Onur.su
Материя
и
Антиматерия
и
Антиматерия
Разбираем путаницу, связанную с этими понятиями.
Состав статьи.
Предисловие.
Материя.
поля, частицы материи, частицы - переносчики взаимодействий, газ, жидкость, твердое вещество, плазма.
Антиматерия.
открытие Дирака, античастицы, объемы получаемой CERN антиматерии.
Загадка ассиметрии материи и антиматерии.
сфалероны, лептогенез, бариогенез и т.д.
Использование антиматерии в энергетике.
Предисловие.
Многие не понимают, что такое антиматерия. И причины в том, что большинство имеет очень приблизительное представление о том, что подразумевается под термином "материя" в современной физике.
Что ж, давайте вместе разберемся что есть что.
Большинство людей, говоря "материя" подразумевают то, что наука полагала под материей до 19 века.
Кондовое, надежное как гвоздь, вбитый в стену, понимание материи как всей совокупности вещества, из которого состоят объекты нашей Вселенной.
Мир тогда был прост и понятен.
С тех пор понимание мира сильно углубилось и усложнилось.
Оказалось , что все многообразие вещества в мире состоит из атомов, а сами атомы состоят из трех простых компонентов (протонов, нейтронов и электронов), скомбинированных в разных количествах.
Предисловие.
Материя.
поля, частицы материи, частицы - переносчики взаимодействий, газ, жидкость, твердое вещество, плазма.
Антиматерия.
открытие Дирака, античастицы, объемы получаемой CERN антиматерии.
Загадка ассиметрии материи и антиматерии.
сфалероны, лептогенез, бариогенез и т.д.
Использование антиматерии в энергетике.
Предисловие.
Многие не понимают, что такое антиматерия. И причины в том, что большинство имеет очень приблизительное представление о том, что подразумевается под термином "материя" в современной физике.
Что ж, давайте вместе разберемся что есть что.
Большинство людей, говоря "материя" подразумевают то, что наука полагала под материей до 19 века.
Кондовое, надежное как гвоздь, вбитый в стену, понимание материи как всей совокупности вещества, из которого состоят объекты нашей Вселенной.
Мир тогда был прост и понятен.
С тех пор понимание мира сильно углубилось и усложнилось.
Оказалось , что все многообразие вещества в мире состоит из атомов, а сами атомы состоят из трех простых компонентов (протонов, нейтронов и электронов), скомбинированных в разных количествах.
Потом выяснилось, что все еще сложнее. Помимо протонов, нейтронов и электронов существует множество других частиц: мезоны, гипероны, мюоны, тау-частицы, нейтрино.
Да и сами протоны и нейтроны не моноструктурны, а состоят из кварков.
Кроме того, взаимодействуют друг с другом частицы не каким-то неведомым образом посредством абстрактной Ньютоновской силы, а посредством обмена бозонами - частицами переносчиками взаимодействия, такими как фотоны, глюоны и т.д.
Да и сами протоны и нейтроны не моноструктурны, а состоят из кварков.
Кроме того, взаимодействуют друг с другом частицы не каким-то неведомым образом посредством абстрактной Ньютоновской силы, а посредством обмена бозонами - частицами переносчиками взаимодействия, такими как фотоны, глюоны и т.д.
Но и это еще не все.
Эйнштейн стер грань различия между массой и энергией, доказав , что масса лишь форма выражения энергии (Е=mc2).
Например, масса протона лишь на 1% состоит из суммы масс валентных кварков, определяющих "облик" протона (его квантовые числа), и на 99% из энергии квантовых флуктуаций кварковых и глюонных полей.
Квантовая физика в целом свела понятие материи к системе взаимодействия фундаментальных квантовых полей (кваркового, электромагнитного, глюонного и т.д. ) квантами возбуждения, которых и являются частицы.
Подоробнее о квантовых полях можно почитать в статье "Природа материи" на этом портале.
Эйнштейн стер грань различия между массой и энергией, доказав , что масса лишь форма выражения энергии (Е=mc2).
Например, масса протона лишь на 1% состоит из суммы масс валентных кварков, определяющих "облик" протона (его квантовые числа), и на 99% из энергии квантовых флуктуаций кварковых и глюонных полей.
Квантовая физика в целом свела понятие материи к системе взаимодействия фундаментальных квантовых полей (кваркового, электромагнитного, глюонного и т.д. ) квантами возбуждения, которых и являются частицы.
Подоробнее о квантовых полях можно почитать в статье "Природа материи" на этом портале.
И что же во всем этом многообразии считать материей?
То что состоит из атомов? А как быть со свободными частицами (электроны, нейтрино, мезоны, гипероны)? Это материя?
Может считать материей то, что имеет массу? А как же безмассовые фотоны? Их считать материей?
А электрический заряд- это материя?
А квантовые поля - это материя?
Возможно для вас это будет удивительно, но современная физика отказалась от строгого определения термина "материя".
Этот термин еще актуален в олдскульных философских течениях и в обывательском бытовом сознании человечества. Но в науке обобщенное понятие материи давно размыто и неопределено.
Этот термин еще актуален в олдскульных философских течениях и в обывательском бытовом сознании человечества. Но в науке обобщенное понятие материи давно размыто и неопределено.
В самом обобщенном виде согласно Теории относительности Вселенная представляет собой пространство-время как единую 4х-мерную структуру и все содержимое, наполняющее эту структуру, именуемое материей.
Материей в таком прочтении можно считать все, что обладает энергией, импульсом и взаимодействует с пространством-временем (это и поля, и излучение, и вещество).
Далее идут детализации.
По современным физическим взглядам в основе всего лежит понятие фундаментальных квантовых полей. Этих полей глобально два типа: фермионные и бозонные.
Названия с непривычки сложные, но это дань уважения физикам Ш. Бозе и Э. Ферми.
Бозонные поля описывают переносчики взаимодействий (с целым спином), а фермионные — материальные частицы (с полуцелым спином).
Нас сейчас интересуют прежде всего фермионные поля.
Фермионные (кварковые, лептонные и нейтринные) - это поля, на базе возбуждения которых и создаются системы, которые ассоциируются с понятием материи.
Кварки формируют элементарные частицы (протоны, нейтроны и т.д.)
Эти элементарные частицы вместе с электронами образуют более сложные системы, именуемые атомами. Список атомов вам знаком по таблице Менделеева.
Ну а дальше пошло-поехало: атомы объединяются в молекулы, а те образуют газы, жидкости и твердые вещества.
Все это обычный человек называет материей, ну а в физике оно называется барионной материей.
Есть еще четвертое макроскопическое состояние помимо газообразного, жидкого и твердого - это плазма.
Плазма - это те же атомы, но разорванные высокими энергиями. Ядра и электроны атомов теряют связанность и разлетаются, образуя "суп" из перемешанных, свободно перемещающихся ядер атомов и электронов. И хотя общий электрический заряд всего этого "супа" нулевой, но внутри есть перемещающиеся зоны положительного заряда (там где больше ядер атомов) и зоны отрицательного (там где больше электронов).
Зачем эту материю назвали барионной, а не просто материей?
Само название связано с сохранением квантового числа в этих системах (барионного числа), а в глобальном плане, дали такое название, потому что существуют и другие виды материи, не образующей макроскопических структур, именуемых веществом.
Например, потоки нейтрино тоже считаются материей, хоть они почти не взаимодействуют с барионной материей и не участвуют в образовании атомов. Тем не менее они несут свой импульс, энергию и даже массу (близкую к нулю , но не нулевую). А еще есть другие фермионные частицы: мюоны, тау и т.д.
Электроны также существуют не только внутри атомов, но и как потоки свободных частиц. Они также в физике считаются материей.
А вот электрический ток , вызванный перемещением электронов, уже к материи не относится. Это просто макроскопическое следствие движущихся электронов.
Также, например, морская волна - это материальный объект, но не материя. Материей являются молекулы воды, которые по ходу движения геометрически принимают форму волны.
А что со светом?
Свет (фотоны) хоть и вполне материален, но относится не к материи. Фотоны это возбуждения бозонного поля (электроманитного), т.е. они являются наряду с другими бозонами переносчиками взаимодействий между частицами материи.
А еще есть кванты других бозонных полей (бозон Хигса, W-бозоны, Z-бозон, глюоны), которые также материальны, детектируемы, но не относятся к материи, а относятся к взаимодействию в качестве частиц - переносчиков взаимодействия.
С гравитацией ситуация сложнее.
В современной трактовке Теории относительности гравитация в принципе описывается не как некая материальная сущность, а как геометрический параметр искривления пространства-времени под действием массы/энергии.
Физики изо всех сил ищут гравитоны - переносчики этого взаимодействия материи и пространства-времени. Пока не нашли, но даже если и найдут, то гравитоны также как и другие бозоны будут отнесены к частицам - переносчикам взаимодействия, а не к материи.
Материей в таком прочтении можно считать все, что обладает энергией, импульсом и взаимодействует с пространством-временем (это и поля, и излучение, и вещество).
Далее идут детализации.
По современным физическим взглядам в основе всего лежит понятие фундаментальных квантовых полей. Этих полей глобально два типа: фермионные и бозонные.
Названия с непривычки сложные, но это дань уважения физикам Ш. Бозе и Э. Ферми.
Бозонные поля описывают переносчики взаимодействий (с целым спином), а фермионные — материальные частицы (с полуцелым спином).
Нас сейчас интересуют прежде всего фермионные поля.
Фермионные (кварковые, лептонные и нейтринные) - это поля, на базе возбуждения которых и создаются системы, которые ассоциируются с понятием материи.
Кварки формируют элементарные частицы (протоны, нейтроны и т.д.)
Эти элементарные частицы вместе с электронами образуют более сложные системы, именуемые атомами. Список атомов вам знаком по таблице Менделеева.
Ну а дальше пошло-поехало: атомы объединяются в молекулы, а те образуют газы, жидкости и твердые вещества.
Все это обычный человек называет материей, ну а в физике оно называется барионной материей.
Есть еще четвертое макроскопическое состояние помимо газообразного, жидкого и твердого - это плазма.
Плазма - это те же атомы, но разорванные высокими энергиями. Ядра и электроны атомов теряют связанность и разлетаются, образуя "суп" из перемешанных, свободно перемещающихся ядер атомов и электронов. И хотя общий электрический заряд всего этого "супа" нулевой, но внутри есть перемещающиеся зоны положительного заряда (там где больше ядер атомов) и зоны отрицательного (там где больше электронов).
Зачем эту материю назвали барионной, а не просто материей?
Само название связано с сохранением квантового числа в этих системах (барионного числа), а в глобальном плане, дали такое название, потому что существуют и другие виды материи, не образующей макроскопических структур, именуемых веществом.
Например, потоки нейтрино тоже считаются материей, хоть они почти не взаимодействуют с барионной материей и не участвуют в образовании атомов. Тем не менее они несут свой импульс, энергию и даже массу (близкую к нулю , но не нулевую). А еще есть другие фермионные частицы: мюоны, тау и т.д.
Электроны также существуют не только внутри атомов, но и как потоки свободных частиц. Они также в физике считаются материей.
А вот электрический ток , вызванный перемещением электронов, уже к материи не относится. Это просто макроскопическое следствие движущихся электронов.
Также, например, морская волна - это материальный объект, но не материя. Материей являются молекулы воды, которые по ходу движения геометрически принимают форму волны.
А что со светом?
Свет (фотоны) хоть и вполне материален, но относится не к материи. Фотоны это возбуждения бозонного поля (электроманитного), т.е. они являются наряду с другими бозонами переносчиками взаимодействий между частицами материи.
А еще есть кванты других бозонных полей (бозон Хигса, W-бозоны, Z-бозон, глюоны), которые также материальны, детектируемы, но не относятся к материи, а относятся к взаимодействию в качестве частиц - переносчиков взаимодействия.
С гравитацией ситуация сложнее.
В современной трактовке Теории относительности гравитация в принципе описывается не как некая материальная сущность, а как геометрический параметр искривления пространства-времени под действием массы/энергии.
Физики изо всех сил ищут гравитоны - переносчики этого взаимодействия материи и пространства-времени. Пока не нашли, но даже если и найдут, то гравитоны также как и другие бозоны будут отнесены к частицам - переносчикам взаимодействия, а не к материи.
Итак, подитожим более формально. В принципе это повторение вышесказанного, так что можете пропустить эту детализацию. И перейти сразу к следующему разделу про антиматерию.
Есть набор фермионных квантовых полей - основа материи, но еще не материя.
Шесть кварковых полей
поле верхнего кварка (up)
поле нижнего кварка (down)
поле странного кварка (strange)
поле очарованного кварка (charm)
поле прелестного кварка (bottom)
поле истинного кварка (top)
Три лептонных поля
электронное
мюонное
тау
Три нейтринных поля
с нейтринными полями все немного сложнее. Классификация зависит от базы (три типа по массе и три типа ассоциированных с лептонами). Думаю нет смысла углубляться сейчас в тему нейтрино. Посвятим им отдельную статью.
Возбуждения этих фермионных полей называются фундаментальными частицами (кварками, электронами, мюонами, тау и нейтрино) и относятся к материи.
Все они (кроме кварков) существуют в свободном состоянии и образуют потоки простейшей материи, которая не преобразуется в более сложные структуры.
Кварки же не существуют в свободном состоянии, только в связанном. Любая попытка разделения кварков приводит рождению новых кварков , образующих новую связанную систему с выделенным кварком.
Эти связанные состояния кварков также называются частицами (протоны, нейтроны и т.д.) На их основе образуются более сложные структуры: атомы, молекулы и вещество.
Фактически ситуация немного сложнее. Кварки образуют два типа частиц. Четное количество кварков образуют бозоны, а нечетное фермионы. Бозоны, такие как, например, пи-мезоны, относятся к частицам - переносчикам взаимодействия. А фермионы, например трехкварковые протоны или нейтроны относятся к материи.
Подробней о кварках, фермионах и бозонах можно почитать в статье "Природа материи" на этом портале.
Эти частицы, образованные кварками, также могут существовать и перемещаться в пространстве свободно, но также могут объединяться с электронами в еще более крупные структуры двух видов:
хаотично перемешанную высокоэнергетическую нестабильную структуру именуемую плазмой
и
более стабильные, энегетически сбалансированные системы, именуемые атомами.
Атомы в свою очередь способны объединяться в еще более крупные стабильные структуры, именуемые молекулами вещества.
Молекулы могут сосуществовать в:
хаотичном беспорядочном смешении, именуемом газообразным веществом.
в более связанном и структурированном состоянии, где молекулярные связи , однако, нестабильны, постоянно разрываются и формируются снова, вещество называется жидким.
В максимально стабильно связанном состоянии, когда молекулярные связи формируют устойчивые стабильные структуры вещество называется твердым.
Есть набор фермионных квантовых полей - основа материи, но еще не материя.
Шесть кварковых полей
поле верхнего кварка (up)
поле нижнего кварка (down)
поле странного кварка (strange)
поле очарованного кварка (charm)
поле прелестного кварка (bottom)
поле истинного кварка (top)
Три лептонных поля
электронное
мюонное
тау
Три нейтринных поля
с нейтринными полями все немного сложнее. Классификация зависит от базы (три типа по массе и три типа ассоциированных с лептонами). Думаю нет смысла углубляться сейчас в тему нейтрино. Посвятим им отдельную статью.
Возбуждения этих фермионных полей называются фундаментальными частицами (кварками, электронами, мюонами, тау и нейтрино) и относятся к материи.
Все они (кроме кварков) существуют в свободном состоянии и образуют потоки простейшей материи, которая не преобразуется в более сложные структуры.
Кварки же не существуют в свободном состоянии, только в связанном. Любая попытка разделения кварков приводит рождению новых кварков , образующих новую связанную систему с выделенным кварком.
Эти связанные состояния кварков также называются частицами (протоны, нейтроны и т.д.) На их основе образуются более сложные структуры: атомы, молекулы и вещество.
Фактически ситуация немного сложнее. Кварки образуют два типа частиц. Четное количество кварков образуют бозоны, а нечетное фермионы. Бозоны, такие как, например, пи-мезоны, относятся к частицам - переносчикам взаимодействия. А фермионы, например трехкварковые протоны или нейтроны относятся к материи.
Подробней о кварках, фермионах и бозонах можно почитать в статье "Природа материи" на этом портале.
Эти частицы, образованные кварками, также могут существовать и перемещаться в пространстве свободно, но также могут объединяться с электронами в еще более крупные структуры двух видов:
хаотично перемешанную высокоэнергетическую нестабильную структуру именуемую плазмой
и
более стабильные, энегетически сбалансированные системы, именуемые атомами.
Атомы в свою очередь способны объединяться в еще более крупные стабильные структуры, именуемые молекулами вещества.
Молекулы могут сосуществовать в:
хаотичном беспорядочном смешении, именуемом газообразным веществом.
в более связанном и структурированном состоянии, где молекулярные связи , однако, нестабильны, постоянно разрываются и формируются снова, вещество называется жидким.
В максимально стабильно связанном состоянии, когда молекулярные связи формируют устойчивые стабильные структуры вещество называется твердым.
Что же такое антиматерия?
В антиматерии нет ничего особо загадочного или фантастического.
Это не какой-то принципиально иной вид материи. Это те же частицы, что и в обычной барионной материи, но с некоторыми противоположными характеристиками.
Тут пояснение для пытливых, желающих поглубже разобраться в вопросе. Я не просто так не стал писать "с противоположным зарядом", а написал "некоторыми противоположными характеристиками".
Обычно говорят о том, что частицы и античастицы различаются зарядом. Например, электрон имеет отрицательный заряд, а позитрон положительный. То же касается и протона и антипротона. Это утверждение верно, но не полно. Частицы и античастицы различаются по нескольким сопряженным параметрам, которые определяют их поведение и способы взаимодействия с другими частицами. К примеру электрон отличается от позитрона также лептонным числом (L). У одного L=+1, у другого L=-1. А протон и антипротон отличаются барионными числами (B). У протона В=+1, у антипротона В=-1.
Я это пишу, чтобы вам было понятно, что заряд далеко не единственное различие. И поэтому , к примеру, для нейтрона имеющего нулевой электрический заряд, все же существует античастица антинейтрон тоже с нулевым электрическим зарядом, но отличающийся барионным числом (нейтрон В=1, антинейтрон В=-1). Нейтрино также электрически нейтральны. И их отличие от антинейтрино (если рассматривать их как Дираковские частицы) заключается в в противоположном знаке лептонного числа (L=1 для нейтрино и L=-1 для антинейтрино). Я написал выше по нейтрино оговорку, что это в том случае, если их рассматривать как Дираковские частицы, потому что с нейтрино все сложно и физики с ними еще не разобрались окончательно. Но это другая тема, которой я посвящу отдельную статью.
Изначально наличие антиматерии было просто математическим артефактом.
Поль Дирак в 30х годах прошлого века, решил совместить волновую нерелятивистсуую математику квантовой механики с релятивистской математикой Специальной теории относительности.
Выведя релятивистское уравнение волновой функции для свободного электрона, он получил два типа решений. Решения с положительным значением энергии (Е>0) и решение с отрицательным значением энергии (Е<0).
В антиматерии нет ничего особо загадочного или фантастического.
Это не какой-то принципиально иной вид материи. Это те же частицы, что и в обычной барионной материи, но с некоторыми противоположными характеристиками.
Тут пояснение для пытливых, желающих поглубже разобраться в вопросе. Я не просто так не стал писать "с противоположным зарядом", а написал "некоторыми противоположными характеристиками".
Обычно говорят о том, что частицы и античастицы различаются зарядом. Например, электрон имеет отрицательный заряд, а позитрон положительный. То же касается и протона и антипротона. Это утверждение верно, но не полно. Частицы и античастицы различаются по нескольким сопряженным параметрам, которые определяют их поведение и способы взаимодействия с другими частицами. К примеру электрон отличается от позитрона также лептонным числом (L). У одного L=+1, у другого L=-1. А протон и антипротон отличаются барионными числами (B). У протона В=+1, у антипротона В=-1.
Я это пишу, чтобы вам было понятно, что заряд далеко не единственное различие. И поэтому , к примеру, для нейтрона имеющего нулевой электрический заряд, все же существует античастица антинейтрон тоже с нулевым электрическим зарядом, но отличающийся барионным числом (нейтрон В=1, антинейтрон В=-1). Нейтрино также электрически нейтральны. И их отличие от антинейтрино (если рассматривать их как Дираковские частицы) заключается в в противоположном знаке лептонного числа (L=1 для нейтрино и L=-1 для антинейтрино). Я написал выше по нейтрино оговорку, что это в том случае, если их рассматривать как Дираковские частицы, потому что с нейтрино все сложно и физики с ними еще не разобрались окончательно. Но это другая тема, которой я посвящу отдельную статью.
Изначально наличие антиматерии было просто математическим артефактом.
Поль Дирак в 30х годах прошлого века, решил совместить волновую нерелятивистсуую математику квантовой механики с релятивистской математикой Специальной теории относительности.
Выведя релятивистское уравнение волновой функции для свободного электрона, он получил два типа решений. Решения с положительным значением энергии (Е>0) и решение с отрицательным значением энергии (Е<0).
Это небольшая вставка о сути математического казуса, ставшего одной из главных загадок физики 20 века и предвестившего открытие антиматерии. Если не хотите слишком сильно погружаться, просто пропустите вставку, она не важна для понимания сути того, чем является антиматерия.
Итак, в Специальной теории относительности есть формула связи энергии и импульса.$$E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$$
Если убрать квадрат, то уравнение примет вид $$E = \pm\sqrt{(pc)^2 + (mc^2)^2}$$
О свойстве корня, я надеюсь, вы помните из школьной программы. Его полное решение имеет два значения: положительное и отрицательное. Это связано с тем, что извлечение квадратного корня - это действие обратное возведению в квадрат. А при возведение в квадрат и положительное число и отрицательное дают один результат.
22=4; (-2)2=4.
При совмещении СТО и квантовой механики Дирак уперся в эту же ситуацию, когда его решение релятивистского уравнения для электрона дало 4 решения: 2 с положительной энергией (по одному решению для каждого направления спина электрона) и 2 с отрицательной энергией.
Просто объявить отрицательные решения не физичными (не существующими в реальности) плохое решение, поскольку квантовая механика подразумевает возможность переходов между состояниями.
Но какую физическую интерпретацию можно дать решениям с отрицательной энергией?
Допустить, что решение означает прямо то, что показывает? Возможность существования электрона с отрицательным значением энергии?
Но все физические системы стремятся к минимальным значениям энергии. И если для электрона допустимо состояние с отрицательной энергией, он должен испустить излишки энергии и опуститься на более низкоэнергетическое состояние, а потом снова и снова , бесконечно проваливаясь в яму отрицательной энергии.
С таким положением вещей наш стабильный мир не мог бы существовать, но он существует.
Тогда Дирак предложил физическую интерпретацию имеющейся математической ситуации , названную "дырочной теорией" или "морем отрицательной энергии".
Поскольку электрон - это фермионная частица, ему присуще важное свойство, отличающее фермионы (частицы материи) от бозонов (частиц переносчиков взаимодействий). Электроны как и все фермионы не могут занимать полностью идентичные квантовые состояния.
Дирак предложил радикальную идею, что все энергетически отрицательные состояния электронов просто заняты. Вселенная наполнена "бесконечным морем" электронов с отрицательной энергией. И обычные электроны не могут перейти в состояние с отрицательной энергией, потому что все места уже заняты.
У этой теории было интересное следствие. Если какой-то электрон из этого моря отрицательных энергий, получит энергию и перейдет в энергетически положительное состояние, то можно сказать , что в этом плотно упакованном "море" образуется дырка.
Е>0.
...........................●
------------------------------
E<0
●●●●●●●●●○●●●●●●●●
●●●●●●●●●●●●●●●●●●
●●●●●●●●●●●●●●●●●●
Причем свойства этой дырки можно назвать эквивалентными свойствам положительно заряженной частицы.
Ведь каждый электрон имеет отрицательный заряд "-е".
Если электрон покидает "море", то общий отрицательный заряд моря изменяется на один заряд "+е". Другими словами можно сказать, что дырка имеет положительный заряд "+e".
В те годы физикам была известна только одна частица с положительным зарядом - это протон.
Дирак предположил, может эти дырки в море отрицательно-энергетических электронов это протоны? Тем более, что в атомах в основном состоянии количество протонов всегда равно количеству электронов с положительной энергией и получается равно количеству этих гипотетических дырок в "море" электронов с отрицательной энергией.
Но масса протона в 1836 раз больше массы электрона, а масса дырки должна совпадать с массой электрона. Протон не годился.
Но эти измышления подтолкнули Дирака к другой радикальной идее. А что если отрицательное решение означает не существование электронов отличающихся от обычных отрицательным значением энергии, а электронов с таким же положительным значением энергии, но с противоположным зарядом? Этаких антиэлектронов.
Итак, в Специальной теории относительности есть формула связи энергии и импульса.$$E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2$$
Если убрать квадрат, то уравнение примет вид $$E = \pm\sqrt{(pc)^2 + (mc^2)^2}$$
О свойстве корня, я надеюсь, вы помните из школьной программы. Его полное решение имеет два значения: положительное и отрицательное. Это связано с тем, что извлечение квадратного корня - это действие обратное возведению в квадрат. А при возведение в квадрат и положительное число и отрицательное дают один результат.
22=4; (-2)2=4.
При совмещении СТО и квантовой механики Дирак уперся в эту же ситуацию, когда его решение релятивистского уравнения для электрона дало 4 решения: 2 с положительной энергией (по одному решению для каждого направления спина электрона) и 2 с отрицательной энергией.
Просто объявить отрицательные решения не физичными (не существующими в реальности) плохое решение, поскольку квантовая механика подразумевает возможность переходов между состояниями.
Но какую физическую интерпретацию можно дать решениям с отрицательной энергией?
Допустить, что решение означает прямо то, что показывает? Возможность существования электрона с отрицательным значением энергии?
Но все физические системы стремятся к минимальным значениям энергии. И если для электрона допустимо состояние с отрицательной энергией, он должен испустить излишки энергии и опуститься на более низкоэнергетическое состояние, а потом снова и снова , бесконечно проваливаясь в яму отрицательной энергии.
С таким положением вещей наш стабильный мир не мог бы существовать, но он существует.
Тогда Дирак предложил физическую интерпретацию имеющейся математической ситуации , названную "дырочной теорией" или "морем отрицательной энергии".
Поскольку электрон - это фермионная частица, ему присуще важное свойство, отличающее фермионы (частицы материи) от бозонов (частиц переносчиков взаимодействий). Электроны как и все фермионы не могут занимать полностью идентичные квантовые состояния.
Дирак предложил радикальную идею, что все энергетически отрицательные состояния электронов просто заняты. Вселенная наполнена "бесконечным морем" электронов с отрицательной энергией. И обычные электроны не могут перейти в состояние с отрицательной энергией, потому что все места уже заняты.
У этой теории было интересное следствие. Если какой-то электрон из этого моря отрицательных энергий, получит энергию и перейдет в энергетически положительное состояние, то можно сказать , что в этом плотно упакованном "море" образуется дырка.
Е>0.
...........................●
------------------------------
E<0
●●●●●●●●●○●●●●●●●●
●●●●●●●●●●●●●●●●●●
●●●●●●●●●●●●●●●●●●
Причем свойства этой дырки можно назвать эквивалентными свойствам положительно заряженной частицы.
Ведь каждый электрон имеет отрицательный заряд "-е".
Если электрон покидает "море", то общий отрицательный заряд моря изменяется на один заряд "+е". Другими словами можно сказать, что дырка имеет положительный заряд "+e".
В те годы физикам была известна только одна частица с положительным зарядом - это протон.
Дирак предположил, может эти дырки в море отрицательно-энергетических электронов это протоны? Тем более, что в атомах в основном состоянии количество протонов всегда равно количеству электронов с положительной энергией и получается равно количеству этих гипотетических дырок в "море" электронов с отрицательной энергией.
Но масса протона в 1836 раз больше массы электрона, а масса дырки должна совпадать с массой электрона. Протон не годился.
Но эти измышления подтолкнули Дирака к другой радикальной идее. А что если отрицательное решение означает не существование электронов отличающихся от обычных отрицательным значением энергии, а электронов с таким же положительным значением энергии, но с противоположным зарядом? Этаких антиэлектронов.
Дирак предложил идею, что такое двойственное решение означает, что должны существовать антиэлектроны. Частицы с такой же массой, спином, но с противоположным зарядом, положительно заряженные электроны, названные позднее позитронами.
Мнения ученых разделились. Большинство скептически отнеслись к его решению и идее существования античастицы для электрона.
Они считали, что это просто математический артефакт, в котором одно из решений не физично для нашей Вселенной (т.е. не имеет физической реализации). Основанием для их позиции служило то, что ни в каких экспериментах такие экзотические частицы не наблюдались.
Однако, спустя несколько лет были обнаружены электроны с положительным зарядом , названные позитронами, и спорам был положен конец.
Более того, обнаружилось , что и другие фундаментальные фермионные частицы имеют свои античастицы:
У каждого типа кварка есть свой антикварк, у мюонов - антимюоны, у тау-антитау.
Важно понимать, что это не частицы с отрицательной энергией, а с противоположным электрическим зарядом и другими связанными квантовыми характеристиками.
Опять сложнее обстоит ситуация с нейтрино. Можно сказать, что они сами являются собственными античастицами. Но нейтрино такая штука, что им надо посвящать отдельную статью, что я уже пообещал сделать выше.
Экспериментально удалось получать античастицы на ускорителях. Дело в том, что частицы и античастицы рождаются парами из высоких энергий. Так, например, гамма-квант (высокоэнергетичный фотон) трансформируется в электрон-позитронную пару.$$\gamma \rightarrow e^- + e^+$$
Если у всех фундаментальных фермионных частиц есть античастицы, логично предположить, что из этих античастиц можно собрать антиматерию.
Физики с большим увлечением этим занимаются.
Позитроны получать легко. Для этого даже не обязательны ускорители. Позитроны самоизлучаются в процессах бета-распада некоторых тяжелых элементов. На ускорителях же позитроны генерируют милиардами. И хранят годами.
Но надо понимать, что миллиард это только звучит много, но в массовом эквиваленте это очень малое количество материи (прим. 10-18кг)
Также научились получать и хранить антипротоны. Производительность антипротонов в CERN составляет примерно 400 миллионов антипротонов в час. Правда уловить удается только около 10%. Хранить их тоже научились годами.
Сложнее дела обстоят с атомами. Физики научились получать и регистрировать атомы антиводорода и антигелия. Но вот с хранением проблемы.
Хранят антиматеририю не в каких-то там контейнерах, а в специальных изолированных в вакууме магнитных ловушках, которые обеспечивают ее неподвижность.
Дело в том, что антиматерия мгновенно аннигилирует при соприкосновении с материей , превращаясь в чистую энергию - гамма-кванты (ультракоротковолновый свет).
И если с позитронами и антипротонами в магнитной ловушке нет проблем, поскольку позитрон имеет положительный заряд, а антипротон - отрицательный. То антиводород , состоящий из одного антипротона и одного позитрона, электрически нейтрален (заряды антипротона и позитрона компенсируют друг друга).
Но хотя у антиводорода нулевой электрический заряд, у него есть магнитный момент. Под него можно создать специализированную магнитную ловушку. Однако захват ее очень слабый и антиводород должен быть почти неподвижен, чтобы удерживаться в ней. При ускорении ловушка уже не удерживает антиводород, он касается стенок и аннигилирует. Поэтому недостаточно получить антиводород, нужно его после получения охладить почти до полной неподвижности, потом уловить и поместить в ловушку.
В целом CERN сообщает о производительности процесса получения антиводорода в высокоэнергетических процессах около 25 000 атомов в час. Совсем немного в сравнении с миллиардами позитронов и сотнями миллионов антипротонов.
Но ситуация еще хуже. Удается охладить и поймать только 14 атомов на 25 000 полученных. И долго хранить не получается из-за несовершенства технологий. Антиводород сталкивается с веществом и аннигилирует.
Тем не менее успехи в хранении антиводорода есть. Сообщается об успехах хранения вплоть до сотни часов.
Антигелий тоже научились получать. Но это очень редкое событие и о хранении речи даже не идет. Дело в том, что чем больше античастиц необходимо собрать в одной области пространства в подходящем фазовом состоянии, тем ниже вероятность такого события. И пока антигелий для нас это предел. Его рождение лишь изредка удается зарегистрировать в ускорителе.
Отдельно стоит упомянуть о развитии технологий транспортировки антиматерии. Пока транспортировали только антипротоны в специальных машинах с мобильными магнитными ловушками, но результаты экспериментов положительны.
Зачем вообще их перевозить?
Ускоритель - это огромная шумная фабрика. Высокие энергии, вибрации, мощные магнитные поля. А антиматерия весьма чувствительна, поэтому ученые спят и видят когда у них появится возможность переместить антиматерию с этого "завода" в "тихую" лабораторию и изучать, не опасаясь нежелательных "шумов" , контакта с обычной материей и аннигиляции.
Физики с большим увлечением этим занимаются.
Позитроны получать легко. Для этого даже не обязательны ускорители. Позитроны самоизлучаются в процессах бета-распада некоторых тяжелых элементов. На ускорителях же позитроны генерируют милиардами. И хранят годами.
Но надо понимать, что миллиард это только звучит много, но в массовом эквиваленте это очень малое количество материи (прим. 10-18кг)
Также научились получать и хранить антипротоны. Производительность антипротонов в CERN составляет примерно 400 миллионов антипротонов в час. Правда уловить удается только около 10%. Хранить их тоже научились годами.
Сложнее дела обстоят с атомами. Физики научились получать и регистрировать атомы антиводорода и антигелия. Но вот с хранением проблемы.
Хранят антиматеририю не в каких-то там контейнерах, а в специальных изолированных в вакууме магнитных ловушках, которые обеспечивают ее неподвижность.
Дело в том, что антиматерия мгновенно аннигилирует при соприкосновении с материей , превращаясь в чистую энергию - гамма-кванты (ультракоротковолновый свет).
И если с позитронами и антипротонами в магнитной ловушке нет проблем, поскольку позитрон имеет положительный заряд, а антипротон - отрицательный. То антиводород , состоящий из одного антипротона и одного позитрона, электрически нейтрален (заряды антипротона и позитрона компенсируют друг друга).
Но хотя у антиводорода нулевой электрический заряд, у него есть магнитный момент. Под него можно создать специализированную магнитную ловушку. Однако захват ее очень слабый и антиводород должен быть почти неподвижен, чтобы удерживаться в ней. При ускорении ловушка уже не удерживает антиводород, он касается стенок и аннигилирует. Поэтому недостаточно получить антиводород, нужно его после получения охладить почти до полной неподвижности, потом уловить и поместить в ловушку.
В целом CERN сообщает о производительности процесса получения антиводорода в высокоэнергетических процессах около 25 000 атомов в час. Совсем немного в сравнении с миллиардами позитронов и сотнями миллионов антипротонов.
Но ситуация еще хуже. Удается охладить и поймать только 14 атомов на 25 000 полученных. И долго хранить не получается из-за несовершенства технологий. Антиводород сталкивается с веществом и аннигилирует.
Тем не менее успехи в хранении антиводорода есть. Сообщается об успехах хранения вплоть до сотни часов.
Антигелий тоже научились получать. Но это очень редкое событие и о хранении речи даже не идет. Дело в том, что чем больше античастиц необходимо собрать в одной области пространства в подходящем фазовом состоянии, тем ниже вероятность такого события. И пока антигелий для нас это предел. Его рождение лишь изредка удается зарегистрировать в ускорителе.
Отдельно стоит упомянуть о развитии технологий транспортировки антиматерии. Пока транспортировали только антипротоны в специальных машинах с мобильными магнитными ловушками, но результаты экспериментов положительны.
Зачем вообще их перевозить?
Ускоритель - это огромная шумная фабрика. Высокие энергии, вибрации, мощные магнитные поля. А антиматерия весьма чувствительна, поэтому ученые спят и видят когда у них появится возможность переместить антиматерию с этого "завода" в "тихую" лабораторию и изучать, не опасаясь нежелательных "шумов" , контакта с обычной материей и аннигиляции.
Что знаменательно, при аннигиляции частицы и античастицы рождается излучение (фотоны в виде гамма-квантов), чья энергия совпадает с суммой масс частицы и античастицы в точности с формулой Эйнштейна Е=mc2 буквально воплощая эту формулу в жизнь.$$e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma$$
$$E_\gamma = m_e c^2 = 0{,}51 \text{ МэВ}$$
Хоть в самой антиматерии нет никакой загадочности, с ней все же связана одна из главных нерешенных загадок современной физики.
$$E_\gamma = m_e c^2 = 0{,}51 \text{ МэВ}$$
Хоть в самой антиматерии нет никакой загадочности, с ней все же связана одна из главных нерешенных загадок современной физики.
Частицы и античастицы происходят из одних и тех же квантовых полей, имеют одинаковый механизм возникновения и существования.
Тогда почему в нашей Вселенной почти нет антиматерии? Почему нарушена симметрия материи и антиматерии?
Если ранняя Вселенная была очень горячей, то в ней могли происходить процессы преобразования выскокоэнергетических фотонов (гамма-квантов) в пары частица-античастица и обратно.$$\gamma + \gamma \rightarrow q + \bar{q} \rightarrow \gamma + \gamma$$
$$\gamma + \gamma \rightarrow e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma$$ и т.п.
Если все законы абсолютно симметричны для частиц и античастиц, то они должны были все постепенно
взаимно аннигилировать, превратившись по мере охлаждения Вселенной в чистое излучение.
Вселенная должна быть пустой и заполненной светом.
Но мы наблюдаем совсем иную картину. Мир полон материи: галактики, звезды, планеты. И в нем почти отсутствует антиматерия.
Тогда почему в нашей Вселенной почти нет антиматерии? Почему нарушена симметрия материи и антиматерии?
Если ранняя Вселенная была очень горячей, то в ней могли происходить процессы преобразования выскокоэнергетических фотонов (гамма-квантов) в пары частица-античастица и обратно.$$\gamma + \gamma \rightarrow q + \bar{q} \rightarrow \gamma + \gamma$$
$$\gamma + \gamma \rightarrow e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma$$ и т.п.
Если все законы абсолютно симметричны для частиц и античастиц, то они должны были все постепенно
взаимно аннигилировать, превратившись по мере охлаждения Вселенной в чистое излучение.
Вселенная должна быть пустой и заполненной светом.
Но мы наблюдаем совсем иную картину. Мир полон материи: галактики, звезды, планеты. И в нем почти отсутствует антиматерия.
Почему?
Рассчеты говорят о том, что в ранней Вселенной должен был быть небольшой перекос в пользу обычной барионной материи. Примерно 1 лишняя частица обычной материи на миллиард пар частица-античастица.
Но откуда взялся этот перекос?
Если законы физики совершенно одинаково относятся к материи и антиматерии, то невозможно получить устойчивый избыток одной из них из первоначально симметричного состояния.
Должен существовать некоторый механизм, который немного предпочитает материю.
Какие есть идеи на эту тему?
Тут следует прежде всего упомянуть нашего гениального соотечественника - физика Андрея Сахарова. Он сформулировал три необходимых условия для формирования барионного перекоса, известные в физике как "условия Сахарова".
Чтобы из симметричного состояния получить избыток материи, необходимы:
Условие №1
Нарушение барионного числа (В).
Должны существовать процессы, в которых барионное число не сохраняется.
Грубо говоря, нужно иметь возможность превратить состояние с определённым количеством барионов в состояние с другим количеством барионов.
Барионное число - это одно из квантовых чисел (характеристик).
Барионное число света (гамма-кванта) равно 0.
У кварков В=1/3. У антикварков В=-1/3. Рождаясь из гамма-кванта пара кварк-антикварк суммарно попрежнему имеет В=1/3-1/3=0
Далее, например, три кварка (uud) объединяясь образуют протон с барионным числом В=1.
1/3+1/3+1/3=1
Соответственно антикварки образуют антипротон с барионным числом В=-1.
Протон и антипротон при аннигиляции трансформируются в фотоны с барионным числом B=0.
В итоге какие бы трансформации не происходили с частицами и античастицами, но общая сумма барионного числа сохраняется.
И если строго общая сумма барионного числа всех частиц В=0 изначально и все процессы превращения частиц происходят с сохранением барионного числа, то невозможно создать суммарный избыток барионов из первоначально нулевого значения.
Условие №2
Нарушение C и CP симметрии.
C — зарядовое сопряжение.
Имеется в виду, что законы квантовой механики и вероятности процессов одинаковы для частиц и для античастиц.
P — пространственная инверсия.
То есть процессы одинаковы и одинаково вероятностны при смене координат на противоположные (зеркальном отражении).
CP-симметрия означает сохраннность процесса при замене частицы на античастицу и зеркальном отражании пространственных координат.
Если CP-симметрия строго сохраняется, то квантовые процессы и их вероятности для частиц и античастиц одинаковы.
А чтобы получить избыток материи, необходимо, чтобы существовал хотя бы какой-то процесс , нарушающий эту симметрию. То есть материя и антиматерия должны иметь чуть-чуть разные вероятности некоторых процессов.
Чтобы лучше понять смысл нарушения СР- симметрии рекомендую ознакомиться с разделом о нарушении P-симметрии в процессах слабых взаимодействий при самопроизвольных распадах атомных ядер в статье "Природа материи" на этом портале.
Условие №3
Вселенная должна выйти из теплового равновесия.
Суть в том, что если Вселенная находится в идеальном тепловом равновесии, то все процессы, образно говоря, компенсируются их обратными версиями.
Поэтому даже наличия CP-нарушения и не сохранения барионного числа самих по себе недостаточно при пребывании всей системы в термодинамическом равновесии.
Приведу очень наглядный и сильно неадекватный пример.
У вас есть комната с двумя дверьми. В одну дверь впускают людей в другую выпускают. И действует правило на каждых трех блондинов через дверь может пройти только два брюнета. И вроде как если смотреть на эти правила на входной двери, то кажется , что в комнате накопится больше блондинов, чем брюнетов. Но из-за работающей выходной двери, обеспечивающей "дверное равновесие" комнату покидает также больше блондинов, чем брюнетов и никакого накопления не происходит. Необходимо закрыть выходную дверь или хотя бы снизить исходящий поток людей в сравнении с входящим. Так сказать нарушить "дверное равновесие". Вот по смыслу та же ситуация и с термодинамическим равновесием.
Что ж с условиями, необходимыми для нарушения симметрии материя-антиматерия, понятно. Но это ничего не говорит и самих процессах, обеспечивающих эти условия.
Рассчеты говорят о том, что в ранней Вселенной должен был быть небольшой перекос в пользу обычной барионной материи. Примерно 1 лишняя частица обычной материи на миллиард пар частица-античастица.
Но откуда взялся этот перекос?
Если законы физики совершенно одинаково относятся к материи и антиматерии, то невозможно получить устойчивый избыток одной из них из первоначально симметричного состояния.
Должен существовать некоторый механизм, который немного предпочитает материю.
Какие есть идеи на эту тему?
Тут следует прежде всего упомянуть нашего гениального соотечественника - физика Андрея Сахарова. Он сформулировал три необходимых условия для формирования барионного перекоса, известные в физике как "условия Сахарова".
Чтобы из симметричного состояния получить избыток материи, необходимы:
Условие №1
Нарушение барионного числа (В).
Должны существовать процессы, в которых барионное число не сохраняется.
Грубо говоря, нужно иметь возможность превратить состояние с определённым количеством барионов в состояние с другим количеством барионов.
Барионное число - это одно из квантовых чисел (характеристик).
Барионное число света (гамма-кванта) равно 0.
У кварков В=1/3. У антикварков В=-1/3. Рождаясь из гамма-кванта пара кварк-антикварк суммарно попрежнему имеет В=1/3-1/3=0
Далее, например, три кварка (uud) объединяясь образуют протон с барионным числом В=1.
1/3+1/3+1/3=1
Соответственно антикварки образуют антипротон с барионным числом В=-1.
Протон и антипротон при аннигиляции трансформируются в фотоны с барионным числом B=0.
В итоге какие бы трансформации не происходили с частицами и античастицами, но общая сумма барионного числа сохраняется.
И если строго общая сумма барионного числа всех частиц В=0 изначально и все процессы превращения частиц происходят с сохранением барионного числа, то невозможно создать суммарный избыток барионов из первоначально нулевого значения.
Условие №2
Нарушение C и CP симметрии.
C — зарядовое сопряжение.
Имеется в виду, что законы квантовой механики и вероятности процессов одинаковы для частиц и для античастиц.
P — пространственная инверсия.
То есть процессы одинаковы и одинаково вероятностны при смене координат на противоположные (зеркальном отражении).
CP-симметрия означает сохраннность процесса при замене частицы на античастицу и зеркальном отражании пространственных координат.
Если CP-симметрия строго сохраняется, то квантовые процессы и их вероятности для частиц и античастиц одинаковы.
А чтобы получить избыток материи, необходимо, чтобы существовал хотя бы какой-то процесс , нарушающий эту симметрию. То есть материя и антиматерия должны иметь чуть-чуть разные вероятности некоторых процессов.
Чтобы лучше понять смысл нарушения СР- симметрии рекомендую ознакомиться с разделом о нарушении P-симметрии в процессах слабых взаимодействий при самопроизвольных распадах атомных ядер в статье "Природа материи" на этом портале.
Условие №3
Вселенная должна выйти из теплового равновесия.
Суть в том, что если Вселенная находится в идеальном тепловом равновесии, то все процессы, образно говоря, компенсируются их обратными версиями.
Поэтому даже наличия CP-нарушения и не сохранения барионного числа самих по себе недостаточно при пребывании всей системы в термодинамическом равновесии.
Приведу очень наглядный и сильно неадекватный пример.
У вас есть комната с двумя дверьми. В одну дверь впускают людей в другую выпускают. И действует правило на каждых трех блондинов через дверь может пройти только два брюнета. И вроде как если смотреть на эти правила на входной двери, то кажется , что в комнате накопится больше блондинов, чем брюнетов. Но из-за работающей выходной двери, обеспечивающей "дверное равновесие" комнату покидает также больше блондинов, чем брюнетов и никакого накопления не происходит. Необходимо закрыть выходную дверь или хотя бы снизить исходящий поток людей в сравнении с входящим. Так сказать нарушить "дверное равновесие". Вот по смыслу та же ситуация и с термодинамическим равновесием.
Что ж с условиями, необходимыми для нарушения симметрии материя-антиматерия, понятно. Но это ничего не говорит и самих процессах, обеспечивающих эти условия.
Следует оговориться сразу, что этот вопрос не решен и однозначного доказанного ответа на это вопрос нет.
С третьим условием (нарушением термодинамического равновесия) все относительно просто. Сам факт существования расширяющейся и остывающей Вселенной, в которой мы пребываем, является нарушением предполагаемого равновесного состояния ранней горячей Вселенной.
Касательно второго условия нарушение симметрии в принципе также нет затруднений. Мы наблюдаем это непосредственно и в текущем состоянии Вселенной. Нарушение С-симметрии, P-симметрии и СР-симметрии наблюдается в слабых взаимодействиях при ядерных распадах. Сразу следует уточнить, что физика экспериментально наблюдает эти нарушения и имеет теорию, объясняющую как это происходит (V-A теория). Но фундаментальные причины почему это происходит науке пока неизвестны.
С третьим условием (нарушением термодинамического равновесия) все относительно просто. Сам факт существования расширяющейся и остывающей Вселенной, в которой мы пребываем, является нарушением предполагаемого равновесного состояния ранней горячей Вселенной.
Касательно второго условия нарушение симметрии в принципе также нет затруднений. Мы наблюдаем это непосредственно и в текущем состоянии Вселенной. Нарушение С-симметрии, P-симметрии и СР-симметрии наблюдается в слабых взаимодействиях при ядерных распадах. Сразу следует уточнить, что физика экспериментально наблюдает эти нарушения и имеет теорию, объясняющую как это происходит (V-A теория). Но фундаментальные причины почему это происходит науке пока неизвестны.
Подробнее про нарушение симметрии и V-A теорию вы можете почитать в статье "Природа материи" на этом портале.
Ниже небольшое техническое пояснение к утверждению, что мы наблюдаем нарушение СР-симметрии здесь и сейчас. Если не хотите сильно погружаться, просто ограничтесь утверждением выше о том , что второе условие Сахарова о нарушении С и СР-симметрии выполнимо и пропустите этот раздел.
Нарушение C-симметрии подразумевает, что природа может менять в процессах частицу на античастицу без изменения пространственных координат.
Для слабых процессов это бы означало, что в них рождаются нейтрино и антинейтрино с одинаковой спиральностью (спиральность это отношение спина к импульсу, сонаправлен - спиральность положительна или противоположнонаправлен - спиральность отрицательна).
Но реальность такова, что рождаются нейтрино с положительной спиральностью и антинейтрино с отрицательной спиральностью. Т.е. здесь нет процесса , где ничего не изменяется кроме замены частицы на античастицу. С-симметрия нарушается.
P-симметрия означает, что процессы не различают координатные направления. Но в слабых процессах участвуют только левохиральные частицы и правохиральные античастицы.
И прикол в том, что отдельные нарушения С-симметрии и P-симметрии в сумме дают общее сохранение СР-симметрии. Т.е. рождению левохиральных нейтрино с положительной спиральностью соответствует рождение правохиральных антинейтрино с отрицательной спиральностью.
Тем не менее в некоторых процессах было обнаружено и общее нарушение СР-симметрии. А именно в распадах нейтрального каона (К0).
Нейтральный каон состоит из d-кварка и s-антикаварка.
К0=ds
Нейтральный антикаон состоит из d-антикварка и s-кварка.
К0=ds
Но каон не фундаментальная частица. Это система взаимодействия фундаментальных частиц (кварков). И вслучае трансформации взаимодействия каон как результат взаимодействия может трансформироваться в антикаон и обратно.
К0<->К0
Поэтому реальный каон описывается как смешанное состояние (суперпозиция) каона и антикаона.
К0+К0 и К0-К0
Первое состояние короткоживущее (Кк), второе состояние долгоживущее (KL). Связана длительность существования со способом распада.
Кк распадается на 2 пиона (2п).
КL распадается на 3 пиона (3п).
Распад на 2 пиона кинематически более выгоден, а посему и происходит гораздо быстрее, чем распад на 3 пиона.
Теперь возьмем СР-трансформацию
С-симметрия означает замену частицы на античастицу.
C |K0}=|K0}
Р-симметрия означает пространственную инверсию
Р |К0}=-|К0}
Соотвественно:
СР |K0}=-|K0}
Обратно из антикаона в каон все то же самое.
Теперь берем смешанные состояния частица-античастица (для знакомых с математикой квантовой физики поясняю, что 1/ _/2 опустил, чтоб не усложнять запись).
Сначала обработаем сумму:
|К+}= |K0} + |K0}
Применяем инверсию СР
СР|К+}=СР|K0} + СР|K0}
Выше мы уже определили значения СР|K0} и СР|K0}, подставляем их и получаем:
СР|К+}= - |K0} - |K0}) = -1×( |K0} + |K0} ) =-1×|К+}
Теперь обработаем разницу
|К-}= |K0} - |K0}
Применяем СР
СР|К-}=СР|K0} - СР|K0}
Подставляем значения:
СР|К-}= - |K0} - (-|K0})=- |K0} + |K0}) = |K0} - |K0}=
= +1×|К-}
Чтобы выглядело красивее физики любят переопределять фазы меняя знаки (физически это все равно эквивалентно)
СР|К+}=+1
СР|К-}=-1
Теперь берем пионы, на которые распадаются каоны.
Для распада на два пиона (варианты п0п0 или п+п-) СР=+1
Для распада на три пиона (п+п-п0) СР=-1
Таким образом при сохранении СР-симметрии
состояние |К+} должно распадаться всегда на два пиона, а состояние |К-} должно распадаться всегда на три пиона. Но в реальности это происходит почти всегда, но невсегда. В очень редких случаях наблюдается нарушение СР-симметрии, когда |К+} распадается на три пиона, а |К-} на два пиона.
Это очень незначительное отклонение к нормальному порядку распадов, но главная суть в том, что отклонение имеет место быть и наблюдаемо прямо сейчас, а посему в теоретической возможности выполнения второго условия Сахарова сомневаться не приходится.
Ниже небольшое техническое пояснение к утверждению, что мы наблюдаем нарушение СР-симметрии здесь и сейчас. Если не хотите сильно погружаться, просто ограничтесь утверждением выше о том , что второе условие Сахарова о нарушении С и СР-симметрии выполнимо и пропустите этот раздел.
Нарушение C-симметрии подразумевает, что природа может менять в процессах частицу на античастицу без изменения пространственных координат.
Для слабых процессов это бы означало, что в них рождаются нейтрино и антинейтрино с одинаковой спиральностью (спиральность это отношение спина к импульсу, сонаправлен - спиральность положительна или противоположнонаправлен - спиральность отрицательна).
Но реальность такова, что рождаются нейтрино с положительной спиральностью и антинейтрино с отрицательной спиральностью. Т.е. здесь нет процесса , где ничего не изменяется кроме замены частицы на античастицу. С-симметрия нарушается.
P-симметрия означает, что процессы не различают координатные направления. Но в слабых процессах участвуют только левохиральные частицы и правохиральные античастицы.
И прикол в том, что отдельные нарушения С-симметрии и P-симметрии в сумме дают общее сохранение СР-симметрии. Т.е. рождению левохиральных нейтрино с положительной спиральностью соответствует рождение правохиральных антинейтрино с отрицательной спиральностью.
Тем не менее в некоторых процессах было обнаружено и общее нарушение СР-симметрии. А именно в распадах нейтрального каона (К0).
Нейтральный каон состоит из d-кварка и s-антикаварка.
К0=ds
Нейтральный антикаон состоит из d-антикварка и s-кварка.
К0=ds
Но каон не фундаментальная частица. Это система взаимодействия фундаментальных частиц (кварков). И вслучае трансформации взаимодействия каон как результат взаимодействия может трансформироваться в антикаон и обратно.
К0<->К0
Поэтому реальный каон описывается как смешанное состояние (суперпозиция) каона и антикаона.
К0+К0 и К0-К0
Первое состояние короткоживущее (Кк), второе состояние долгоживущее (KL). Связана длительность существования со способом распада.
Кк распадается на 2 пиона (2п).
КL распадается на 3 пиона (3п).
Распад на 2 пиона кинематически более выгоден, а посему и происходит гораздо быстрее, чем распад на 3 пиона.
Теперь возьмем СР-трансформацию
С-симметрия означает замену частицы на античастицу.
C |K0}=|K0}
Р-симметрия означает пространственную инверсию
Р |К0}=-|К0}
Соотвественно:
СР |K0}=-|K0}
Обратно из антикаона в каон все то же самое.
Теперь берем смешанные состояния частица-античастица (для знакомых с математикой квантовой физики поясняю, что 1/ _/2 опустил, чтоб не усложнять запись).
Сначала обработаем сумму:
|К+}= |K0} + |K0}
Применяем инверсию СР
СР|К+}=СР|K0} + СР|K0}
Выше мы уже определили значения СР|K0} и СР|K0}, подставляем их и получаем:
СР|К+}= - |K0} - |K0}) = -1×( |K0} + |K0} ) =-1×|К+}
Теперь обработаем разницу
|К-}= |K0} - |K0}
Применяем СР
СР|К-}=СР|K0} - СР|K0}
Подставляем значения:
СР|К-}= - |K0} - (-|K0})=- |K0} + |K0}) = |K0} - |K0}=
= +1×|К-}
Чтобы выглядело красивее физики любят переопределять фазы меняя знаки (физически это все равно эквивалентно)
СР|К+}=+1
СР|К-}=-1
Теперь берем пионы, на которые распадаются каоны.
Для распада на два пиона (варианты п0п0 или п+п-) СР=+1
Для распада на три пиона (п+п-п0) СР=-1
Таким образом при сохранении СР-симметрии
состояние |К+} должно распадаться всегда на два пиона, а состояние |К-} должно распадаться всегда на три пиона. Но в реальности это происходит почти всегда, но невсегда. В очень редких случаях наблюдается нарушение СР-симметрии, когда |К+} распадается на три пиона, а |К-} на два пиона.
Это очень незначительное отклонение к нормальному порядку распадов, но главная суть в том, что отклонение имеет место быть и наблюдаемо прямо сейчас, а посему в теоретической возможности выполнения второго условия Сахарова сомневаться не приходится.
Что касается первого условия - нарушения барионного числа, то здесь наибольшей популярностью пользуется гипотеза лептогенеза.
Формально в текущем состоянии расширяющейся остывающей Вселенной низких энергий мы нарушения барионного числа в процессах не наблюдаем.
Однако в условиях высоких энергий ранней горячей Вселенной ситуация могла быть совсем иной.
Предположительно согласно гипотезы лептогенеза в ранней Вселенной могли существовать сверхтяжелые нейтрино, распад которых на поле Хигса и лептоны или сопряженное поле Хигса и антилептоны был не равновероятным.
Таким образом накапливалась ассиметрия лептонного числа. Далее вступают в дело так называемые сфалероны.
Формально в текущем состоянии расширяющейся остывающей Вселенной низких энергий мы нарушения барионного числа в процессах не наблюдаем.
Однако в условиях высоких энергий ранней горячей Вселенной ситуация могла быть совсем иной.
Предположительно согласно гипотезы лептогенеза в ранней Вселенной могли существовать сверхтяжелые нейтрино, распад которых на поле Хигса и лептоны или сопряженное поле Хигса и антилептоны был не равновероятным.
Таким образом накапливалась ассиметрия лептонного числа. Далее вступают в дело так называемые сфалероны.
Тут пойдет более подробное пояснение о сфалероновых переходах. Это бесполезно читать без понимания того, что такое квантовые поля, симметрия SU(2)L, кварковые и лептонные дуплеты и т.п. Все это описано в статье "Природа материи" на этом портале.
Настоятельно рекомендую с ней ознакомиться перед прочтением этой вставки.
Если же такие дебри вам не нужны, а хочется получить только общее представление, то просто пропустите эту цветную вставку и продолжите чтение основного текста.
Итак, что такое сфалероны?
Квантовые колибровочные поля имеют несколько возможных топологических конфигураций.
Тут наверное стоит пояснить про топологические конфигурации.
Топологию можно назвать наукой изучающей плавные трансформации. Ну вот к примеру, чашка с ручкой и бублик это топологически один и тот же объект - поверхность с дыркой, просто с разной топологической конфигурацией. Один можно трансформировать в другой плавно, без склеиваний и разрывов. А вот мяч - это уже топологически другой объект. Нельзя его превратить в бублик без склеиваний и разрывов.
Так вот, калибровочные квантовые поля могут иметь различные топологические конфигурации, т.е. разные состояния вакуума.
Вакуумы калибровочных полей - это приниципиально схожие состояния минимальных околонулевых энергий но, скажем так, с разным рисунком силовых линий, читай с разной топологической конфигурацией.
При небольших возбуждениях поля, кванты этих возбуждений трактуются как частицы. В частности для нынешних калибровочных полей это фотоны и иные бозоны.
Но при очень высоких энергиях, которые обеспечивала ранняя горячая Вселенная, происходят столь мощные возбуждение полей, что меняется сам векторный рисунок силовых линий поля.
Образно можем сравнить это с проводом, лежащем на столе. Вот лежит вытянутый провод на столе. Это эквивалентно состоянию вакуума. Вы можете приподнять какую-то часть провода или несколько частей в разных местах провода. Это эквивалентно некоторым возбуждениям поля, образованию частиц - переносчиков взаимодействия для калибровочных полей. Потом отпустите провод и он снова ляжет на стол таким же как был, что эквивалентно возвращению в вакуумное состояние.
Но можно со всех сил швырнуть провод вверх, он взлетит и возможно изменит свою форму (где-то изогнется, где-то свернется в полете в кольца и петли), читай изменит тологическую конфигурацию.
В конце концов провод упадет обратно на стол, читай вернется в состояние вакуума, но форма его уже будет иной: изогнутой, с кольцами и петлями.
Вот так, образно говоря, горячая Вселенная постоянно "подбрасывала" калибровочные поля. И это локальное состояние "подброшенности"(чрезвычайно возбужденное неустойчивое состояние поля) и называется сфалеронами.
После такого всплеска поле может вернуться к прежнему вакуумному состоянию, но может и изменить саму топологию своего вакуума и вернуться в новое вакуумное состояние.
Этот процесс описывается определенной математикой. В частности черн-саймонсовским числом (Ncs), которое выступает индексом изменений ваккумной топологии. Условно говоря оно выступает счетчиком "образовавшихся на проводе петель" или наоборот "распрямившихся петель" и принимает целочисленные значения
Ncs= .... -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3 ....
Сами по себе калиробочные поля обеспечивают перенос взаимодействий между фермионными полями (барионными и лептонными).
Изменение черн-саймонсовского числа (читай изменение топологической конфигурации поля) при сфалероновом переходе меняет и структуру взаимодействия калибровочного поля с фермионными полями, что выражается в изменении барионного и лептонного числа фермионных полей.
На увеличение Ncs калибровочного поля фермионные поля реагирует увеличением барионного и лептонного числа (читай образованием частиц). На уменьшение Ncs фермионные поля реагируют уменьшением барионного и лептнонного числа (читай образованием античастиц).
Если говорить более строго, то речь идет об изменении энергетического спектра фермионных полей. В связи с изменением конфигурации калибровочного поля меняется энергетический спектр фермионного поля и часть спектра проходит через нулевое значение в сторону отрицательной энергии Е<0 или положительной энергии Е>0.
В принципе для свободной частицы уровень энергии может быть любой, он не дискретен.
Формула для расчета энергии $$E = \pm\sqrt{p^2 + m^2}$$ а импульс (р) может принимать любое значение, соответственно и энергия тоже.
Но калибровочные поля - это переносчики взаимодействий и соответственно, речь идет о связанных состояниях. А в связанных состояниях есть дискретные разрешенные уровни энергии, которые могут в них участвовать. Так, например, электрон в атоме может существовать только с определенными разрешенными энергиями, в то время как в свободном состоянии он может иметь любую энергию.
Подробнее о дикретности и непрерывности вы можете почитать в статье, посвященной постоянной Планка под названием "Ультрафиолетовая катастрофа" на этом портале.
Возвращаясь к нашей теме, поскольку речь идет о реакции фермионных полей на изменения топологии калибровочных полей, то происходит смещение дискретного энергетического спектра фермионного поля, называемое спектральным током.
При этом смещении часть энергетических состояний переходят через 0. Важно отметить, тут нет какой-то простой последовательности смещения. Каждый энергентический разрешенный уровень по своему "чувствует" калибровочное поле и имеет свою траекторию изменения.
Т.е. возьмем совершенно условно до сфалеронового перехода (изменения конфигурации калибровочного поля) был спектр состояний фермионного поля
.... E1=-180 E2=-24,7 E3=-3 E4=-1,8
/нулевой порог/
E5=+0,01 E6=+1 E7=+1,8 E8=+20 .....
После изменения конфигурации калибровочного поля
.... E1=-50 E5=-7 E3=-0,6
/нулевой порог/
E7=+0,8 E6=+2 E2=+3,4 E4=+20 E8=+37...
И в этой трансформации несколько энегетических уровней изменили свою конфигурацию , перейдя через ноль:
E2,4 перешли через ноль в плюс. Итого 2.
Е5 перешел в минус. Итого 1.
соответственно значение спектрального тока составляет
SF=E+ - E-=2-1=1.
Это изменение спектального тока и означает изменение фермионного числа на +1.
А изменение фермионного числа с учетом фермионной аномалии в слабых взаимодействиях (нарушение симметрии) означает согласно симметрии SU(2)L , что речь идет только о левохиральных фермионных дуплетах, а это:
для кварков 3 поколения левохиральных дуплетов трех ароматов
Считаем изменение барионного числа
Дельта В=(1/3+1/3+1/3)×3=+3
Для лептонов это три лептонных левохиральных дуплета.
Соответственно изменение лептонного числа
Дельта L=1+1+1=+3
Вот здесь следует очень важное следствие для теории изменения барионного числа через лептогенез. Такие симметричные трансформации барионного и лептонного числа приводят к следующему следствию:
Сфалерновые переходы изменяют отношение
В+L
Но отношение
B-L=0
остается всегда неизменным.
Настоятельно рекомендую с ней ознакомиться перед прочтением этой вставки.
Если же такие дебри вам не нужны, а хочется получить только общее представление, то просто пропустите эту цветную вставку и продолжите чтение основного текста.
Итак, что такое сфалероны?
Квантовые колибровочные поля имеют несколько возможных топологических конфигураций.
Тут наверное стоит пояснить про топологические конфигурации.
Топологию можно назвать наукой изучающей плавные трансформации. Ну вот к примеру, чашка с ручкой и бублик это топологически один и тот же объект - поверхность с дыркой, просто с разной топологической конфигурацией. Один можно трансформировать в другой плавно, без склеиваний и разрывов. А вот мяч - это уже топологически другой объект. Нельзя его превратить в бублик без склеиваний и разрывов.
Так вот, калибровочные квантовые поля могут иметь различные топологические конфигурации, т.е. разные состояния вакуума.
Вакуумы калибровочных полей - это приниципиально схожие состояния минимальных околонулевых энергий но, скажем так, с разным рисунком силовых линий, читай с разной топологической конфигурацией.
При небольших возбуждениях поля, кванты этих возбуждений трактуются как частицы. В частности для нынешних калибровочных полей это фотоны и иные бозоны.
Но при очень высоких энергиях, которые обеспечивала ранняя горячая Вселенная, происходят столь мощные возбуждение полей, что меняется сам векторный рисунок силовых линий поля.
Образно можем сравнить это с проводом, лежащем на столе. Вот лежит вытянутый провод на столе. Это эквивалентно состоянию вакуума. Вы можете приподнять какую-то часть провода или несколько частей в разных местах провода. Это эквивалентно некоторым возбуждениям поля, образованию частиц - переносчиков взаимодействия для калибровочных полей. Потом отпустите провод и он снова ляжет на стол таким же как был, что эквивалентно возвращению в вакуумное состояние.
Но можно со всех сил швырнуть провод вверх, он взлетит и возможно изменит свою форму (где-то изогнется, где-то свернется в полете в кольца и петли), читай изменит тологическую конфигурацию.
В конце концов провод упадет обратно на стол, читай вернется в состояние вакуума, но форма его уже будет иной: изогнутой, с кольцами и петлями.
Вот так, образно говоря, горячая Вселенная постоянно "подбрасывала" калибровочные поля. И это локальное состояние "подброшенности"(чрезвычайно возбужденное неустойчивое состояние поля) и называется сфалеронами.
После такого всплеска поле может вернуться к прежнему вакуумному состоянию, но может и изменить саму топологию своего вакуума и вернуться в новое вакуумное состояние.
Этот процесс описывается определенной математикой. В частности черн-саймонсовским числом (Ncs), которое выступает индексом изменений ваккумной топологии. Условно говоря оно выступает счетчиком "образовавшихся на проводе петель" или наоборот "распрямившихся петель" и принимает целочисленные значения
Ncs= .... -3, -2,-1, 0, +1, +2, +3 ....
Сами по себе калиробочные поля обеспечивают перенос взаимодействий между фермионными полями (барионными и лептонными).
Изменение черн-саймонсовского числа (читай изменение топологической конфигурации поля) при сфалероновом переходе меняет и структуру взаимодействия калибровочного поля с фермионными полями, что выражается в изменении барионного и лептонного числа фермионных полей.
На увеличение Ncs калибровочного поля фермионные поля реагирует увеличением барионного и лептонного числа (читай образованием частиц). На уменьшение Ncs фермионные поля реагируют уменьшением барионного и лептнонного числа (читай образованием античастиц).
Если говорить более строго, то речь идет об изменении энергетического спектра фермионных полей. В связи с изменением конфигурации калибровочного поля меняется энергетический спектр фермионного поля и часть спектра проходит через нулевое значение в сторону отрицательной энергии Е<0 или положительной энергии Е>0.
В принципе для свободной частицы уровень энергии может быть любой, он не дискретен.
Формула для расчета энергии $$E = \pm\sqrt{p^2 + m^2}$$ а импульс (р) может принимать любое значение, соответственно и энергия тоже.
Но калибровочные поля - это переносчики взаимодействий и соответственно, речь идет о связанных состояниях. А в связанных состояниях есть дискретные разрешенные уровни энергии, которые могут в них участвовать. Так, например, электрон в атоме может существовать только с определенными разрешенными энергиями, в то время как в свободном состоянии он может иметь любую энергию.
Подробнее о дикретности и непрерывности вы можете почитать в статье, посвященной постоянной Планка под названием "Ультрафиолетовая катастрофа" на этом портале.
Возвращаясь к нашей теме, поскольку речь идет о реакции фермионных полей на изменения топологии калибровочных полей, то происходит смещение дискретного энергетического спектра фермионного поля, называемое спектральным током.
При этом смещении часть энергетических состояний переходят через 0. Важно отметить, тут нет какой-то простой последовательности смещения. Каждый энергентический разрешенный уровень по своему "чувствует" калибровочное поле и имеет свою траекторию изменения.
Т.е. возьмем совершенно условно до сфалеронового перехода (изменения конфигурации калибровочного поля) был спектр состояний фермионного поля
.... E1=-180 E2=-24,7 E3=-3 E4=-1,8
/нулевой порог/
E5=+0,01 E6=+1 E7=+1,8 E8=+20 .....
После изменения конфигурации калибровочного поля
.... E1=-50 E5=-7 E3=-0,6
/нулевой порог/
E7=+0,8 E6=+2 E2=+3,4 E4=+20 E8=+37...
И в этой трансформации несколько энегетических уровней изменили свою конфигурацию , перейдя через ноль:
E2,4 перешли через ноль в плюс. Итого 2.
Е5 перешел в минус. Итого 1.
соответственно значение спектрального тока составляет
SF=E+ - E-=2-1=1.
Это изменение спектального тока и означает изменение фермионного числа на +1.
А изменение фермионного числа с учетом фермионной аномалии в слабых взаимодействиях (нарушение симметрии) означает согласно симметрии SU(2)L , что речь идет только о левохиральных фермионных дуплетах, а это:
для кварков 3 поколения левохиральных дуплетов трех ароматов
Считаем изменение барионного числа
Дельта В=(1/3+1/3+1/3)×3=+3
Для лептонов это три лептонных левохиральных дуплета.
Соответственно изменение лептонного числа
Дельта L=1+1+1=+3
Вот здесь следует очень важное следствие для теории изменения барионного числа через лептогенез. Такие симметричные трансформации барионного и лептонного числа приводят к следующему следствию:
Сфалерновые переходы изменяют отношение
В+L
Но отношение
B-L=0
остается всегда неизменным.
Сфалеронами называют очень мощные неучтойчивые возбуждения полей которые могут приводить к перераспределению конфигураций фермионных полей и изменению барионных лептонных чисел. Это прераспределение имеет одну особенность, а именно сохранение отношения B-L.
B-L=const.=0
Предполагается, что процессы перераспределения находятся в равновесии и +В , среднестатистически в самих сфалероновых переходах компенсируется -В, а +L, компенсируется -L.
Но есть один ньюанс. В случае существования неких процессов, приводящих к лептонной ассиметрии, сфалерновый переход между различными вакуумами может перераспределить лептонную ассиметрию частично на бармонную зону.
И вот здесь всплывают гипотетические тяжелые нейтрино. Если в начальной топологии уже имелось нарушение лептонной симметрии из-за разновероятностных процессов распада тяжелых нейтрино, то при сфалероновом переходе между вакуумами , общая конфигурация B-L должна сохраниться, но сохраниться она может разными способами.
Может произойти прямой перенос имеющейся лептонной ассиметрии, но не обязательно именно он.
Было изначально В=0 L=0
Из-за нарушения симметрии распада тяжелых нейтрино образовался излишек антилептонов например в количестве 100.
Тогда общее отношение B и L в текущей конфигурации
B-L=0-(-100)=100.
Далее происходит сфалероновый переход к новой топологической конфигурации вакуума.
Отношение B и L можно сохранить сохранить разными способами.
0-(-100)=100
все как и было
или
20-(-80)=100
избыток барионов на 20
или
55-(-45)=100
избыток барионов на 55
и т.д.
Есть физически обоснованные модели, расчитывающие в каком отношении происходило перераспределение. Расчет производится через выражение плотности ассиметрии через химические потенциалы кварк-лептонной плазмы.
Для условий полного термодинамического равновесия ранней горячей Вселенной при температурах выше порога электрослабого перехода коэффициент составляет 28/79 для Стандартной модели и 16/49 для Минимальной суперсиметричной стандартной модели.
И именно этот этап (барионной ассиметрии) согласно гипотезе застал тот момент расширения и охлаждения Вселенной (нарушения термодинамического равновесия - третьего условия Сахарова), когда сфалеровоные переходы между разными конфигурациями калибровочных полей (разными кофигурациями вакуума) стали уже невозможными.
Вакуум застыл в текущем состоянии, поле Хигса перешло в состояние ненулевого минимально значения , реконструировав первичные калибровочные поля в текущие электромагнитное и комплект слабых полей и квантовая дикая "хореография" застыла в текущем состоянии избытка материи, которая сформировалась в дальнейшем под действием гравитационных сил в звезды, планеты и галактики.
Первый очевидный вопрос: а зачем так сложно идти к барионной ассиметрии через лептонную, а не допустить, сразу наличие разновероятностного процесса , который приведет к барионной ассиметрии напрямую?
Есть и такие гипотезы прямого бариогенеза, в котором некоторые гипотетические сверхтяжелые частицы распадаются разновероятностно на элеметы материи и антиматерии. Есть модели сфалеронов , где скорость Дельта В+ , выше скорости Дельта В-, что также приведет к избытку барионного числа.
Просто теория лептогенеза отвечает помимо вопроса барионной ассиметрии, заодно и на вопросы касающихся самих нейтрино (конкретно вопросы к их массам, но это уже другая тема).
А так , конечно, гипотезы и математические модели можно разные настрогать, что физики и делают.
В целом их можно рпзделить на три группы:
В рамках Стандартной модели:
1. Бариогенез через лептогенез (это то, что выше описано)
2. Прямой бариогенез через хиральную чувствительность калибровочных полей и неравновероятностные процессы для материи и антиматерии.
3. Прямой инфляционный/скалярный бариогенез: изначальная ассиметрия генерации частиц и античастиц.
Есть и другие модели за пределами Стандартной модели , дающие на выходе барионную ассиметрию: струны, монополи, доменные стенки, Q- болы и т.д.
Есть модель бариогенеза с расширенной симметрией , с добавлением симметрии SU(3).
Более того, есть теории существовования дополнительных симметрий SU(5) , SO(10).
Главная проблема в том, что математика позволяет очень много, а воссоздать условия ранней Вселенной, ее энергий и температур в достаточно больших объемах, чтобы увеличить сечение искомых процессов на современном уровне существующих технологий невозможно.
Можно ловить только косвенные следы в наблюдаемой космологии и намеки в текущих микропроцессах в ускорителях. Этим ученые и заняты.
Но вопрос причины тотального преобладания материи над антиматерией в наблюдаемой Вселенной по прежнему остается открытым. И ни одна из существующих гипотез не получила всеобщего признания и окончательного утверждения..
B-L=const.=0
Предполагается, что процессы перераспределения находятся в равновесии и +В , среднестатистически в самих сфалероновых переходах компенсируется -В, а +L, компенсируется -L.
Но есть один ньюанс. В случае существования неких процессов, приводящих к лептонной ассиметрии, сфалерновый переход между различными вакуумами может перераспределить лептонную ассиметрию частично на бармонную зону.
И вот здесь всплывают гипотетические тяжелые нейтрино. Если в начальной топологии уже имелось нарушение лептонной симметрии из-за разновероятностных процессов распада тяжелых нейтрино, то при сфалероновом переходе между вакуумами , общая конфигурация B-L должна сохраниться, но сохраниться она может разными способами.
Может произойти прямой перенос имеющейся лептонной ассиметрии, но не обязательно именно он.
Было изначально В=0 L=0
Из-за нарушения симметрии распада тяжелых нейтрино образовался излишек антилептонов например в количестве 100.
Тогда общее отношение B и L в текущей конфигурации
B-L=0-(-100)=100.
Далее происходит сфалероновый переход к новой топологической конфигурации вакуума.
Отношение B и L можно сохранить сохранить разными способами.
0-(-100)=100
все как и было
или
20-(-80)=100
избыток барионов на 20
или
55-(-45)=100
избыток барионов на 55
и т.д.
Есть физически обоснованные модели, расчитывающие в каком отношении происходило перераспределение. Расчет производится через выражение плотности ассиметрии через химические потенциалы кварк-лептонной плазмы.
Для условий полного термодинамического равновесия ранней горячей Вселенной при температурах выше порога электрослабого перехода коэффициент составляет 28/79 для Стандартной модели и 16/49 для Минимальной суперсиметричной стандартной модели.
И именно этот этап (барионной ассиметрии) согласно гипотезе застал тот момент расширения и охлаждения Вселенной (нарушения термодинамического равновесия - третьего условия Сахарова), когда сфалеровоные переходы между разными конфигурациями калибровочных полей (разными кофигурациями вакуума) стали уже невозможными.
Вакуум застыл в текущем состоянии, поле Хигса перешло в состояние ненулевого минимально значения , реконструировав первичные калибровочные поля в текущие электромагнитное и комплект слабых полей и квантовая дикая "хореография" застыла в текущем состоянии избытка материи, которая сформировалась в дальнейшем под действием гравитационных сил в звезды, планеты и галактики.
Первый очевидный вопрос: а зачем так сложно идти к барионной ассиметрии через лептонную, а не допустить, сразу наличие разновероятностного процесса , который приведет к барионной ассиметрии напрямую?
Есть и такие гипотезы прямого бариогенеза, в котором некоторые гипотетические сверхтяжелые частицы распадаются разновероятностно на элеметы материи и антиматерии. Есть модели сфалеронов , где скорость Дельта В+ , выше скорости Дельта В-, что также приведет к избытку барионного числа.
Просто теория лептогенеза отвечает помимо вопроса барионной ассиметрии, заодно и на вопросы касающихся самих нейтрино (конкретно вопросы к их массам, но это уже другая тема).
А так , конечно, гипотезы и математические модели можно разные настрогать, что физики и делают.
В целом их можно рпзделить на три группы:
В рамках Стандартной модели:
1. Бариогенез через лептогенез (это то, что выше описано)
2. Прямой бариогенез через хиральную чувствительность калибровочных полей и неравновероятностные процессы для материи и антиматерии.
3. Прямой инфляционный/скалярный бариогенез: изначальная ассиметрия генерации частиц и античастиц.
Есть и другие модели за пределами Стандартной модели , дающие на выходе барионную ассиметрию: струны, монополи, доменные стенки, Q- болы и т.д.
Есть модель бариогенеза с расширенной симметрией , с добавлением симметрии SU(3).
Более того, есть теории существовования дополнительных симметрий SU(5) , SO(10).
Главная проблема в том, что математика позволяет очень много, а воссоздать условия ранней Вселенной, ее энергий и температур в достаточно больших объемах, чтобы увеличить сечение искомых процессов на современном уровне существующих технологий невозможно.
Можно ловить только косвенные следы в наблюдаемой космологии и намеки в текущих микропроцессах в ускорителях. Этим ученые и заняты.
Но вопрос причины тотального преобладания материи над антиматерией в наблюдаемой Вселенной по прежнему остается открытым. И ни одна из существующих гипотез не получила всеобщего признания и окончательного утверждения..
И в заключение несколько слов о популярной в фантастике теме получения энергии при помощи антиматерии.
Энергия получается в данном случае максимально просто, путем соприкосновения антиматерии с материей происходит их взаимная аннигиляция и трасформация массы в энергию по формуле Е=mc2
И действительно, этот процесс максимально энергетически плотный из всех известных человечеству.
1 кг антиматерии и 1 кг материи дает выход энергии 1,8×1017Дж.
Чтоб вам было наглядней сравним это с выходами энергии от других видов топлива:
Уголь 2,5×107Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 7 миллиардов раз)
Нефть 4,5×107Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 4 миллиарда раз)
Деление урана (U-235) 8×1013Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 2250 раз)
Термоядерный синтез (пока нам недоступный)
3,4×1014Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 530 раз, хотя СЕRN дает цифру в 50 раз по термояду , но тут вопрос нормировки в учете масс реагентов, прямое сравнение по формуле Е=mc2 дает 500 раз).
В бытовых цифрах: от 1 гр. антиматерии можно получить 50 миллионов кВт×ч.
Шикарное КПД, но проблема в отсутствии антиматерии.
Существующий способ ее получения на ускорителях катастрофически затратен и не имеет никакой экономической целесообразности, а только научную ценность.
Чтобы вы понимали всю глубину ситуации имейте в виду, что на каждые 100 Дж энергии от аннигиляции антиматерии мы тратим 1000000000000 Дж энергии на получение этой антиматерии.
Добавьте еще к этому, что мы в принципе способны с современными технологиями получать антиматерию в мизерных количествах (цифры я приводил выше) и станет абсолютно понятно, что сейчас никаких вариантов рассматривать антиматерию для применения в энергетике нет.
Пока антиматерия это сугубо научный материал для фундаментальных исследований. Причем это самый дорогой материал в мире.
По примерным оценкам стоимость производства 1 гр. антипротонов составляет с имеющимися технологиями 62,5 триллиона долларов. И это без учета косвенных расходов, связанных с производством и хранением. Если учесть косвенные энергозатраты и связанную инфраструктуру, то расчеты доходят до стоимостей в квадрилионы долларов за 1 грамм.
Энергия получается в данном случае максимально просто, путем соприкосновения антиматерии с материей происходит их взаимная аннигиляция и трасформация массы в энергию по формуле Е=mc2
И действительно, этот процесс максимально энергетически плотный из всех известных человечеству.
1 кг антиматерии и 1 кг материи дает выход энергии 1,8×1017Дж.
Чтоб вам было наглядней сравним это с выходами энергии от других видов топлива:
Уголь 2,5×107Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 7 миллиардов раз)
Нефть 4,5×107Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 4 миллиарда раз)
Деление урана (U-235) 8×1013Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 2250 раз)
Термоядерный синтез (пока нам недоступный)
3,4×1014Дж на кг.
(Антиматерия мощнее в 530 раз, хотя СЕRN дает цифру в 50 раз по термояду , но тут вопрос нормировки в учете масс реагентов, прямое сравнение по формуле Е=mc2 дает 500 раз).
В бытовых цифрах: от 1 гр. антиматерии можно получить 50 миллионов кВт×ч.
Шикарное КПД, но проблема в отсутствии антиматерии.
Существующий способ ее получения на ускорителях катастрофически затратен и не имеет никакой экономической целесообразности, а только научную ценность.
Чтобы вы понимали всю глубину ситуации имейте в виду, что на каждые 100 Дж энергии от аннигиляции антиматерии мы тратим 1000000000000 Дж энергии на получение этой антиматерии.
Добавьте еще к этому, что мы в принципе способны с современными технологиями получать антиматерию в мизерных количествах (цифры я приводил выше) и станет абсолютно понятно, что сейчас никаких вариантов рассматривать антиматерию для применения в энергетике нет.
Пока антиматерия это сугубо научный материал для фундаментальных исследований. Причем это самый дорогой материал в мире.
По примерным оценкам стоимость производства 1 гр. антипротонов составляет с имеющимися технологиями 62,5 триллиона долларов. И это без учета косвенных расходов, связанных с производством и хранением. Если учесть косвенные энергозатраты и связанную инфраструктуру, то расчеты доходят до стоимостей в квадрилионы долларов за 1 грамм.
