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

Съществуването на нашата Вселена е малко странно, ако съдим по известните ни закони на физиката. Проблемът е, че материята, която съставлява всичко, което виждаме – от галактики до нас самите – има свой двойник, наречен антиматерия. Този двойник има същата маса, но противоположен електрически заряд; и когато материята и антиматерията взаимодействат, те се унищожават взаимно, превръщайки се 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 само малка част от антиматерията, получена при ядрени реакции и високоенергийни взаимодействия.

Всичко това – фактът, че Вселената е изградена от едното, а не от другото – всъщност е сред основните неразрешени проблеми във физиката, който се изследва в цял свят.

Снимка от облачна камера на първия наблюдаван позитрон, 2 август 1932 г.

Какво представлява антиматерията?

Да вземем например електрона. Това е частицата, която преминава през веригите, които пренасят електрически ток, и се движи около ядрото в атомите. Той има електричен заряд, който за удобство ще приемем 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 по някакво квантово свойство. Така че за всеки кварк, който изгражда протоните, има антикварк, които изграждат антипротоните. Ако съберем един антипротон с позитрон, ще получим антиводород.

Колко често се среща антиматерията?

Само няколко мига след Големия взрив антиматерията вече е кът. 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% от общия поток.

Позитрони и антинеутрино се получават при някои видове радиоактивен разпад. Позитрони се отделят и при някои удари на мълнии, а антипротони са открити в радиацията, която обгражда Земята – т. нар. пояс на Ван Алън.

Това обаче е капка в океана в сравнение с количеството материя. Всяко взаимодействие с обикновената материя разрушава антиматерията, като в този процес се освобождава значително количество енергия – нещо, което се разглежда като интригуващ начин за пътуване в космоса с висока скорост.

Използване на антиматерия за пътуване в космоса

НАСА предлага превозно средство, задвижвано с антиматерия, още през 1999 г. Идеята е протони да се сблъскват с антипротони, което би довелo до появата на гама лъчи – изключително енергийна светлина – но също така и на други частици. Tези нови частици след това се насочват навън, което ще създава 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 не е като научнофантастичният двигател, който изкривява пространство-времето, 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 въпроси, 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 съхранявана. ЦЕРН поставя рекорд за задържане на антиводород през 2011 г. – около 17 минути – като целта е била да се изучат свойствата му, а количеството му е било едва 309 атома.

Трудно е и 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. пък ЦЕРН изчислява, че действителното производство на една милиардна част от грама всъщност струва няколкостотин милиона долара.

Разбира се, ако има специализирани съоръжения, които да произвеждат антиматерия, цената ще намалее, но засега това е се постига само при високоспециализирани и сложни експерименти.