В 1928 году британский физик Поль Дирак вывел уравнение, объединяющее квантовую теорию и специальную теорию относительности для описания поведения электрона, который движется
с релятивистской скоростью (relativus — относительный).
Иллюстрация: Public Domain / Поль Дирак
В 1933 году Дирак удостоен Нобелевской премии за выведенное уравнение. Подобно уравнению x²=9 (либо x=3, либо x=-3), уравнение Дирака также имеет два возможных варианта решения: первое для электрона с положительной энергией, второе для электрона, обладающего отрицательной энергией.
Однако на тот момент классическая физика (и здравый смысл) диктовали, что энергия частицы исключительно выражается положительным числом.
Дирак интерпретировал собственное уравнение таким образом, что для каждой частицы существует соответствующая античастица, в точности
её повторяющая, но с противоположным зарядом.
Например, для электрона существует "антиэлектрон" или позитрон, абсолютно идентичный во всех отношениях, но обладающий положительным электрическим зарядом.
Это открытие фактически распахнуло понимание того, что могут существовать целые галактики, состоящие из антиматерии.
Но в случае контакта материи и антиматерии, они аннигилируют — исчезая во вспышке энергии. Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии. Но возникает вопрос, на который пока сложно ответить, почему во Вселенной гораздо больше материи?
Антиматерия образуется естественным образом при различных распадах природных, радиоактивных изотопов, например, калий-40. Также античастицы возникают в среде с достаточно высокой температурой (молнии, например).
Кроме того аниматерию можно получить искусственно в укорителях частиц. В частности, этим занимается ЦЕРН.
Антиматерия имеет ряд применений, как предполагаемых, так и уже вполне реальных.
• Рассматривалась в качестве одного из составляющих ядерного оружия. Однако её достаточно сложно получить в больших количествах и нет чёткого понимания решения этой задачи.
• Изолированная, накопленная антиматерия может использоваться
в качестве топлива для космических путешествий. Вероятно, одного грамма будет достаточно для пилотируемой миссии на Марс.
Так, при реакции 1 кг антиматерии с 1 кг вещества выделилась бы энергия в 180 петаджоулей, чуть меньше отдачи Царь-бомбы, весом 26 500 кг, крупнейшего термоядерного оружия, когда-либо взорванного.
• Наконец, реальное применение это позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ). Чрезвычайно полезный и ценный инструмент,
для изучения функционирования организма.
Человеку дают сахар, содержащий радиоактивный кислород, полученный в медицинском циклотроне. Кислород испускает позитроны, мгновенно аннигилирующие, излучающие гамма-лучи.
Один позитрон дешёв, его стоимость менее цента. Но он очень маленький и весит около 10⁻²⁷ грамма. Подсчитано, что на производство всего 10 миллиграммов позитронов потребуется $250 млн.
А за грамм антиводорода придётся выложить целых $62.5 триллиона. Для сравнения на производство атомного оружия в рамках Манхэттенского проекта потребовалось $23 млрд с учётом инфляции.