Почему на самом деле материя и антиматерия аннигилируют друг с другом?

Полагаю, что если вы интересуетесь популярной наукой и знаете основы физики, то у вас есть представление и о поведении материи с антиматерией при их встрече. Эти сущности аннигилируют. Но почему тогда обычные объекты так себя не ведут? Что там такое происходит и из-за чего результат именно такой?

Ведь если мы, скажем так, возьмем любые физические макротела и сообщим им положительный или отрицательный заряды, то они не будут вдруг пропадать при их встрече. Более того не будет всяких красивых выбросов энергии или чего-то такого. Они просто обменяются зарядами. А вот материи с разными знаками становятся небытием с фотоном.

Всё дело в структуре и устройстве этих объектов. Дело в том, что макроскопические объекты заряжаются из-за избытка или недостатка электронов. При контакте положительно заряженного и отрицательно заряженного объектов последний может передать электроны первому, нейтрализуя заряд.

Если же электрон и позитрон (то есть базовые частицы «представители» обычной и антиматерии) сталкиваются друг с другом, то всё обстоит совсем иначе. Они не могут разрядиться. Электрон невозможно лишить заряда, а нейтральных электронов не существует. Лишить заряда такую частицу — это примерно как лишить камень массы, потому аналогии с макротелами и обычными их зарядами не могут работать.

Впрочем, две частицы могут просто упруго рассеяться (то есть электрон и позитрон входят в частицу, а затем электрон и позитрон выходят), или же они могут аннигилировать, давая два фотона. Но первое обстоятельство нам не интересно.

Почему же они вообще физически аннигилируют? Как работает механизм?

На самом деле тут всё не так сложно. Это обычный физический процесс, который мало похож на странное поведение аннигиляции в фантастических фильмах. Это не совсем похоже на пропадание физического тела без следа, но и мало связано с прыжком во времени машины Дока Брауна с сопутствующими эффектами.

Электроны и позитроны могут аннигилировать, потому что и те, и другие взаимодействуют с фотонами. Процесс аннигиляции происходит по схеме Фейнмана, которую легко найти для этого процесса. Главный ваш вопрос тут будет — а откуда тогда взялись фотоны? Что же, опять мы имеем проблему «яйцо или курица». По факту источники описывают это как работу электромагнитного поля. Электрон и позитрон взаимодействуют с полем, а в результате получаются фотоны, которые начинают инициировать дальнейший процесс.

Лучше бы тут говорить, что конфигурация «электрон + позитрон» перестраивается в конфигурацию «два фотона». Саму же аннигиляцию в итоге нужно будет объяснять примерно как — ну вот так оно работает. Мы доходим до перекрытия двух полей и этот процесс выглядит как аннигиляция.

Поскольку этот процесс разрешён, он будет происходить с некоторой ненулевой частотой. И да, сталкивающиеся электрон и позитрон не обязательно аннигилируют. Они могут просто упруго рассеиваться. Для этого процесса существует ещё одна диаграмма Фейнмана.

Любая заряженная частица может заменить электрон в приведённых выше диаграммах Фейнмана, поскольку любая заряженная частица может взаимодействовать с фотоном практически одинаково. Таким образом, все заряженные частицы могут либо аннигилировать, либо упруго рассеиваться со своими античастицами. (На деле возможны и другие реакции.)

Если же поместить в ящик равное количество электронов и позитронов, вскоре останутся только фотоны. Некоторые пары могут упруго сталкиваться, но в конечном итоге все электроны и позитроны аннигилируют. Это происходит, по сути, работает так из-за энтропии.

Именно через энтропию определяется направление множества процессов в природе. Переход из менее вероятного состояния в более вероятное во многом определяет поведение любой системы. Также это работает и тут.

Фотоны имеют меньшую массу, чем электроны (фактически, они безмассовые, хотя в таблицах масса и указана), поэтому при заданной энергии их импульсы больше. Чем больше импульс, тем больше объём фазового пространства, поэтому ящик с фотонами имеет более высокую энтропию, чем ящик с электронами и позитронами той же полной энергии. По сути системе выгоднее аннигилировать.