Электромагнитные волны, антивещество, аннигиляция

[Профессор Снэйп]

У меня несколько дилетантских вопросов.

1) Антифотон --- он полностью идентичен обычному фотону? Или всё же разница есть? Вот если посмотреть на фотон как на кусочек электромагнитной волны и взять базис в $\mathbb{R}^3$, состоящий из следующей (упорядоченной) тройки векторов: направление полёта фотона, вектор электрического поля, вектор магнитного поля... У этого базиса ориентация будет такая же, как у базиса, задаваемого стандартным фотоном, или противоположная? Я в популярной литературе встречал утверждение, что антимир --- это обычный мир, отражённый в зеркале (с учётом того, что при "отражении" заряды меняют знак на противоположный). С другой стороны, в другом месте я читал, что антифотон полностью идентичен фотону. Мне кажется, эти два утверждения противоречат друг другу, разница в ориентации описанного базиса.

2) Как вообще происходит аннигниляция вещества и антивещества при столкновении? Вот, допустим, "столкнулись" частица и античастица... Но ведь "столкнулись" в отношении к, скажем, бильярдным шарам, вовсе не означает, что частицы того и другого шара прямо-таки "соприкоснулись": означает оно, что шары сблизились настолько, что электрическое отталкивание электронных оболочек атомов в разных шарах победило инерцию и сближавшиеся в "предшествующий момент" шары поменяли скорости, начав разлетаться. А как у элементарных частиц, в каком смысле они "сталкиваются"?

3) Аннигилирует произвольная пара "частица вещества-частица антивещества" или частица может аннигилировать лишь с того же сорта античастицей? К примеру, будет ли позитрон аннигилировать с протоном или он может аннигилировать только с электроном?

4) Почему вообще имеет место быть аннигиляция, откуда она берётся. Почему материя и антиматерия "не терпят" друг друга? Что за этим стоит?

5) Насколько осмысленна и справедлива гипотеза о том, что античастицы движутся "в обратную сторону" во времени. Дескать, если изолировать античеловека на борту корабля из антивещества и подождать какое-то время, то потом, пролетая мимо, можно будет увидеть сквозь иллюминатор, что античеловек помолодел. Хотя ему будет казаться, что он стареет и что "первая" для вас "встреча" у него была второй, а вторая --- первой?

6) Если столкнутся частица и античастица на большой скорости, то выделенная энергия будет больше, чем если бы они перед этим летели навстречу друг другу медленно? Или такая же? С одной стороны, кинетическая энергия пары должна куда-то деваться. А с другой стороны, бывает антиматерия, но не бывает "антиэнергии", и если масса аннигилировала, то энергия "аннигилировать" вроде не должна.

7) Бомба из антивещества --- это теоретически наиболее мощная бомба или можно придумать мощнее?

8) Каковы последствия аннигиляции одного грамма антивещества на полигоне в пустыне. Те же, что после атомного взрыва, или другие? К примеру, радиация, радиоактивное заражение местности --- это всё будет или нет?

9) Как можно получать антивещество? При помощи каких процессов, опираясь на какие законы можно было бы построить реактор, в котором бы происходил синтез антиматерии?

Заранее спасибо за доброжелательные ответы на вопросы дилетанта. Мой друг пишет фантастический рассказ и обратился ко мне с этими вопросами. А я, увы, математик. Он сказал, что про машину Тьюринга напишет потом, а пока про антивещество писать будет

[AlexDem]

Судя по вопросам 7 - 9 Ваш друг готовит заговор :)
Поэтому физики боятся Вам помогать... Здесь пишут, что "Полная аннигиляция грамма антипротонов (а это огромное количество!) с граммом протонов выдаст на-гора около 43 кт - мощность не особенно большой атомной бомбы".

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

1) Антифотон --- он полностью идентичен обычному фотону?

Сдвиг фаз вызывает только разную поляризацию (в классической физике). А в квантовой - почти то же самое, только дискретно. Более детально, видимо, у специалистов лучше спросить, которые пока отмалчиваются. А то мне и самому пришлось разбираться, а вопрос вроде не такой простой, как кажется (если рассмотреть аннигиляцию частиц обратно во времени, то вроде и получается аннигиляция фотонов в частицы, хотя я не уверен).

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

2) Как вообще происходит аннигниляция вещества и антивещества при столкновении?

Вряд ли здесь существует точный ответ, если только теоретический в КЭД - там вроде аннигиляция сводится к простому столкновению электрона и фотона, летящих навстречу во времени, а потом разлетающихся обратно. А вообще - если за ними наблюдать, то они ведут себя иначе :)

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

3) Аннигилирует произвольная пара "частица вещества-частица антивещества"

Должны соблюдаться законы сохранения зарядов. А поскольку мы не наблюдаем частицы непосредственно, ничто не мешает им в подходящих условиях распасться на симметричные пары, которые проаннигилируют и кое-что останется на выходе. Вот, например, здесь пишут: "экспериментальные исследования показывают, что аннигиляция низкоэнергетических протонов и антипротонов идёт с образованием 4-5 пи-мезонов". Это всё-таки не фотоны. Хотя, опять же, про суть аннигиляции я бы тоже кого-нибудь послушал. Может, результирующие частицы от типа поля зависят?..

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

4) Почему вообще имеет место быть аннигиляция, откуда она берётся. Почему материя и антиматерия "не терпят" друг друга? Что за этим стоит?

Вот интересно, а зачем математики придумали группы с обратными элементами?

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

5) Насколько осмысленна и справедлива гипотеза о том, что античастицы движутся "в обратную сторону" во времени. Дескать, если изолировать античеловека на борту корабля из антивещества и подождать какое-то время, то потом, пролетая мимо, можно будет увидеть сквозь иллюминатор, что античеловек помолодел. Хотя ему будет казаться, что он стареет и что "первая" для вас "встреча" у него была второй, а вторая --- первой?

Если бы мы описывали замкнутую систему, то такие умозаключения были бы возможны, а в открытой - нет (чтобы потренироваться, предлагаю Вам рассмотреть кошку Шрёдингера). Раз мы с ним сигналами обмениваемся, то замкнутой системой он не является, поэтому КМ его последовательно вообще описать не может. Так что с нашей позиции он будет обычной классической системой и рассказать нам о нашем будущем ничего не сможет. Вроде так.

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

6) Если столкнутся частица и античастица на большой скорости, то выделенная энергия будет больше, чем если бы они перед этим летели навстречу друг другу медленно?

Больше, если аннигиляция произойдёт. В центре масс системы энергия постоянна и никуда деться не может.

[Профессор Снэйп]

Спасибо за ответ!

Всё равно не понятно, что такое "столкновение частиц". И какова вероятность столкновения? Вот, к примеру, в одном кубометре летают электрон и позитрон, отражаясь от стенок (последнее неважно как :) ) Какова вероятность, что они столкнутся и аннигилируют?

И ещё: не может ли случится так, что антиматерия обладает отрицательной гравитацией? Хотя вряд ли...

И вот такой дурацкий вопрос: что делает частицу античастицей? К примеру, нейтрон и антинейтрон. У них заряды нулевые. Насколько я понял, антинейтрон будет аннигилировать с протоном, а нейтрон не будет. Что общего у нейтрона и протона, что отличает их от антинейтрона? Какое качество частицы позволяет добавлять к ней приставку "анти"?

[Padawan]

Профессор Снэйп
Есть много всяких зарядов, кроме электрического. А у фотона все заряды нулевые, антифотон = фотон.

[venco]

Я не специалист, но мнение имею. ;)

Профессор Снэйп в сообщении #308302 писал(а):

И ещё: не может ли случится так, что антиматерия обладает отрицательной гравитацией? Хотя вряд ли...

Напрямую гравитацию анти-вещества измерить пока не представляется возможным, но такая ситуация приводит к парадоксам, так что гравитация должна быть такой-же.

Профессор Снэйп в сообщении #308302 писал(а):

И вот такой дурацкий вопрос: что делает частицу античастицей? К примеру, нейтрон и антинейтрон. У них заряды нулевые. Насколько я понял, антинейтрон будет аннигилировать с протоном, а нейтрон не будет. Что общего у нейтрона и протона, что отличает их от антинейтрона? Какое качество частицы позволяет добавлять к ней приставку "анти"?

И протон, и нейтрон состоят из кварков (+глюоны). Протон - uup, нейтрон - upp. Аннигилируют сами кварки. В случае с протоном и нейтроном анти-кварков нет, аннигилировать нечему.

[BISHA]

Профессор Снэйп в сообщении #308302 писал(а):

что делает частицу античастицей

Это наш договор. Антипротон по всем характеристикам совпадает с протоном, но имеет другой электрический заряд. Из протонов построен наш мир, а антипротоны встречаются в космических лучах или их получают "перезаряжая" протоны. У античастиц имеется измененная одна из характеристик- заряд, спиральность, цвет, ....

Профессор Снэйп в сообщении #308302 писал(а):

Что общего у нейтрона и протона

При распаде свободный нейтрон (период - 13 мин) превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

Если столкнутся частица и античастица на большой скорости, то выделенная энергия будет больше, чем если бы они перед этим летели навстречу друг другу медленно? Или такая же?

Пока опровержения законов сохранения энергии и импульса в микромире не получено.

Профессор Снэйп в сообщении #307745 писал(а):

Мой друг пишет фантастический рассказ и обратился ко мне с этими вопросами.

Ответы есть в любой популярной литературе и в интернете. А специалисты - работают и у них нет времени ходить сюда.

[AlexDem]

Профессор Снэйп в сообщении #308302 писал(а):

Всё равно не понятно, что такое "столкновение частиц". И какова вероятность столкновения?

А вот есть такая S-матрица рассеяния, она и определяет вероятности тех или иных событий. Есть вход, эта матрица позволяет получить вероятности различных исходов, а что происходит в процессе - всё равно. Какое-то представление о том, кто с чем и чем там обменивается при взаимодействии дают только диаграммы Фейнмана, которые я имел в виду, говоря про КЭД, но эти наглядные представления не всегда применимы (только там, где применима теория возмущений), вот:

Цитата:

Ещё одна тенденция: причина затруднений усматривается в том, что современная теория пытается излишне детализировать описание явлений в микромире. Подобно тому, как при переходе от классической механики к квантовой теряют смысл такие классические представления, как траектория частицы, прослеживание её координаты во все чередующиеся моменты времени, невозможно (и неправильно) пытаться описать в принятых понятиях детальную картину эволюции поля во времени — можно лишь ставить вопрос о вероятности перехода из начальных состояний поля, когда взаимодействие ещё не началось, в конечные состояния, когда оно уже закончилось.

Частица в некотором смысле существует везде, как и поле, а частица - просто квант его возмущения. Так, наверное, будет понятней. Причём с помощью фурье-преобразования мы можем перейти к эквивалентному частотному описанию, там координат вообще нет. Поэтому в художественном плане их можно воспринимать как нашу иллюзию.