этого единства, чем время и пространство. Логическим завершением такого представления является концепция симметричной вселенной, согласно которой миру, состоящему из "обычного" вещества, должен соответствовать параллельный антимир, состоящий из антивещества со своим антивременем, антипространством».[3] В книге автор дает представление об открытом мире - это новое миропонимание. Оно порождено такими реалиями, как кризис философии, очевидная многосущность мира, несводимого к материальному и идеальному, открытие антивещества и понимание информации как содержания, получаемого извне. Автор убедительно показывает, что материализм, идеализм и дуализм "в чистом виде" лишены перспектив, а сущностные проявления мира бесконечны.

Выводы.

Антиматерия представлена частицами, обладающими той же массой, временем жизни, спином, что и обычное вещество, но с противоположным зарядом. Когда материя сталкивается с антиматерией, высвобождается энергия, пропорциональная массе E = mc². Все, что наблюдается на Земле, в ближнем и дальнем космосе представляет собой материю. Предполагается, что антиматерия в больших количествах может существовать в далеких галактиках. Пока нет никаких объяснений очевидной асимметрии материи и антиматерии в наблюдаемой Вселенной.

Развитие учения об элементарных частицах позволило по-новому взглянуть на мир вещей, материи вообще, судить о жизни вокруг нас с точки зрения микрообъектов. Познание связей микромира ведет к углублению представлений о нашем мире, его свойствах, организации и структурировании. Открытия в области физики серьезно влияют на современную философию, давая понять, что бесконечное разнообразие мира выходит за пределы многих философских концепций и мировоззрений в их «чистом виде».

Литература:

1. Антиматерия во Вселенной.

http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant20.htm

2. Белов А.Н. Элементарные частицы: пособие. – Воронеж: ИПКРО, 2004. – 37 с.

3. Егоров В.С. Философия открытого мира. - Воронеж: Издательство НПО "МОДЭК", 2002. - 320 с.

4. Кабардин О.Ф. и др. Физика. 11 кл. Учеб., углубл. уровень. – М.: Просвещение, 2016. – 416 с.

5. Касьянов В.А. Физика.11кл. Учебник. – М.: Дрофа, 2011. – 448 с.

6. Трофимова Т.И. Курс физики. Учеб. пособие для студентов техн. специальностей. - М.: Высш. шк., 1990. – 478 с.