Какво е антиматерията и как можем да я използваме, за да пътуваме в космоса?

Съществуването на нашата Вселена е малко странно, ако се съди по известните закони на физиката. Проблемът е, че материята, която съставлява всичко, което виждаме, има свой двойник. Той е наречен антиматерия. Тя има същата маса, но противоположен електрически заряд, и когато материята и антиматерията взаимодействат, те се превръщат в чиста енергия. Доколкото ни е известно, те са абсолютно еднакви, но нещо непосредствено след Големия взрив е облагодетелствало материята малко повече.

Така Вселената е станала богата на материя и е останала със само малка част от антиматерията, получена при ядрени реакции и високоенергийни взаимодействия. Фактът, че Вселената е изградена от материя, а не от антиматерия, е основен неразрешен проблем във физиката, който се изследва в цял свят.

Какво представлява антиматерията?

Фундаменталните или дори ядрените частици не са нещо, с което се сблъскваме в ежедневието. Те са твърде малки, за да бъдат усетени, но сме запознати с тях като понятия. Вземете например електрона. Това е частицата, която преминава през веригите, пренасящи електрически ток, и се движи около ядрото в атомите.

Той има електричен заряд, който е удобно да се приеме за равен на -1.

Квантовата теория, разработена от физика Пол Дирак през 1929 г., предполага съществуването на две версии на електрона – една с положителен и една с отрицателен заряд. Робърт Опенхаймер и Херман Вайл са тези, които убеждават Дирак, че положително зареденият електрон е реална частица. Той е открит през 1932 г. от Карл Дейвид Андерсън (въпреки че много други физици са наблюдавали тези взаимодействия преди това) и наречен позитрон.

Всяка фундаментална частица, която е заредена, има своя античастица.

Дори неутралните, без електрически заряд, могат да имат античастица, която се различава само поради някакво квантово свойство. Така че за всеки кварк, който изгражда протоните, има антикварки, които изграждат антипротоните. Ако съберем един антипротон с позитрон, ще получим антиводород.

Колко често срещана е антиматерията?

Няколко мига след Големия взрив антиматерията се е превърнала в рядък вид. Това не означава, че тя изобщо не съществува в природата. Космическите лъчи, потокът от заредени частици от Вселената, имат позитрони и антипротони (а може би и по-сложни античастици), но те са малка част, много по-малка от 1 процент от общия поток частици.

Позитрони и антинеутрино се получават при някои видове радиоактивен разпад.

Позитрони се отделят и при някои удари на мълнии, а антипротони са открити в ивиците радиация, които обграждат Земята – пояса на Ван Алън.

Това е капка в океана в сравнение с наличието на материя. Всяко взаимодействие с обикновената материя разрушава антиматерията, като се освобождава значителна енергия – нещо, което се разглежда като интригуващ начин за пътуване в космоса с висока скорост.

Използване на антиматерия за пътуване в космоса

Предложението на НАСА за превозно средство, задвижвано с антиматерия, датира от 1999 г. Идеята е протоните да се сблъскат с антипротони. Сблъсъкът би довел до появата на гама лъчи, изключително енергийна светлина, но също така и на други частици. Идеята е тези нови частици да се насочат навън, като се създаде тяга. И то много. По техни изчисления този двигател би имал специфичен импулс (мярка за ефективност) над 200 пъти по-висок от този на космическата совалка. Може би над 2 000 пъти по-голям.

Това няма да е научнофантастичен двигател, който изкривява пространство-времето като в „Стар Трек“, а ще използва концепцията, че всяко действие има равна и противоположна реакция. Но действието в този случай е голямо. Достатъчно, за да съкрати значително времето за пътуване през Слънчевата система.

Ако този двигател е толкова обещаващ, защо не го създаваме? Ами има много проблеми, които трябва да бъдат решени, преди да можем да създадем работещ прототип.

Цената на антиматерията

Като се има предвид, че антиматерията изчезва при съприкосновение с материята, тя трудно може да бъде задържана. ЦЕРН държи рекорда за задържане на антиводород, като през 2011 г. го задържа за около 17 минути. Това е било задържане за изучаване на свойствата му, нищо по-фантастично от това. И количеството на уловения водород е малко – само 309 атома.

Трудно е да се произведе антиматерия, което я прави най-скъпото вещество, създавано някога. В двигателя за антиматерия на НАСА изчисленията показват, че една милиардна част от грама струва около 62 500 долара. През 2008 г. ЦЕРН изчислява, че действителното производство на една милиардна част от грама струва еквивалента на няколкостотин милиона долара.

Разбира се, ако имаше специализирани съоръжения, които да произвеждат антиматерия, цената щеше да намалее, но засега това е в компетенциите на високоспециализирани и сложни експерименти.