Żyjemy we wszechświecie, w którym jest dużo materii i, ogólnie rzecz biorąc, w ogóle nie ma antymaterii. Dwóch naszych czytelników chce wiedzieć, czym jest antymateria, a fizyk udziela im odpowiedzi na to pytanie.
Antymateria. Od tego słowa tchną fascynujące książki i filmy, w których złoczyńcy dostają się do materiałów wybuchowych z antymaterii lub statki kosmiczne podróżują na takim paliwie.
Ale co to za substancja - czym w istocie jest antymateria?
Czytelnicy Wiedenskuba bardzo chcieliby to wiedzieć. Przeczytali kilka z wielu artykułów, które opublikowaliśmy na temat eksperymentów fizyków z antymaterią, ale chcieliby dowiedzieć się więcej.
Po pierwsze, musimy wyjaśnić, że antymaterii fizyków nie należy mylić z tymi przeciwciałami, które są nam znane z biologii i medycyny. Tam przeciwciała (zwane również immunoglobulinami) to specjalne związki białkowe, będące częścią obrony organizmu przed chorobami. Mogą wiązać się z obcymi cząsteczkami, chroniąc w ten sposób organizm przed mikroorganizmami i wirusami.
Ale tutaj nie będziemy o nich rozmawiać. Skontaktowaliśmy się z naukowcem ze świata fizyki: Nikolaj Zinner, wykładowca na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Aarhus, z przyjemnością opowie nam o antymaterii.
Substancja o przeciwnym ładunku
Film promocyjny:
„Wszystkie te cząstki, które, jak wiemy, są w naturze, wszystko, z czego składa się nasz świat, istnieją w wariantach o przeciwnym ładunku. To jest antymateria”- mówi Nikolai Sinner.
„Antymateria wygląda dokładnie tak samo i ma taką samą masę jak zwykła materia, ale ma dokładnie odwrotny ładunek. Na przykład dodatnio naładowane pozytony mają ujemnie naładowane elektrony. Pozytrony są antycząstkami elektronów."
Nie ma więc nic zasadniczo niezwykłego w antymaterii. To po prostu substancja o ładunku przeciwnym w stosunku do substancji w środowisku, w którym zwykle się znajdujemy. Ale dlaczego jest go tak mało, jest tylko tajemnicą i wrócimy do tego później.
„W życiu codziennym nie mamy do czynienia z antymaterią, ale występuje ona w wielu sytuacjach, np. Podczas rozpadu radioaktywnego, pod wpływem promieniowania kosmicznego oraz w akceleratorach. Po prostu znika bardzo szybko. Gdy pozyton napotyka elektron, powstaje czysta energia w postaci dwóch wysokoenergetycznych cząstek światła - kwantów.
Znika w błysku światła
„Tutaj jest elektron i pozyton, mają przeciwne ładunki, więc się przyciągają. Mogą bardzo się do siebie zbliżyć, a kiedy to nastąpi, łączą się i tworzą dwa fotony. Jest to konsekwencja praw natury - mówi Nikolai Sinner. „Masa dwóch cząstek zamieniana jest na energię w postaci dwóch cząstek - kwantów promieniowania gamma”.
„Gdybyś miał dużo antymaterii i pozwolił jej wejść w kontakt ze zwykłą materią, wywołałbyś bardzo silną reakcję. I odwrotnie: energię można przekształcić w materię i antymaterię, a dzieje się to w akceleratorach cząstek”.
Używany w skanerach medycznych
To właśnie to zjawisko, kiedy spotkanie materii i antymaterii prowadzi do ich zaniku i uwolnienia energii, jest chyba pierwszą rzeczą, która fascynuje autorów science fiction.
Na przykład antymateria odgrywa ważną rolę w Aniołach i demonach Dana Browna, a także w Star Trek, międzygwiezdnych statkach poruszających się na antymaterii.
Ale w prawdziwym świecie antymateria ma spokojniejsze zastosowanie.
Antymateria w postaci pozytonów z rozpadu materiałów promieniotwórczych jest wykorzystywana w szpitalach w skanerach PET (pozytonowa tomografia emisyjna), które mogą wykonywać zdjęcia narządów wewnętrznych i wykrywać w nich niezdrowe procesy.
„A zatem antymateria nie jest wcale taka mistyczna. To część natury, z której lubimy korzystać”- mówi Nikolai Sinner.
Na antymaterię narażamy się także jedząc banany. Zawierają potas, który jest lekko radioaktywny i podczas rozpadu uwalnia pozytony. Mniej więcej co 75 minut banan emituje pozyton, który szybko zderza się z elektronem i zamienia się w dwa fotony gamma.
Ale to wszystko absolutnie nie jest niebezpieczne. Aby otrzymać dawkę promieniowania odpowiadającą temu, co otrzymujemy podczas prześwietlenia, będziemy musieli spożyć kilkaset bananów.
Przewidziano to jeszcze przed odkryciem
Możesz lepiej zrozumieć, czym jest antymateria, jeśli spojrzysz na historię jej odkrycia. Co ciekawe, istnienie antymaterii przewidywano jeszcze przed jej odkryciem.
W latach dwudziestych XX wieku okazało się, że nowa teoria zwana mechaniką kwantową doskonale nadaje się do opisu najmniejszych cząstek materii - atomów i cząstek elementarnych. Nie było jednak łatwo połączyć mechanikę kwantową z drugą wielką teorią XX wieku, teorią względności.
Młody brytyjski fizyk Paul Dirac pospieszył z rozwiązaniem tego problemu i zdołał wyprowadzić równanie, które łączy mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności.
Za pomocą tego równania stało się możliwe opisanie ruchu elektronu, nawet jeśli jego prędkość zbliżała się do prędkości światła.
Ale równanie przygotowało niespodziankę. Miał dwa rozwiązania, podobnie jak równanie "x² = 4": x = 2 i x = -2 ". Oznacza to, że mógłby opisać nie tylko dobrze znany elektron, ale także inną cząstkę - elektron o ujemnej energii.
Odkryty w celi Wilsona
Wtedy nic nie wiedzieli o cząstkach o ujemnej energii, a Paul Dirac zinterpretował swoje odkrycie w następujący sposób: może istnieć cząstka, która jest dokładnie taka sama jak elektron, z wyjątkiem przeciwnego ładunku.
Jeśli elektron ma ładunek ujemny, musi istnieć odpowiednia cząstka z ładunkiem dodatnim. Zgodnie z obliczeniami ta sama reguła powinna dotyczyć wszystkich cząstek elementarnych, czyli ogólnie wszystkich cząstek tworzących świat.
I tak zaczęło się polowanie na antyelektron. Amerykański fizyk Carl Anderson użył kamery mgłowej (znanej również jako kamera Wilsona) do wykrycia śladów cząstek z kosmosu, które mają taką samą masę jak elektron, ale mają przeciwny ładunek.
W ten sposób odkryto antyelektron Diraca, który nazwano pozytonem - skrót od „dodatniego elektronu”. Od tego momentu, krok po kroku, odkrywano nowe antycząstki.
Wszechświat na początku był czystą energią
Dirac zasugerował, że odległe gwiazdy - być może połowa wszystkiego, co widzimy na niebie - mogą składać się z antymaterii, a nie materii. Wynika to na przykład z jego przemówienia, które wygłosił przyjmując w 1933 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Ale dzisiaj wiemy, że wszystko we wszechświecie składa się tylko z materii, a nie z antymaterii. I to jest naprawdę tajemnicze, ponieważ na początku istnienia wszechświata powinno być ich mniej więcej tyle samo, wyjaśnia Nikolai Sinner.
„Jeśli zaczniemy cofać rozwój wszechświata, energia będzie stawała się coraz większa. Gęstość wzrośnie, temperatura wzrośnie. Wreszcie wszystko zamieni się w czystą energię - cząstki przenoszące energię lub siły, takie jak fotony. To był początek wszechświata, zgodnie z naszymi najbardziej powszechnymi teoriami kosmologicznymi."
„A jeśli znowu pójdziemy naprzód od tego punktu odniesienia, to w pewnym momencie energia będzie musiała zacząć przekształcać się w materię. Stworzenie materii z czystej energii jest całkowicie możliwe, ale w tym przypadku otrzymujesz tyle samo antymaterii, co materii. W tym problem - można by się spodziewać takiej samej ilości obu”.
„Musi istnieć jakieś prawo natury, które odpowiada za to, że obecnie materii jest więcej niż antymaterii. I nic więcej nie można powiedzieć o tym braku równowagi. A więc tę asymetrię można wyjaśnić”.
Neutrina pomogą rozwiązać zagadkę
Ważnym pytaniem jest, gdzie w prawach natury należy szukać przyczyny zwycięstwa materii nad antymaterią. Fizycy próbują to rozgryźć poprzez eksperymenty.
W Centrum Badawczym CERN w Szwajcarii antymateria jest wytwarzana i uwięziona w polach magnetycznych, a poprzez serię eksperymentów z przeciwwodorem fizycy próbują znaleźć odpowiedź na pytanie, czy materia i antymateria są swoimi lustrzanymi odbiciami.
Być może nadal istnieje między nimi niewielka różnica, z wyjątkiem ładunku, a ta różnica pomoże wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie jest tak dużo materii w stosunku do antymaterii.
Udało się stworzyć antyhelium
Ponieważ antymateria jest bardzo rzadka i szybko znika po napotkaniu substancji, w naturze nie ma cząsteczek antymaterii i można tworzyć tylko jej najmniejsze cząsteczki.
W 2011 roku amerykańskim naukowcom udało się stworzyć antyhelium. Nie było większych atomów.
W Wiedenskab dużo pisaliśmy o tych eksperymentach, które do tej pory pokazują, że antymateria zachowuje się dokładnie tak samo, jak materia, co na przykład jest opisane w artykule „Naukowiec z Aarhus przeprowadził najdokładniejsze pomiary stężenia przeciwwodoru w historii”. Być może rozwiązanie tej zagadki pomoże nam znaleźć cząsteczki elementarne zwane neutrinami. Pisaliśmy o tym w artykule „Eksperyment z lodem ujawni tajemnicę materii”.
„Możemy mieć nadzieję, że odpowiedź znajdziemy w neutrinie, bo już wiemy, że zachowuje się dziwnie. Jest tu wiele luk w fizyce, więc mądrze byłoby zacząć tutaj kopać”- mówi Nikolai Sinner.
Sama antymateria nie jest aż tak mistyczna, ale fizycy jeszcze nie zorientowali się, dlaczego we wszechświecie jest o wiele więcej materii niż antymaterii. Pracują nad tym problemem.
Henrik Bendix