www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruДвигателиПроблема реактивной тяги на сегодняшний день и в ближайшем будущем. [Где взять антиматерию?]
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



Проблема реактивной тяги на сегодняшний день и в ближайшем будущем. [Где взять антиматерию?]
Версия для печати

История одного из самых захватывающих и многообещающих открытий в физике, которое волнует ученых и сегодня, началась почти сто лет назад со странного математического уравнения. Молодой французский физик Поль Дирак (Paul Dirac), сумевший в 1928 году вывести общее уравнение для описания движения элементарных частиц при помощи теории относительности, наткнулся на интересную особенность своего решения. Из него следовало, что помимо обычных элементарных частиц могут существовать и такие же частицы с обратным по знаку зарядом — своеобразные зеркальные отражения. Подобное заявление было в диковинку для классической физики, но Дирака это не смутило — он считал, что предсказанные им античастицы вполне могут служить основанием для материи, подобной той, из которой построен наш мир, но с иными свойствами. Спустя четыре года американский физик Карл Андерсон, изучая взаимодействие частиц высоких энергий, прилетающих на Землю из космоса, с молекулами газа, обнаружил на фотопластинке следы, оставленные частицами, имеющими ту же массу, что и электрон, но заряженными положительно. Это был след антиэлектрона (позже названного позитроном), первой экспериментально открытой античастицы. Так началась история антиматерии. Следующие два десятка лет принесли открытие античастиц для оставшихся двух составных частей атома — протона и нейтрона. Для этого уже использовались не потоки лучей из космоса, а новые инструменты, способные ускорять элементарные частицы, придавая им огромную энергию. Теоретическая основа для создания таких инструментов, названных ускорителями частиц, была разработана еще в 30-х годах Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence). Устроены они довольно просто: основная их часть — полая труба, на всем протяжении которой установлены электромагнитные катушки. Впрыскивая в такую трубу пучок элементарных частиц и подавая напряжение на электромагниты, можно ускорять полет частиц, одновременно повышая их энергию. Затем путь преграждают металлической мишенью, сталкиваясь с которой частица распадается. В случае если энергия столкновения достаточно высока, можно надеяться на рождение новых элементарных частиц и соответствующих им античастиц. Именно так в 1955 г. были получены антипротоны, а в 1959 — антинейтроны. После этого ученым ставалось лишь попытаться объединить античастицы и получить первое антиядро, а потом и антиатом. Как известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В простейшем случае ядро включает всего один нейтрон и один протон (атом дейтерия). В 1965 году одновременно европейскими (CERN — Европейский центр ядерных исследований) и американскими исследователями было получено ядро антидейтерия (включающее один антинейтрон и один антипротон), а затем, после 30-летней подготовительной работы, в той же лаборатории CERN, путем соединения антиэлектрона и антипротона были произведены первые девять атомов антиводорода.

Достижение европейцев произвело настоящий фурор в научном мире: антиводород, в силу чрезвычайной простоты своего строения, обещал стать для изучения антиматерии столь же важным, каким является водород для изучения материи обычной. К этому времени антиматерией начали серьезно интересоваться не только те, кто жаждал новых знаний об устройстве нашего мира, но и чистые практики — намеревавшиеся заставить антиматерию работать на пользу человека.

Задуматься над использованием антиматерии в практических целях заставляет простой факт: как следует из знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2, масса является концентрированной формой энергии. Иначе говоря, максимальное количество энергии, которое мы можем получить от какого-либо тела, мы получим, лишь преобразовав его целиком в излучение. Этого чрезвычайно просто добиться при помощи антиматерии — столкнув атом с антиатомом (процесс называется аннигиляцией). В этом случае один килограмм вещества (хотя бы того же водорода) способен дать в миллиарды раз больше энергии, чем при обычном сгорании. Казалось бы, все энергетические проблемы человечества решаются одним махом! К сожалению, не все так просто. Дело в том, что для производства какого-то количества антиматерии (или просто — антивещества) необходимо затратить энергию не меньше той, которое способно это количество дать при аннигиляции. Черпать же антивещество из природных источников мы не можем за неимением последних. Поэтому использовать антиматерию на электростанциях в качестве идеального топлива не получится. Однако если такое крайне малое количество такого топлива способно стать источником гигантского количества энергии, будучи само весьма компактным, то почему бы не использовать его в космонавтике? Идея эта, впервые высказанная фантастами (вспомните звездолет Enterprise из сериала «СтарТрэк»), получила самую живую поддержку со стороны научной общественности. Конечно, сделать все согласно сценарию фантастического фильма не выйдет. Во-первых, мешает очень маленькая производительность нынешних генераторов антивещества: все они представляют собой уже известные нам ускорители частиц, и лучшие из них способны синтезировать лишь миллиардную долю грамма антиматерии в год. КПД такого генератора фантастически низок (0.00000001%), в результате чего приблизительная стоимость грамма измеряется триллионами долларов.

Вторая по важности проблема заключается в необходимости полностью изолировать такое топливо от всех окружающих предметов — иначе после заправки в излучение превратятся не только топливные баки, но и сам звездолет вместе с его пассажирами.

Тем не менее, решения обеих проблем отыскались довольно быстро. Для хранения антивещества предложили использовать вакуумную камеру, помещенную в замкнутый кокон из управляемых электромагнитных полей. Решение не самое дешевое, но главное, что прототипы таких хранилищ уже имеются — к примеру, в американском проекте Mark I несколько миллиардов антипротонов хранились в течение недели. С недостатком антивещества и его дороговизной решено бороться еще проще: дефицитная антиматерия может играть лишь роль запала, инициирующего реакции, протекающие в мощных атомных двигателях. В это же время астрономы продолжают поиски островов антиматерии во Вселенной. Идея Дирака о возможном существовании целых миров, составленных из антивещества, подверглась некоторой правке: сегодня ученые склоняются к мысли, что на антиматерию приходится в лучшем случае лишь около миллионной доли типичных звездных систем вроде нашей галактики. И обнаружить их — дело чести. Пока такие поиски, ведущиеся с помощью детекторов частиц высоких энергий, вынесенных за атмосферу (как это было, к примеру, в проекте AMS в 1998) успехом не увенчались, но ученые намерены продолжить их, разместив детекторы на борту Международной космической станции уже в 2004 году. Ну а пока одни мечтают о межзвездных перелетах и антимирах, другие активно используют антиматерию в своей ежедневной практике. К примеру, медики выявляют очаги заболевания внутри человеческого тела при помощи т.н. PET-сканирования (позитронно-эмиссионная томография), рисующего точнейшую карту кровеносных сосудов на основе излучения, остающегося после аннигиляции электрон-позитронных пар. А в некоторых перспективных разработках, ведущихся в том числе и российскими учеными, планируется использовать пучки античастиц для уничтожения раковых опухолей.






??????.???????