Аннигилятор — устройство в фантастике и физике¶

Аннигилятор — обобщающее название устройства, принцип действия которого основан на аннигиляции вещества и антивещества, то есть на взаимном уничтожении частиц и антивещества с освобождением энергии. Термин широко используется в научной фантастике (в первую очередь в франшизах «Звёздный путь» и «Warhammer 40 000»), а также встречается в физической литературе в применении к установкам, в которых управляемая аннигиляция служит источником энергии.

¶Физическая основа

При аннигиляции электрона и позитрона (антиэлектрона) масса обеих частиц полностью преобразуется в энергию согласно формуле Эйнштейна $E = mc^2$. В отличие от ядерного синтеза и распада, где в энергию переходит лишь малая доля массы (обычно менее 1 %), при аннигиляции выделяется вся массовая энергия, что делает этот процесс теоретически наиболее плотным источником энергии из известных.

Продуктом аннигиляции электрона и позитрона, как правило, становятся два гамма-кванта с энергией по 511 кев каждый. Аннигиляция более массивных частиц (например, протонов и антипротонов) даёт сложный каскад из мезонов, которые затем распадаются на стабильные частицы и излучение.

¶КПД аннигиляции

Теоретический энергетический выход аннигиляции в 1000 раз превышает выход энергии на единицу массы при ядерном синтезе и примерно в миллион раз — при химическом сгорании. На практике полный захват освобождающейся энергии технически затруднён: гамма-излучение трудно преобразовать в полезную работу, а цепные реакции с участием антивещества крайне нестабильны.

¶Аннигилятор в научной фантастике

¶«Звёздный путь»

Во вселенной «Звёздного пути» (Star Trek) аннигилятор (англ. annihilator) — гипотетическое оружие или силовое устройство, использующее антивещество. Наиболее известный классический пример — варп-двигатель звездолёта, работающий на аннигиляции водорода и антиводорода. Термин «аннигилятор» также встречается в ранних эпизодах и расширенной вселенной франшизы для обозначения оружия, поражающего цель потоком антивещества.

¶«Warhammer 40 000»

В настольной игре и вселенной Warhammer 40 000 аннигилятор (annihilator) — тяжёлая осадная пушка, стреляющая снарядами, содержащими антивещество. Классический пример — лазган-аннигилятор лордов-технологов Адептус Механикус, а также титаны класса «Варн» и «Немезис». Принцип: снаряд с антивеществом сталкивается с веществом цели и аннигилирует, вызывая мощный взрыв.

¶Другая фантастика

Термин «аннигилятор» встречается в романах и рассказах писателей-фантастов для обозначения оружия, основанного на аннигиляции. В русскоязычной фантастике аналогичные устройства часто описываются как «генераторы антивещества» или «антибомбы».

¶Реальные исследования

¶Аннигиляционный ракетный двигатель

В 1990-е годы NASA и частные исследовательские группы изучали концепцию аннигиляционного ракетного двигателя (PBAR, Positron-Based Annihilation Rocket). Идея: использовать позитроны (антиэлектроны) в качестве рабочего тела. Основная проблема — хранение антивещества: позитроны необходимо удерживать в ловушках Пенниинга или в криогенных ловушках, а объёмы синтезированного антивещества на Земле измеряются нанограммами.

¶Циклотронные ловушки и аннигиляционные источники гамма-излучения

В медицинской физике установки аннигиляции электрон-позитронных пар используются в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Аннигиляционные гамма-кванты (511 кев) регистрируются детекторами и позволяют построить изображение распределения радиофармпрепарата в организме.

¶Хранение антивещества

В ЦЕРН с 2010-х годов ведутся работы по длительному хранению антиводорода в установке ALPHA. В 2011 году антиводород удерживался более 1000 секунд. В 2018 году ЦЕРН запустил проект ELENA (Extra Low Energy Antiproton decelerator) для производства медленных антипротонов, пригодных для более эффективного хранения.

¶Проблемы создания реального аннигилятора

¶См. также

• Антивещество
• Аннигиляция
• Позитронно-эмиссионная томография
• Варп-двигатель

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Курс теоретической физики. Т. 3. Квантовая механика
• Фейнман Р. Лекции по физике. Т. 1
• Справочник по физике (CRC Handbook of Chemistry and Physics)
• Star Trek Technical Manual (F. Richard Nelson)
• Warhammer 40,000 Codex: Adeptus Mechanicus