Научное Обоснование: Могут Ли Виртуальные Частицы Антиматерии Теоретически Быть Извлечены Из Квантового Потока?

Мне было интересно, можно ли использовать вакуум, созданный внутри определенного материала в форме сферы, для сбора антиматерии из виртуальных частиц? Теоретически в вакууме могли бы образоваться виртуальные частицы; Существует ли материал, который можно было бы использовать, чтобы притянуть к себе электрон, в то время как он отталкивает антиматерию и направляет ее в центр сферы, где он не может вступить в контакт с материей и быть уничтоженным?

#научно обоснованная #внутренняя согласованность #антивещество

Я мог бы на самом деле дать второй ответ, впервые за всю историю.

Это было высказано предположение (или это Новый учёный статье в статье), что лазерный импульс достаточной мощности будет иметь достаточно сильный электрический поле для разделения виртуальных пар частица-античастица в квантовом вакууме, подобно тому, как черная дыра имеет достаточно сильное гравитационный поле, чтобы выполнить тот же трюк.

Теория предполагает, что как только ваш лазер достигнет примерно 5*10²⁵Вт/см² (при напряженности электрического поля ~1,32*10¹⁴В/см) мощность импульса будет быстро истощаться, и вы получите спрей пар электронов/позитронов, которые затем можно будет собирать и хранить с помощью более традиционных электромагнитных методов. Это также означает, что вы, вероятно, не сможете получить из системы ничего большего, чем электрон или позитрон, из-за проблем с выработкой еще большей энергии без ее истощения в результате генерации электрон-позитронов. Обратите также внимание, что таким способом вы также не сможете создать пары нейтрон-антинейтрон, в отличие от способа черной дыры, но это не обязательно плохо.

Хотя производство частиц будет технически Более эффективный, чем более скучные методы генерации позитронов старой школы, явные трудности создания такого невероятно мощного лазера и неэффективность эксплуатации этого лазера, вероятно, сделают этот процесс неэкономичным.

Итак, вот и все. Оказывается, ты может иметь возможность использовать электрические поля для разделения пар частиц/античастиц, но напряженность поля настолько велика, что это может быть слишком неудобно, дорого и неэффективно, чтобы окупиться. По крайней мере, это будет проще и безопаснее, чем создание черной дыры весом в миллион тонн.

Единственным известным средством разделения компонентов образующихся повсюду виртуальных пар является горизонт событий черной дыры в соответствии с механизмом, известным как Излучение Хокинга

Излучение Хокинга — это излучение черного тела, которое, по прогнозам, будет испускаться черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий. [...] Хокинг показал, что квантовые эффекты позволяют черным дырам излучать точное излучение черного тела. Электромагнитное излучение создается так, как будто оно испускается черным телом с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Физическое понимание этого процесса можно получить, если представить, что излучение частиц-античастиц испускается сразу за горизонтом событий. Это излучение не исходит непосредственно от самой черной дыры, а скорее является результатом того, что виртуальные частицы «ускоряются» гравитацией черной дыры и превращаются в настоящие частицы.

Черные дыры совершенно непрактичны, поскольку было показано, что они уничтожают любого наблюдателя, рискнувшего приблизиться к ним слишком близко.

В качестве дополнительного замечания, группировка заряженных частиц в одной точке невозможна: электростатическое отталкивание быстро распространит частицы вокруг, с легко предсказуемыми последствиями в случае антиматерии.

Л.Датч в целом прав, но я расширю их ответ, поскольку есть несколько важных деталей, которые должен знать каждый, кто надеется добыть антиматерию таким способом. Обратите внимание, что здесь задействованы математика и физика, а я ни в том, ни в другом не силен. Отнеситесь к приведенным ниже цифрам с небольшой щепоткой соли.

ТЛ;ДР: вам нужно будет создать свою собственную черную дыру, вы не сможете получить больше материала из квантового вакуума, чем общая масса, с которой началась черная дыра, вы можете извлекать материал только так быстро, как испаряется черная дыра (что либо очень медленно или очень опасно быстро), и большая часть выходящего вещества будет в форме гамма-лучей, нестабильных и нейтральных частиц и кинетической энергии вещества, которое вы делать хотеть, что затрудняет его поимку. В общем, очень сложно.

Энергия (или температура, если хотите) излучения Хокинга, исходящего из испаряющейся черной дыры, связана с ее массой. Чем массивнее черная дыра, тем холоднее ее излучение. Это важно, потому что из черной дыры не могут быть выброшены частицы, энергия покоя которых превышает энергию излучения Хокинга.

Это имеет ряд важных побочных эффектов.

Температура черной дыры связана с ее массой этим красивым и простым уравнением (из уравнения страница википедии):

$$T = \frac{\hbar\,c^3}{\,8\,\pi\,G\,k_\text{B}\,M\,}$$

где $ħ$ — приведенная постоянная Планка, $c$ — $k_\text{B}$ — постоянная Больцмана, $G$ — гравитационная постоянная, $M$ — масса черной дыры. Вы можете упростить его до $T \approx \frac{1.227\times10^{23}}{M}$.

Остаточная энергия электрона или позитрона составляет 510КэВ, а для протона или антипротона около 932МэВ при эквивалентных температурах 6*10.⁹K (горячее, чем в центре Солнца и в наших самых горячих проектах термоядерных реакторов) и 10¹³К соответственно. Аппаратура для захвата вылетающих частиц, которые будут выходить во всех направлениях, должна полностью охватить черную дыру и выжить в этой довольно враждебной среде.

Как только ваша черная дыра достигнет этих температур, она начнет выбрасывать множество соответствующих видов частиц материи и антиматерии... вы получите некоторые из них при более низких температурах, но это не совсем так. хлестать вне. Так, черная дыра массой около 20 миллиардов тонн будет выбрасывать вещи не тяжелее электрона, а черная дыра массой около 11 миллионов тонн — вещи не тяжелее антипротона, но что это такое? делает выплевывание будет включать в себя электроны и позитроны, а также протоны и антипротоны, а также целый суп из других частиц и ЭМ-излучения (много гамма-лучей), большая часть которых вам не понадобится. Многие из этих частиц будут нейтральными, поэтому вы не сможете их поймать. Пятьдесят процентов вылетевших нейтральных частиц будут античастицы, и вылетающие антинейтроны будут бурно реагировать с вашими механизмами захвата. Многие другие частицы будут нестабильными и распадутся на самые разные вещества, но в основном на гамма-лучи (которые еще больше обожгут ваше оборудование) и нейтрино (которые, с вашей точки зрения, являются пустой тратой массы).

Следующий важный факт заключается в том, что черные дыры со временем испаряются, поскольку их масса-энергия уносится излучением Хокинга. Время испарения черной дыры массы $M_0$ определяется выражением

$$t_\mathrm{ev} \около 8,41092 \times 10^{-17} \;M_0^3$$

На самом деле вам не нужно беспокоиться о том, что эти черные дыры, испускающие электроны или протоны, испарится в ближайшее время... более легкой и горячей дыре, испускающей протоны, потребуется более миллиона лет, чтобы испариться. Черная дыра, выбрасывающая протоны сейчас на момент рождения Вселенной была бы меньше звездной массы, что поднимает вопрос интересные вопросы о том, как эта дыра образовалась вообще. Таких вещей никто не заметил... это не значит, что их не существует, но, скорее всего, вам придется сделать это самостоятельно из обычной материи. Удачи!

Но вот что важно: больше вещей вы не получите. вне через излучение Хокинга, чем вы положили в. На самом деле, то, что вы делаете, — это преобразование миллионов или миллиардов тонн обычной материи в энергию и смеси частиц и античастиц в соотношении 50/50 с помощью черной дыры. Хотя вы могли бы технически Если вы будете собирать эти частицы из квантового вакуума, вы не сможете получить даже больше, чем масса, которую вы вложили с самого начала. Итак, вот и все. Поэтому ответ на ваш вопрос: «Да, вроде как».

Есть один финальный (вероятно) вещь, которую следует собрать из всего вышеперечисленного... если вы не можете вытащить больше, чем вложили, и вы не можете вытащить это быстрее, чем дыра испарится, и черная дыра массой 11 миллионов тонн заберет почти 4 миллиона лет для испарения, ваш средний выход будет составлять несколько тонн эквивалента массовой энергии каждый год (менее десятой доли грамма в секунду). Более легкие дырки испаряются быстрее, так что будет ниже чем это для начала. Насколько низко?

Итак, начальная мощность, генерируемая черной дырой массы $M_0$, определяется выражением

$$P \приблизительно 3,56345\times 10^{32}(1/M_0)^2$$

что для дырки, производящей электроны, составляет всего 830 кВт, что эквивалентно примерно 10¹⁹ электронов в секунду. Дыра, производящая протоны, имеет гораздо более высокую начальную мощность — 2,77 ТВт, что эквивалентно примерно 10²² протонов в секунду. Это примерно третий средней урожайности... около 3 сотых грамма в секунду. Из смеси частиц, античастиц и вещей, которые вам не нужны. Предполагая 100% производство желаемых частиц (чего не произойдет... вы получите там всякую всячину и много ЭМ-излучения). При первоначальном вкладе в несколько десятков миллиардов тонн, если вы сможете создать черную дыру, не теряя при этом никакой массы. Начинает звучать так, будто создание роя Дайсона — это разумно и легко альтернатива, и такое нечасто скажешь.

Если вы увеличите начальную выходную мощность черной дыры до нескольких петаватт (эффективная температура 2*10¹⁴К), вы будете получать тонну эквивалента материи и энергии каждый день. Черная дыра массой всего полмиллиона тонн обеспечит такую ​​мощность. Оно испарится чуть более чем через 500 лет и каждый день будет выделять немного больше энергии и, следовательно, немного больше материи. В конце концов ваше оборудование расплавится, и через некоторое время дыра впечатляюще взорвется, выпустив около миллиона мегатонн в эквиваленте, когда оно наконец испарится. Вы могли бы подумать, что можете предотвратить это, вытолкнув массу и энергию обратно в дыру... только а) туда приходит много радиации вне дыры, в которую будет трудно что-либо засунуть, и б) и 10^-19м в поперечнике, это довольно маленькая цель для поражения. Честно говоря, весь план выглядит как большое «не делай этого».