ПРОБЛЕМА ФИЗИКИ И ХИМИИ АНТИВЕЩЕСТВА: ВОЗМОЖНОСТИ
advertisement
ПРОБЛЕМА ФИЗИКИ И ХИМИИ АНТИВЕЩЕСТВА: ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ, ПОИСКА ВО ВСЕЛЕННОЙ, СИНТЕЗА И ПРИМЕНЕНИЙ Е.П.ПРОКОПЬЕВ ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова, Москва В данной работе предполагается обсудить особенности и наметить некоторые пути решения проблемы физики и химии антивещества: возможности исследований свойств, поиска во Вселенной, синтеза и применений в процессах типа «антивещество↔энергия» в свете современных научных достижений в космологии, астрофизике, физике высоких энергий и элементарных частиц, физике ядра и ядерных технологий и других смежных областях науки и техники. В процессе роста численности населения на Земле резко ухудшаются экологические, экономические, социально-политические и другие проблемы созидательного развития человеческой цивилизации. Перспективы этого развития несомненно будут связаны с освоением космического пространства (ближнего и дальнего космоса, межзвездных перелетов, освоение галактик нашей Вселенной и возможно других вселенных), а также установление контактов с внеземными цивилизациями, если таковые имеются. Имеются большое число предлагаемых проектов будущих космических путешествий, основанных на наших знаниях законов природы и мироздания. В настоящее время существует точка зрения о том, что межзвездные путешествия на космических кораблях с применением самых современных физических источников энергии невозможны в силу огромной их длительности и невозможности создания запасов топлива и износа материалов космических аппаратов. Существуют точки зрения о том, что эти перелеты возможны лишь в ближнем и дальнем космосе и перелеты к ближайшим звездам. Освоение нашей галактики, других галактик нашей Вселенной и других вселенных связывается с проектами возможных полуфантастических машин времени, «деформирующих» пространство-время, проектами квантовой телепортации и т.д. Поэтому перспектива созидательного развития человеческой цивилизации несомненно связана с глубокими изучениями законов мироздания с целью создания на их основе будущих космических технологий развития человечества. Особую роль на первом этапе развития космических технологий несомненно будет играть проблема физики и химии антивещества. По-видимому, именно эти исследования могут подойти к разгадке вопросов: откуда мы во Вселенной и что мы во ней? Это неразгаданные тайны, стоящие перед человечеством. К ним относятся, пожалуй, в первую очередь поиск разумной житзни и проблема антивещества (первоматерии) во Вселенной (см., например, [1-63] и др.). Рассмотрим вкратце эти вопросы. О возможных разнообразиях форм Мирового Разума В рамках квантовополевой теории вселенной и модели минисуперпространства удается показать [1,2] множественное рождение вселенных, даже, если начало есть ничего (“отсутствует” пространство-время, нет вселенных, в том числе и нашей материнской Вселенной). Таким образом, можно считать рождение вселенных процессом неизбежным и закономерным - следствие теории поля вселенной, в которой суперпотенциал зависит от времени. Это дает возможность нарисовать динамическую картину Вечности (Вечного Мира) как своеобразного газа взаимодействующих вселенных, переход между которыми 1 вероятно возможен через так называемые кротовые норы (см. [1]). Важным вопросом современной науки, способствующей развитию фундаментальных проблем науки и техники, является поэтому поиск разумной жизни и новых жизненных пространств в окружающем нас Мире. Можно сказать, что эти проблемы возможно явятся (сродни) Великим географическим отрытиям конца средневековья и начала нового времени в истории человечества, способствоваших невиданному прогрессу в развитии всех сфер его жизни. Идеи о межзвездных перелетах, по-существу, в первую очередь предполагают поиски разумной жизни во Вселенной, установление контактов с иными цивилизациями. Но эти вопросы, как показано в [3-6] и ниже, в порядке дискуссионного обсуждения возможной проблемы концепции Мирового Разума – формы материи, обладающей способностью целенаправленно развиваться и познавать, как свое развитие, так и других форм материи. Один из примеров формы Мирового Разума перед нами существует наяву. Это высшая форма движения живой материи – коллективный человеческий Разум, то есть по-существу то, что мы называем человеческой Цивилизацией, иногда употребляется термин «гуманоидной». В связи с этим возникают следующие неизбежные вопросы 1) существуют ли во Вселенной (помимо нашей) другие гуманоидные Цивилизации, контакт с которыми, по-видимому, можно установить; 2)можем ли мы – носители одного из видов Мирового Разума, т.е. представители человеческой Цивилизации, установить контакты с другими формами Мирового Разума. Эти вопросы имеют сугубо практический характер. Решать их необходимо на высоком научном и техническом уровне с учетом всех знаний о законах развития одной из движущихся форм материи – Мирового Разума (человеческой Цивилизации). Сумма знаний об окружающем Мире (имеются в виду сумма знаний о законах развития всех видов движущейся материи), накапливаемых различными формами Мирового Разума, как следует из примера развития человеческой Цивилизации, следует примерно по экспоненциальному закону S (t ) S 0 (1 e t ) . В этой довольно-таки наивной формуле параметр S 0 представляет собой асимптотическое значение «суммы знаний», а параметр 1 / , где - среднее время жизни цивилизации. Причем величины параметров S 0 и 1 / для различных форм Мирового Разума, по-видимому, опять-таки различны. Таким образом, предполагая, что возможность установления контактов между цивилизациями определяются близостью значений параметров S 0 и 1 / функции S (t ) , можно придти к весьма пессимистическому выводу о случайном характере установления контактов. Поэтому различные формы Мирового Разума вероятнее всего развиваются и существуют независимо друг от друга.. Контакты между ними – явление скорее всего случайное, как и воздействия одной формы Мирового Разума на другую. Это один из возможных парадоксов, которые ожидают серьезных исследователей по проблеме разумной жизни во Вселенной и/или вселенных. К сожалению проведенные в последнее время эксперименты по поиску разумной жизни в нашей материнской Вселенной дали пока что отрицательный результат, подтверждающий этот возможный парадокс. ПРОБЛЕМА ФИЗИКИ И ХИМИИ АНТИВЕЩЕСТВА Введение Современная проблема физики и химии антивещества включает в себя исследования особенностей свойств антиматерии и особенностей взаимодействия материи и антиматерии [7-32], а также исследования свойств вещества с помощью античастиц (например, позитронная и мюониевая спектроскопии) [33-46]. Сюда можно отнести исследования позитронсодержащих атомов и молекул и полиэлектронных комплексов 2 Уилера состава (e e2 ) и др. в идеальных и дефектных кристаллах и других веществах [44,46]. Возможно даже возникновение таких новых наук, как антиатомная и антиядерная физика, антимолекулярная физика, физика кристаллов антивещества и т.д., изучающих особенности свойств антивещества. Большой интерес представляют исследования самоорганизации и влияния всего остального Мира (Вселенной и/или вселенных, находящихся на различных стадиях эволюции) на элементарные физические процессы (такие как e- + е+ ↔ и т.д.). В этой связи интересны также возможности изучения технологических физических и других природных процессов с точки зрения их практического использования (для создания новых процессов). Особое значение имеют современные достижения в физике, химии и технике антивещества для решения энергетических проблем Человечества (проблема антиводорода (Н.А.Власов), проблема кварковой материи (Л.Б.Окунь), энергетические проблемы космологии (А.Д.Долгов) и др.). [20-23,32,33,58] Большой интерес представляет возможность получения интенсивных потоков позитронов при перестройке физического вакуума в сильных полях (например, в электрическом поле современных сверхмощных лазерных лучей) (А.Б.Мигдал, Я.Б.Зельдович, В.С.Попов и др.) [31-46]. В связи с этим могут быть рассмотрены возможности использования исследований различных процессов, протекающих в экстремальных условиях, в ядерной физике, астрофизике и космологии, а также в других смежных областях науки и техники для создания интенсивных потоков позитронов и других античастиц. Источником позитронов могут служить вещества с зарядом ядра Z>85 при сжимающем действии экстремальных ядерных процессов. При этом вероятно должны происходить процессы полной ионизации этих атомов и процессы адиабатического слияния голых ядер с образованием составного ядра при наличии определенных внешних условий (см.ниже), на К-оболочке которого рождаются электронно-позитронные пары. Позитроны при этом могут уходить с К-оболочки на бесконечность в силу кулоновского отталкивания. Таким образом могли бы быть получены очень мощные потоки позитронов. Сбор таких позитронов в магнитные ловушки в условиях космического пространства может явиться весьма эффективным методом накопления антивещества. Обсуждаются также проблемы получения позитронов при адиабатических столкновениях ядер с зарядом ядра Z>85 на ускорителях заряженных частиц и при создании «тяжелой» высокотемпературной плазмы, а также вопросы особенностей процесса аннигиляции позитронов в различных веществах и возможных применений позитронных пучков в науке и технике [44,46]. ПОИСК АНТИВЕЩЕСТВА В ПЕРВИЧНОМ КОСМИЧЕСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ И/ИЛИ ВСЕЛЕННЫХ Подробное изложение этого вопроса дано в достаточно детальных обзорах Галактионова и Пляскина [47,48]. Указывается, что появление возможности проведения долговременных исследований космического излучения с помощью современных установок, находящихся на космических аппаратах, позволяет существенно расширить область исследований поиска антивещества в первичном космическом излучении во вселенной и/или вселенных. Одной из первых современных установок, предназначенная для длительного изучения потоков первичного космического излучения вплоть до области энергий в несколько ТэВ с помощью прибора, находящегося на МКС, является АльфаМагнитный Спектрометр (АМС) (Руководителями этого проекта являются С.Тинг и др. (Сhао Сhung Ting) (Массачусетский технологический институт) и А.Ю.Кудрявцев, А.Л.Суворов и Ю.В.Галактионов (Минатом, ИТЭФ). ` АМС – это большой (0,65 м2) детектор, предназначенный для работы на Международной космической станции. Цель эксперимента – поиск космической антиматерии и темной материи и изучение состава и энергетического спектра первичных 3 космических лучей. Уменьшенная версия спектрометра (АМС-01) уже летала на Spase Shuttle Discovery в течение 10 дней в июне 1998 г. За время полета АМС-01 было зарегистрировано 2,86х106 ядер Не с жесткостью вплоть до 140 ГэВ/с, при этом не было зарегистрировано ни одного ядра анти-Не. Кроме того, на основании данных по потокам ядер тяжелее гелия установлен предел на отношение антиматерии/материя для тяжелых антиядер на уровне <2x10-5. Новая версия АМС (АМС-2) предназначена для установки на МКС в ноябре 2004 г. на рабочий период 3 года. Основное отличие АМС-2 от предыдущего – в установке сверхпроводящего магнита, который позволит увеличить в 6 раз чувствительность спектрометра. Сверхпроводящий магнит включает в свой состав два диполя и 20 рейстровых катушек на основе NbTi проводников, стабилизированных Al, с рабочим током 450 А. Рабочая температура – 1,8 К при давлении 20 мбар, которая будет обеспечиваться сверхтекучим гелием. Два рефрижератора будут поддерживать работу спектрометра в течение 27-33 месяцев. Вес магнитной системы – 3 тонны. Внешние стенки магнита покрыты сцинтилляционным пластиком для исключения фоновых частиц, производимых взаимодействиями материала магнита. В составе спектрометра имеется детектор синхротронного излучения, порождаемого электронами в магнитном поле Земли; кремниевый микрополосковый детектор для высокопрецизионного измерения жесткости частиц и знака их заряда; черенковский детектор для определения массы частиц и идентификации изотопов и химических элементов; электромагнитный калориметр для разделения электрон/адрон с энергиями от нескольких ГэВ до 1 ТэВ, а также система обработки данных в реальном масштабе времени. В поисках антиматерии АМС детектор будет способен различать возможные ядра антигелия среди 108 –109 фоновых ядер гелия. Общий вес экспериментальной аппаратуры ~ 6 тонн при потребляемой мощности 2 кВт. Ограничения по весу, габаритам и потребляемой млщности аппаратуры, по радиационной стойкости материалов требует использования новейших высоких уникальных технологий. ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ И АНТИВЕЩЕСТВА ПРИ НИЗКИХ ЭНЕРГИЯХ: ВЕРОЯТНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ ЯДЕРНОМ СИНТЕЗЕ, ТРАНСФОРМАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ И СИНТЕЗЕ АНТИВЕЩЕСТВА Рождение позитронов, а возможно и других античастиц, в поле ядра с критическим зарядом ZC>170 вследствие неустойчивости вакуума проблема интересная, пожалуй, лишь в теоретическом плане [30-32], т.к. таких ядер в природе вероятно не существует. Поэтому были рассмотрены другие возможности рождения позитронов при сближении тяжелых ядер, суммарный заряд которых соответствует неравенству Z1 + Z2>ZC. Расчеты, выполненные в [31], показали, что при адиабатическом сближении тяжелых ядер в случае, если сталкивающиеся ядра не имеют электронов на К-оболочке, может возникнуть состояние на К-оболочке объединенного (составного) ядра с зарядом Z1 + Z2 и с эффективным радиусом ~ R. Тогда роль критического параметра RС играет расстояние R. При R~RС должно наблюдаться рождение позитронов. Проницаемость барьера экспоненциально зависит от Rc - R и позитроны будут испускаться при R → Rmin достаточно монохроматическими. В данном сообщении на основании квантовой модели электрона Олейника - Арепьева [49] как открытой самоорганизующийся системы описывается возможный механизм ядерных реакций между ядрами с Z > 85 [31,36,37] при низких энергиях, обусловленный пространственной протяженностью электрона, и возможно приводящий к резкому понижению барьера между ядрами. Это вероятно при определенных условиях (см. ниже) может приводить к возможности слиянию таких ядер с образованием составного ядра с 4 критическим зарядом Z > 170, в поле которого вследствие неустойчивости вакуума возможно рождение позитронов, а возможно и других античастиц [30-33]. Для осуществления такого процесса необходимо иметь интенсивный поток свободных электронов и достаточно число свободных ядер. Как отмечается в [30,31], этот механизм может проявиться лишь при малых энергиях поступательного движения центров масс ядер и электрона. Остановимся более подробно на качественном изложении физического смысла ядерных превращений при низких энергиях, основанных на квантовой теории электрона как открытой самоорганизующейся системы [49]. Указывается, что если два или большее число ядер при определенных экстремальных внешних условиях оказываются «внутри» области основной локализации электрона, то из-за взаимодействия ядер с электрически заряженной материей электронного облака может возникнуть сила притяжения между ядрами, вероятно способствующая их слиянию. Таким образом, холодные ядерные реакции представляют собой внутриэлектронный процесс, свойства которого определяются физическими характеристиками собственного поля, создаваемого электрически заряженной материей электрона. Это поле рассматривается как врожденное, неот`емлимое физическое свойство электрона, внутренне присущее частице по самой природе вещей, и поэтому собственное поле и самодействие заключается в определении частицы на самом начальном построении ее теории. Можно сказать, что электрон представляет собой квант (элементарное возбуждение) поля самодействующей электрически заряженной материи. Это по-существу дела солитон, физические и геометрические свойства которого описываются нелинейным и нелокальным динамическим уравнением. Рассмотрение приложений квантовой модели самодействующего электрона [49] приводит авторов к выводу о том, что единственно приемлимым способом решения энергетической проблемы состоит в использовании ядерного синтеза при низких энергиях. Отметим, что в качестве об`ектов, уменьшающих кулоновский барьер между ядрами, могут быть и другие более тяжелые лептоны, а также каоны. Использование холодных ядерных реакций способно решить проблемы трансформации элементов, проблему получения энергии при ядерном синтезе и проблему получения антивещества для будущих межзвездных перелетов [48-54]. Все эти проблемы неимоверны сложны, но, по-видимому, в будущем этот вопрос может быть решен положительным образом. История развития человеческой цивилизации показывает, что сколь бы не трудна и даже фантастична не была задача осуществления тех или иных проектов (в частности и получения антивещества), она в конце концов решается в процессе научного познания законов мироздания и развития технологий. Следует все же подчеркнуть, что квантовая теория электрона как открытой самоорганизующейся системы [49] еще недостаточно обоснована и разработана. Отсутствуют прямые эксперименты по доказательству ее применимости к проблемам, упомянутым в данном сообщении информативного характера. О ВОЗМОЖНОСТИ АНИГИЛЯЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Успехи в исследованиях и использовании космического пространства (особенно ближнего космоса) впечатляют и все более набирают силу. Для исследований дальнего космоса и межзвездных перелетов в первую очередь необходимы новые виды двигателей и источников энергии. В литературе имеется очень большое число работ, посвященных физическому обоснованию и различным проектам фотонных двигателей. Одним из вариантов фотонных двигателей может служить проект позитронного аннигиляционного источника энергии (двигателя), основанного на последних достижениях современной физики, например, проблеме перестройки вакуума в сильных полях [30-32]. 5 Ниже обсуждается использование этого явления для создания позитронных аннигиляционных источников энергии (в том числе двигателей). В первой части излагается физическая сущность перестройки вакуума согласно изложению этой идеи Мигдалом [30]. Во второй части согласно идеям Арцимовича и Сагдеева [33] о физике плазмы обсуждается вопрос о возможности создании плазмы тяжелых атомов с зарядом Z>85 и ее удержания магнитным полем (см. предыдущий раздел). Дается возможная схема позитронного аннигиляционного источника энергии (двигателя). Рождение позитронов, а возможно и других античастиц, в поле ядра с критическим зарядом ZC>170 вследствие неустойчивости вакуума проблема интересная, пожалуй, лишь в теоретическом плане [30,31], т.к. таких ядер в природе вероятно не существует. Поэтому были рассмотрены другие возможности рождения позитронов при сближении тяжелых ядер, суммарный заряд которых соответствует неравенству Z1 + Z2>ZC. Расчеты, выполненные в [31], показали, что при адиабатическом сближении тяжелых ядер в случае, если сталкивающиеся ядра не имеют электронов на К-оболочке, может возникнуть состояние на К-оболочке объединенного (составного) ядра. При R<<1 (R - расстояние между ядрами) (при расчетах в [31-32] использовались единицы ħ=m=c=1) система представляет собой составное ядро с зарядом Z1 + Z2 и с эффективным радиусом ~ R. Тогда роль критического параметра играет расстояние R. При R~RС должно наблюдаться рождение позитронов. Проницаемость барьера экспоненциально зависит от Rc - R и позитроны будут испускаться при R → Rmin достаточно монохроматическими. Отсюда следует, что на начальной стадии сближения, когда Zeff ~ Zc возникают три состояния, нижнее - стационарное, а два верхних, соответствующие одной и двум парам, квазистационарные. При дальнейшем сближении все три уровня делаются квазистационарными. Расстояние между уровнями ~ 10 ÷ 20 кэВ. В случае, если сближение ядер происходит «очень медленно», так что соблюдается адиабатичность, то есть v/Rc < ΔE, где v - скорость ядра, то при сближении осуществлялись бы только состояния без пар и рождение позитронов было бы невозможным. Например, относительная скорость двух ядер урана с энергией, достаточной для сближения до критического расстояния Rc v0 1 / Rc , 70 (1) где Z / 137 2 / 3. Из выражения (1) можно заключить, что адиабатичность не выполняется и в процессе сближения смешиваются все три состояния. Для случая сильной неадиабатичности вес каждого из состояний равен 1/3. При достаточно большой начальной энергии ядер должны испускаться шесть различных по энергии и интенсивности линий. Трудность экспериментальной проблемы рождения позитронов заключается прежде всего в получении «голых» ядер урана, то есть полностью ионизованных атомов урана. Этого можно достичь двумя способами: 1)получение высокотемпературной «тяжелой» плазмы, состоящей из полностью ионизованных атомов урана (то есть голых ядер) и из электронов и 2)получение «голых» ядер урана на ускорителях заряженных ионов (частиц). Обе проблемы неимоверны сложны, особенно вопрос о получении высокотемпературной «тяжелой» плазмы и ее удержания магнитным полем. Но, по-видимому, в недалеком будущем этот вопрос может быть решен положительным образом. В такой плазме речь идет уже не о проблеме термоядерного синтеза, а о проблеме рождения позитронов при столкновениях тяжелых ядер. Получающиеся позитроны уходят из точки рождения и аннигилируют с электронами плазмы и отчасти с «рабочим веществом» стенок плазменного реактора. Электроны же, оставшиеся на К-оболочке и последующий процесс ионизации может осуществляться непрерывно. 6 Каким же может видится принципиальная схема позитронного аннигиляционного двигателя? Основой такого двигателя , как следует из вышесказанного, должен явиться «позитронный» реактор с тяжелой высокотемпературной плазмой (Z = Z1 + Z2 > Zc), системой ее получения и удержания . Рожденные при столкновениях голых тяжелых ядер позитроны аннигилируют на электронах плазмы и рабочего вещества стенок реактора с испусканием преимущественно двух аннигиляционных фотонов с энергиями 0,511 МэВ и выше. Естественно, что это излучение может иметь изотропный характер по направлениям. Тогда часть аннигиляционных фотонов будут отдавать энергию на ионизацию и возбуждение атомов стенок реактора и теплоносителя, входящего в контур преобразователя тепловой энергии в электрическую (за счет энергии фотонов) с целью получения и удержания тяжелой высокотемпературной плазмы. Примерно четверть аннигиляционных фотонов в свою очередь могут быть использованы для создания реактивной тяги, обусловленной выходом фотонов через заднее рабочее сопло позитронного аннигиляционного двигателя. Такова в общих чертах идея одного из видов позитронного аннигиляционного двигателя. Конечно, для реального воплощения этой идеи, по-видимому, очень далеко. Но такого рода идея проекта фотонного двигателя очень заманчива и привлекательна, ибо такого рода фотонные двигатели возможно смогут решить мечты человечества о межзвездных путешествиях. ПОЛУЧЕНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ПОЗИТРОНОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В последние годы наблюдается интенсивное развитие позитроники различных веществ и их состояний. Интерес к изучению позитроники не случаен. Он связан, с одной стороны, с фундаментальными проблемами физики: рождением и эволюцией вселенной и/или вселенных, позитронной астрофизикой, взаимодействием вещества и антивещества, с изучением новых модификаций комплексов Уилера в веществе; с другой стороны, с поиском новых уникальных методов исследования электронной структуры и некоторых физико-химических характеристик вещества (в том числе и твердых тел) в дополнение к уже существующим методам (оптическим, электрическим, магнитным и другим методам), а также возможностей построения приборов и устройств, работающих на основе эффектов взаимодействия излучения с веществом. В связи с чем особый интерес представляет проблема получения пучков позитронов, суть которой излагается ниже О ПРОБЛЕМЕ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ПОТОКОВ ПОЗИТРОНОВ В ряде работ обсуждались и были предложены и реализованы методы получения достаточно интенсивных пучков медленных позитронов от радиоактивных источников 22 Na, 64Cu и т.д., получения позитронов с использованием ускорителей заряженных частиц [55]. Особый интерес представляет возможность получения интенсивных потоков позитронов при перестройке физического вакуума в сильных полях [32,33]. При этом использование и действие позитронных потоков на технически важные материалы представляет серьезную самостоятельную проблему [55-59]. Особенности действия позитронной радиации на материалы При воздействии интенсивных потоков позитронов участки облучения резко обедняются электронами, что приводит к нарушению электронейтральности в больших масштабах. Этот эффект естественно приводит к разлетанию ионов облученного позитронами вещества. Можно дать даже особый термин этому явлению – «аннигиляционное испарение вещества». Так как время жизни позитрона относительно аннигиляции составляет величину порядка 0,1 нс, то и процесс аннигиляционного испарения вещества должен протекать примерно за тот же период времени Использование 7 резко сфокусированных пучков позитронов большой интенсивности, следовательно, имело бы большие технические применения.. Об аннигиляционных позитронных гразерах При наличии интенсивных потоков позитронов привлекательным становится вопрос о создании аннигиляционных гразеров за счет индуцированном перехода 3S1→1S0. Здесь 1S0 – состояние синглетного атома позитрония в парасостоянии. Роль состояния с отрицательной температурой здесь играет атом позитрония в триплетном 3S1 состоянии, время жизни которого относительно трехквантовой аннигиляции составляет величину 1,4·10-7 с. Спектр гамма-излучения такого атома непрерывен. Время жизни парапозитрония относительно двухквантовой аннигиляции составляет величину 1,25·10-10. При этом испускается когерентное гамма-излучение с энергией порядка 0,51 МэВ, теория которого была разработана Летоховым [60]. Таким образом, техническая реализация аннигиляционных позитронных гразеров связана с получением больших количеств атома позитрония в 3S1 состоянии. Об использовании энергии аннигиляции для передачи информации в космическом пространстве Отмечалось [58,59], что проблема сбора, хранения и использования аннигиляционных источников энергии очень сложна и может осуществиться лишь в отдаленном будущем. Однако проблема сбора и хранения антивещества в небольших количествах и последующего его применения в электронике не очень фантастична и может быть решена уже в недалеком будущем. Обсудим, какие же пути возможны для создания электроники в диапазоне длин волн порядка 0,01 Å и менее. В качестве источника передающего сигнала в электронике прежде всего могут быть использованы аннигиляционные гамма-кванты с энергией 0,511 МэВ, получающегося в результате аннигиляции парапозитрония, который аннигилирует двухквантовым образом, и энергия гамма-квантов для теплового позитрония равна почти строго 0,511 МэВ, то есть парапозитроний может служить монохроматическим источником жестких аннигиляционных гамма-квантов, способных проникать в космическое пространство на далекие расстояния, практически не теряя своей энергии. Кроме того, в случае передачи информации при помощи аннигиляционных гамма-квантов облегчаются условия их детектирования приемниками излучения и последующего их усиления. Для получения передающих сигналов может быть в принципе также использован и протоний – водородоподобный атом, состоящий из протона и антипротона. Выше уже отмечали, что основными продуктами распада протония являются - мезоны и 0 мезоны. Энергия распада гамма-квантов от распада 0 - мезонов на самом деле значительно размазана и получение монохроматических гамма-квантов такой энергии представляет собой трудную задачу. Но здесь следует отметить то обстоятельство, что эти гамма-кванты могут быть использованы для получения позитронов. Позитроны также получаются в каскадном многостадийном распаде - мезонов. В заключение отметим, что использование энергии аннигиляции в электронике уже дает право постановки в рабочем порядке рассматриваемой проблемы и ее теоретического обоснования. Практическая же реализация этой проблемы естественно связана с прогрессом ядерной физики и физики высоких энергий, особенно физики элементарных частиц. О ПРОБЛЕМЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНТИВОДОРОДА В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ БУДУЩЕГО Проблемы особенностей свойств антивещества и его взаимодействия с обычным веществом несомненно является одной из фундаментальных задач, стоящих перед Человечеством, ибо получение энергии при аннигиляции вещества и антивещества осуществляется с максимально возможным к.п.д.[58]. Возможно, что будущие 8 межзвездные космические корабли, по-видимому, будут оснащены в первую очередь аннигиляционными двигателями, если не появятся более эффективные источники получения энергии. Идеальным аннигиляционным «топливом» несомненно может служить антиводород. История развития человеческой цивилизации показывает, что сколь бы не трудна и даже фантастична ни была задача осуществления тех или иных проектов (в частности и получения антиводорода), она в конце концов решается в процессе научного познания законов мироздания и развития технологий. В настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования процесса аннигиляции антипротонов [58,59] и особенно интенсивно аннигиляции позитронов в веществе, в материалах космической техники и галактической среде с низкой плотностью [61-63]. Эти данные несомненно сыграют свою роль при решении проблем взаимодействия вещества и антивещества в будущем. Уже сейчас установлено, что в плотных средах антипротоны и позитроны замедляются практически до тепловых скоростей. В процессе замедления могут образовываться водородоподобные атомы: протоний (система, состоящая из протона и антипротона) и позитроний (связанная система, состоящая из электрона и позитрона). Тепловые позитроны и позитроний, вступая во взаимодействие с атомами вещества, во-первых, претерпевают процессы упругого и неупругого рассеяния, во-вторых, могут давать связанные состояния на атомах. Аннигиляция электронно-позитронных пар происходит в результате электромагнитного взаимодействия преимущественно с испусканием двух аннигиляционных гамма-квантов с энергиями 0,511 МэВ. Время жизни позитрона в веществе в отношении двухквантовой аннигиляции по порядку величины близко 10-10 с. Аннигиляция нуклонных пар в свою очередь происходит в результате сильного ядерного взаимодействия с испусканием в основном -мезонов, которые в свою очередь распадаются на жесткие гамма-кванты, -мезоны и нейтрино (антинетрино), мезоны в свою очередь - на электрон (позитрон) и нейтрино либо антинейтрино. Среднее время жизни 0 - мезонов составляет величину порядка 10-16 с, а - мезонов – 2,5·10-8 с. Среднее время жизни - мезонов равно 2,2·10-6 с. Таким образом, как показывают расчеты [58], основными продуктами распада нуклон-антинуклонных пар являются гамма-кванты, электроны и позитроны, электронные и мезонные нейтрино и антинейтрино, а также электроны, остающиеся при распаде - мезонов. Заметим, что средняя энергия гамма-квантов от распада 0 - мезонов составляет величину 190 МэВ. Для того, чтобы иметь возможность создавать аннигиляционные двигатели необходимо в своем распоряжении иметь антиводород (либо позитрон-антиводородную плазму) и водород. Проблема снабжения водородом космических кораблей может быть в принципе решена посредством улавливания водорода в космическом межзвездном пространстве специально устроенными ловушками. Запас водорода на борту корабля необходим лишь во время его старта и в процессе торможения. Как же можно получить позитроны и антипротоны? Известно [58], что электроннопозитронные пары образуются в результате электромагнитного взаимодействия при действии жестких гамма-квантов на мишени, а антипротоны получаются в свою очередь при бомбардировке различных мишеней протонами с энергиями большими 5 ГэВ. Расчеты вероятностей образования электронно-позитронных пар и нуклон-антинуклонных пар приведены в [58]. Очень сложна проблема сбора и накопления античастиц. При 10 % сборе получаемых античастиц верхним пределом коэффициента преобразования затраченной энергии на производство античастиц является величина 10-5. Таким образом, аннигиляционное топливо очень дорого. Но здесь следует учесть одно важное обстоятельство. Аннигиляция представляет собой большой интерес как энергетический процесс, при котором выделяется максимальное количество энергии. Вся энергия покоя медленных аннигилирующих электронно-позитронных пар превращается в 9 аннигиляционные гамма-кванты, а при аннигиляции пары нуклонов – превращается в кинетическую энергию конечных продуктов распада. В плотной среде заряженные мезоны тормозятся до распада, при этом на нейтрино приходится 10 % энергии аннигиляции. Остальные 90 % можно в принципе использовать в энергетических установках того или иного типа. Отметим, что в наиболее эффективной ядерной реакции T(dn)He4 выделяется всего 0,3 % энергии покоя, то есть почти в 300 раз меньше. Поэтому, как отмечается в [58], использование антивещества как аннигиляционного топлива сокращает необходимые запасы приблизительно в отношении 1 кг вместо 1 тонны. Так как к.п.д. преобразования затраченной земной энергии составляет величину порядка 10-5, то для получения антивещества необходимы огромные затраты энергии, на которые человеческая цивилизация на современном этапе пойти не может.Иное дело будет в случае, если удасться овладеть энергией термоядерного синтеза. Тогда будет иметься практически неограниченное количество энергии, часть которого можно использовать на синтез антивещества (прежде всего антиводорода) в количествах, необходимых для путешествий в дальнем космосе и межзвездных перелетов. Конструкционное оформление аннигиляционных энргетических установок, методов хранения антивещества, сбора водорода в межзвездном пространстве и другие проблемы также, по-видимому, можно будет решить. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОЦЕНКИ КОЛИЧЕСТВА ВОДОРОДА (Н), КОТОРОЕ ВОЗМОЖНО УЛОВИТЬ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТАХ Исходные данные: 1) Концентрация атомов Н в межзвездном пространстве СН ~ 1 см-3; 2) время улавливания t ~ 1 год; 3)площадь створа улавливателя S ~ 108 cм2 = 104 м2; 4)Скорость V c = 3·1010 см/с. Количество Н, улавливаемого за год, равно NH = c·t·S = 3·1010 ·3,1·107· 108 = 9,3·1029 атомов Н. Количество же атомов Н в весовых единицах в свою очередь равно GH = 9,3·1029·1,67·10-24 = 1,55·106 г = 1,55 т. 2. ОЦЕНКИ МОЩНОСТИ АННИГИЛЯЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Предположим, что запас антиводорода на борту космическеого корабля составляет такую же величину GH 1,55T 1,55 10 6 г. Какое же максимальное количество энергии может выделиться при аннигиляции 1,55 т H и H ? W 2,8 10 20 дж. Мощность аннигиляционных двигателей N при равномерном расходовании этой энергии W в течение 1 года составит величину N W / t 2,8 10 20 3,1 10 7 9 1012 ватт, или в лошадиных силах N 9 1012 / 1,36 10 3 1,22 1010 л.с. 10 Список литературы 1. Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Сажин М.В. Космология ранней Вселенной. М.: Изд-во МГУ, 1988. 199 с. 2. Е.П.Светлов-Прокопьев. Особенности рождения ранних вселенных и позитронная аннигиляция // Вестник КазНУ, сер. Физ., 2003. Т.2(15). С.7-10. 3. Е.П.Светлов-Прокопьев. Возможная концепция Мирового Разума. Тезисы доклада. «Третья междисциплинарная (биология, медицина, физика, химия, математика, образование,…) конференция «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века» («НБИТТ-21»). 21-23 июня 2004 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2004. С.48. 4. Прокопьев Е.П. О концепции Мирового Разума. М., 1982. С.118 - Деп. в ЦНИИ “Электроника”. Р-3475. МРС ВИМИ “Техника, технология, экономика”. №8. 1983. Сер.”ЭР”. 5. Е.П.Светлов-Прокопьев. О проблемe физики и химии антивещества и возможности его синтеза. Тезисы доклада. «Третья междисциплинарная (биология, медицина, физика, химия, математика, образование,…) конференция «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века» («НБИТТ-21»). 21-23 июня 2004 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2004. С.49,50. 6. E.P.Svetlov-Prokop’ev. Problem of physics both chemistry of antimatter and possibility of its synthesis. Тезисы докладов VIII Всероссийской конференции с международным участием «Решетневские Чтения». 11-12 ноября 2004, г.Красноярск. Сиб ГАУ им. акад. М.Ф.Решетнева. Красноярск: СибГАУ, 2004. C.57. 7. М.В.Данилов // УФН, 1998, т.168, №6, с.439-448. 8. Л.Б.Окунь// УФН, 1998, т.168, №6, с.625-629. 9. A.L.Alikhanov, et al. In: Proceedings of the 1960 annualinternational conference on high energy physics at Rochester. (Interscience Publishers, NY, 1960) vol.1, p.539. 10. Vilenkin A. // Phys. Rev. D, 1986, v.33, p.3560 - 3567; 1988, v.37, p.888 - 894. 11. Hartle J.B., Hawking S. // Phys. Rev. D, 1983, v.28, p.2960 -2972. 12. Hosoya A., Morikawa M. // Phys. Rev. D, 1989, vol.39, p.1123.. 13. В.И.Графутин, Е.П.Прокопьев // УФН, 2002, т.172, №1, с.67-83 (http://www.prokopep.narod.ru). 14. Nagai H. // Progr. Theor. Phys. 1989, v.82, p.322-332. 15. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение - М.: Мир, 1990. 342 с. 16. А.Д.Сахаров // Письма ЖЭТФ, 1967, т.5, с.32. 17. A.D.Dolgov, In: Proceedings of 14 th Remcontres de Blois: Matter-Anti-matter Assymetry, Chateau de Blois, 17-22 Jun. 2002, hep-ph/0211260. 18. Л.Б.Окунь. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1973 19. А.Д.Линде. Физика элементарных частиц и космология. М.: Наука, 1976 20. Vilenkin A. // Phys. Rev. D, 1986, v.33, p.3560 - 3567; 1988, v.37, p.888 - 894. 21. Galaktionov Yu.V. // Repts. Prog. Phys., 2002, v.65, p.1243. 22. Plyaskin V. Phys. Lett. 2001, B516, p.213. 23. Зельдович Я.Б. // УФН, 1968, т.94, С.209. 24. Dolgov A.D., Zel’dovich Ya.B. // Rev. Mod. Phys. 1981, vol.53, p.1. 25. Linde A.D. // Phys/Rep. 2000, vol.333-334, p.575-591. 26. Dolgov A.D. Nucl. Phys. Proc. Suppl. 2001, vol.95, p.42-46. 27. Dolgov A.D. Phase transition during inflation and chemical ingomogenous universe. Preprint hep-ph/0106030. 28. Heinz S., Sunyaev R.A. //astro-ph/0204183. 29. AMS collab., Alkaraz J. // Phys. Rep. 2002, vol. 355/6, p.331. 30. А.Б.Мигдал. Фермионы и бозоны в сильных полях. М.: Наука, 1978. 31. Я.Б.Зельдович, В.С.Попов // УФН. 1971. Т.105. С.403. 32. Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев. Физика Плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979. 11 33. Е.П.Прокопьев. О возможности анигиляционных источников энергии. Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. 2003. №2. С.10-14. 34. Е.П.Прокопьев. Получение интенсивных потоков позитронов и их применение. Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. 2003. №2. С.17-19. 35. Е.П.Прокопьев. О проблеме использования антиводорода в космической технике будущего. Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. 2003. №2. С.15-16. (см. также http://www.prokopep.narod.ru). 36. Е.П.Прокопьев. Возможность получения энергии и антивещества при низких энергиях: вероятный физический механизм самоорганизации при ядерном синтезе, трансформации элементов и синтезе антивещества. Оборонный комплекс - научнотехническомк прогрессу России. №3. С.39,40. 37. Е.П.Прокопьев. О возможности получения антивещества при низких энергиях: вероятный физический механизм самоорганизация при ядерном (термоядерном) синтезе и синтезе антивещества. Abstracts of 4-th International Conference. NUCLEAR AND RADIATION PHYSICS (ICNRP ’03). 15-17 September 2003. Almaty: Institute of Nuclear Physics, Republic of Kazakstan, 2003. C.144. 38. Е.П.Прокопьев. О возможности исследования технологий природных процессов с целью их практического использования (для разработки новых процессов). Abstracts International conference «Organization of Structure in Open Systems». Тезисы докладов шестой международной конференции. Almaty, October, 21-24, 2002. C.85. 39. E.P.Svetlov-Prokop’ev. Possible synergetic approaches to problems of materials and science (report). Abstracts of International Silk Road Conference “Quantum theory, partial differential equations of mathematical physics and their application”. Tashkent, Uzbekistan, September 30 – October 3, 2003. P.64,65. 40. Е.П.Светлов-Прокопьев. Обзор о рождении Вселенной посредством квантового туннелирования. Тезисы доклада 3-й Международной конференции «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование». Казахстан, Алматы, 1-3 октября 2003 г. С.105. 41. Е.П.Светлов-Прокопьев. О проблемe физики и химии антивещества и возможности его синтеза. Тезисы доклада. «Третья междисциплинарная (биология, медицина, физика, химия, математика, образование,…) конференция «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века» («НБИТТ-21»). 21-23 июня 2004 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2004. С.49,50. 42. Прокопьев Е.П. Общие принципы взаимодействия вещества и антивещества. Нерелятивистская теория. М., 1990. 8 с. - Деп. в ЦНИИ “Электроника”. Р-5313. Электронная техника. Сер.11. 1990. Вып.2. С.6. 43. Прокопьев Е.П. О взаимодействии вещества и антивещества. Системы p -Н, р- H и Н- H . Приложения в электронике // Электронная техника. Сер.3. Микроэлектроника. 1992. Вып.4. С.65-68. 44. Арифов П.У., Арутюнов Н.Ю., Прокопьев Е.П. и др. Квантовые свойства атомов и ионов и позитронная диагностика. Ташкент: ФАН, 1975. 242 с. 45. Арефьев К.П., Арифов П.У., Прокопьев Е.П. и др. Позитронсодержащие системы и позитронная диагностика. Ташкент: ФАН, 1978. 192 с. 46. Светлов-Прокопьев Е.П. Проблема физики и химии антивещества и возможности его синтеза. Тезисы докладов 54 Международного Совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО-2004) 22-26 июня 2004. Россия, Белгород. БелгорГУ. 2004. C. 264, 265. 47. Galaktionov Yu.G. Antimatter in cosmic rays // Rep. Prog. Phys. 2002. Vol.65. P.1243-1270. 48. Пляскин В.В. Исследование космических лучей на Международной Космической Станции с помощью детектора АМС // Препринт ИТЭФ. 2004. 12 49. В.П.Олейник, Ю.Д.Арепьев. К теории ядерных реакций при низких энергиях: физический механизм реакций // Физика сознания и жизни, космология и астрофизика. 2001. №4. С.30-43. 50. Е.П.Прокопьев. Позитронная астрофизика и позитронные состояния в галактической среде с низкой плотностью // Астрономический журнал. 1994. Т.70. №3. С.906-908. 51. E.P.Prokop’ev. Positron annihilation and positron states in galactic medium with low density // Abstracts of 10 th International Conference on positron annihilation. Beijing, China, May 23-29, 1994. C24-2. 52. Е.П.Светлов-Прокопьев. Вероятный физический механизм самоорганизации при ядерном синтезе и синтезе антивещества при низких энергиях. Тезисы доклада. «Вторая междисциплинарная (биология, медицина, физика, химия…) конференция, посвященная 300-летию г.Петрозаводска «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века» («НБИТТ-21»). 23-25 июня 2003 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2003. С.51. 53. Е.П.Светлов-Прокопьев. О рождении антиматерии при столкновениях атомных ядер с Z>85 в «тяжелой» высокотемпературной плазме и возможная схема аннигиляционного двигателя. Тезисы доклада. «Вторая междисциплинарная (биология, медицина, физика, химия…) конференция, посвященная 300-летию г.Петрозаводска «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века» («НБИТТ-21»). 23-25 июня 2003 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2003. С.50,51. 54. Е.П.Прокопьев. О роли исследования позитронных и позитрониевых состояний в науке и технике // В кн.: “Cимпозиум по взаимодействию атомных частиц с поверхностью твердого тела, посвященного памяти академика АН УзССР У.А.Арифова”. Ташкент : ФАН, 1979. С.113. 55. K.Линн, Н.Лутц // Приборы для научных исследований. 1980. №7. С.119. 56. Р.Стейн, Л.Каупилла, Г.Реллиг. Приборы для научных исследований. 1974. №7. С.86. 57. Л.Каупилла и др. // Приборы для научных исследований. 1977. №7. С.104. 58. Н.А.Власов. Антивещество. М.: Атомиздат. 1968. 59. B.M.Lambrecht. Antimatter interactions. Brookhaven Nat. Lab. BNL 50510, 1975. 60. V.S.Letokhov. Phys. Letters. 1974. Vol.49A. P.275. 61. M.Bertolatti, C.Sibilla. Appl. Phys. 1979. Vol.19. P.127. 62. B.R.Junker, J.N.Bardsley. Phys. Rev. Letters // 1972. Vol.28. P.1227. 63. W.Kolos, D.L.Morgan, D.Schrader, H.Wolniewicz // Phys. Rev. 1976. Vol.A11. P.1792. 13
