Antymateria jest pod każdym względem jak substancja. Powstały jednocześnie i z jednego źródła. W rezultacie jest ich dużo, a drugiego praktycznie nie ma. Musi być na to jakieś wytłumaczenie.
Wszystko, z czym stykamy się w naszym życiu, jest zbudowane z materii. Kielich, który trzymamy w dłoni, składa się z cząsteczek, cząsteczek - atomów, atomów, wbrew ich nazwie („atom” po grecku oznacza „niepodzielny”) - z elektronów, protonów i neutronów. Dwie ostatnie nazywane są przez naukowców „barionami”. Można je podzielić dalej, na kwarki, a może nawet dalej, ale na razie się nad tym rozwodzimy. Razem tworzą materię.
Jak wszyscy nasi czytelnicy wiedzą, materia ma swoją antypodę - antymaterię. Kiedy wchodzą w kontakt, unicestwiają wyzwalając bardzo dużą energię - unicestwiają. Według obliczeń fizyków uderzenie w Ziemię kawałka antymaterii wielkości cegły może wywołać efekt podobny do wybuchu bomby wodorowej. Pod wszystkimi innymi względami antypody są podobne: antymateria ma masę, prawa fizyki w pełni się do niej stosują, ale jej ładunek elektryczny jest przeciwny. Dla antyprotonu jest ujemny, a dla pozytonu (antyelektronu) jest dodatni. A także antymateria praktycznie nie występuje w otaczającej nas rzeczywistości.
Poszukiwanie antymaterii
Czy jest gdzieś tam? W takim założeniu nie ma nic niemożliwego, ale żyjemy w świecie, chociaż nie możemy podać ręki naszym antypodom. Całkiem możliwe, że oni też gdzieś mieszkają.
Prawdopodobnie wszystkie obserwowane dziś galaktyki składają się ze zwykłej materii. W przeciwnym razie ich granice byłyby strefą niemal ciągłej anihilacji z otaczającą materią, byłaby widoczna z daleka. Obserwatoria ziemskie rejestrowałyby kwanty energii powstające podczas anihilacji. Dopóki to się nie stanie.
Dowodem na obecność we Wszechświecie zauważalnych ilości antymaterii może być odkrycie gdzieś w kosmosie (na Ziemi, ze względu na dużą gęstość materii, poszukiwanie jąder antymaterii jest bezcelowe). Dwa antyprotony, dwa antyneutrony. Antycząstki, które tworzą takie jądro, są regularnie wytwarzane w zderzeniach wysokoenergetycznych cząstek w ziemskich akceleratorach oraz naturalnie, gdy materia jest bombardowana promieniami kosmicznymi. Ich odkrycie nic nam nie mówi. Ale antyhelium może powstać w ten sam sposób, jeśli cztery jego cząstki składowe narodzą się jednocześnie w jednym miejscu. Nie można tego nazwać całkowicie niemożliwym, ale takie zdarzenie w całym Wszechświecie zdarza się mniej więcej raz na piętnaście miliardów lat, co jest dość porównywalne z czasem jego istnienia.
Film promocyjny:
Przygotowanie do wystrzelenia balonu z detektorem cząstek kosmicznych w ramach eksperymentu BESS. Detektor jest widoczny na pierwszym planie i waży 3 tony. / & Kopiuj; i.wp-b.com
Dlatego wykrycie antybłonka może być dobrze potraktowane, jeśli nie jako pozdrowienie od antypodów, to jako dowód, że gdzieś w głębinach kosmosu unosi się kawałek antymaterii przyzwoitych rozmiarów. Więc odleciał stamtąd.
Niestety, powtarzane próby poszukiwania antybłonka w górnych warstwach atmosfery ziemskiej lub zbliżania się do niego nie przyniosły jeszcze sukcesu. Oczywiście tak jest, gdy „brak śladów prochu na rękach niczego nie dowodzi”. Możliwe, że leciał bardzo daleko (rzędu miliardów lat świetlnych), a dostanie się do małego detektora na małej planecie jest jeszcze trudniejsze. I na pewno, gdyby detektor był bardziej czuły (i droższy), nasze szanse na sukces byłyby większe.
Gdyby antygwiazdy znajdowały się w naturze, w trakcie reakcji termojądrowych generowałyby taki sam strumień antyneutrin jak zwykłe gwiazdy - strumień ich antypodów. Te same antyneutrina powinny powstawać podczas wybuchów antysupernowych. Jak dotąd ani jedno, ani drugie nie zostało odkryte, ale należy zauważyć, że astronomia neutrin na ogół stawia pierwsze kroki.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Kanada. / & Kopiuj; squarespace.com
W każdym razie nie mamy jeszcze wiarygodnych informacji o istnieniu jakichkolwiek znaczących ilości antymaterii we Wszechświecie.
To jest jednocześnie dobre i złe. Jest źle, ponieważ według współczesnych koncepcji w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu powstała zarówno materia, jak i antymateria. Następnie unicestwili, dając początek reliktowemu promieniowaniu kosmicznemu. Liczba znajdujących się w nim fotonów jest bardzo duża, jest około miliarda razy większa niż liczba barionów (tj. Protonów i neutronów) we Wszechświecie. Innymi słowy, kiedyś, na początku czasu, substancja we Wszechświecie okazała się o jedną miliardową więcej niż antymateria. Potem zniknęły wszystkie „zbędne”, unicestwione i pozostała jedna miliardowa część. Rezultatem jest tak zwana asymetria barionowa w literaturze specjalnej.
Dla fizyków brak równowagi jest problemem, ponieważ trzeba go jakoś wyjaśnić. Przynajmniej w przypadku obiektów, które pod wszystkimi innymi względami zachowują się symetrycznie.
I dla nas (w tym fizyków) jest to dobre, ponieważ przy tych samych ilościach materii i antymaterii nastąpiłaby całkowita anihilacja, Wszechświat byłby pusty i nie byłoby nikogo, kto mógłby zadawać pytania.
Warunki Sacharowa
Naukowcy zdali sobie sprawę z istnienia dużego problemu kosmologicznego w połowie XX wieku. Warunki, w jakich Wszechświat staje się takim, jakim go widzimy, zostały sformułowane przez Andrieja Sacharowa w 1967 roku i od tego czasu są „miejscem wspólnym” literatury tematycznej, przynajmniej w języku rosyjskim i angielskim. W bardzo uproszczonej formie wyglądają tak.
Po pierwsze, w pewnych warunkach, które prawdopodobnie istniały we wczesnym Wszechświecie, prawa fizyki nadal działają inaczej dla materii i antymaterii.
Po drugie, w tym przypadku liczba barionowa może nie zostać zachowana, tj. Liczba barionów po reakcji nie jest równa liczbie przed nią.
Po trzecie, proces musi przebiegać w sposób wybuchowy, to znaczy musi być nierównowagowy. Jest to ważne, ponieważ w stanie równowagi stężenia substancji mają tendencję do wyrównania się i musimy uzyskać coś innego.
A. D. Sacharow, koniec lat 60. / & Kopiuj; thematicnews.com
Na tym kończy się ogólnie przyjęta część wyjaśnienia, a za pół wieku królują hipotezy. Najbardziej autorytatywny w tej chwili łączy incydent z oddziaływaniem elektrosłabym. Przyjrzyjmy się jej bliżej.
Wrząca przestrzeń
Aby wyjaśnić, co się stało z naszą materią, będziemy musieli wytężyć naszą wyobraźnię i wyobrazić sobie, że we Wszechświecie istnieje pewne pole. Nie wiemy jeszcze nic o jego istnieniu i właściwościach, poza tym, że wiąże się z rozkładem materii i antymaterii w przestrzeni i jest w pewnym stopniu zbliżona do temperatury, do której jesteśmy przyzwyczajeni, w szczególności może przyjmować coraz większe i mniejsze wartości, aż do pewnego poziomu, co można porównać temperatura wrzenia.
Początkowo materia we wszechświecie jest w stanie mieszanym. Wokół jest bardzo „gorąco” - cytaty można by tu pominąć, bo zwykła temperatura też jest bardzo wysoka, ale mówimy o jej wyimaginowanym analogu. Ten analog „gotuje się” - maksymalna wartość.
Wraz z rozszerzaniem się przestrzeni „krople” zaczynają skraplać się z początkowej „pary”, w której jest ona „chłodniejsza”. Jak dotąd wszystko wygląda dokładnie tak samo jak z wodą - jeśli w naczyniu znajduje się przegrzana para wodna, której objętość rośnie wystarczająco szybko, następuje chłodzenie adiabatyczne. Jeśli jest wystarczająco mocny, część wody wypłynie w postaci cieczy.
Woda skroplona z pary. / & Kopiuj; 3.bp.blogspot.com
Coś podobnego dzieje się z materią w kosmosie. Wraz ze wzrostem objętości Wszechświata rośnie liczba i wielkość „kropli”. Ale wtedy zaczyna się coś, co nie ma analogii w świecie, do którego jesteśmy przyzwyczajeni.
Warunki wnikania cząstek i antycząstek do „kropli” nie są takie same, cząstkom jest to trochę łatwiejsze. W rezultacie naruszona zostaje początkowa równość stężeń, w skondensowanej „cieczy” jest trochę więcej substancji, aw „fazie wrzenia” - jej antypoda. W tym przypadku całkowita liczba barionów pozostaje niezmieniona.
I wtedy, w „fazie wrzenia”, zaczynają działać kwantowe efekty oddziałujących ze sobą pól elektrosłabych, co, jak się wydaje, nie powinno zmienić liczby barionów, ale w rzeczywistości wyrównać liczbę cząstek i antycząstek. Ściśle mówiąc, ten proces również odbywa się w „kroplach”, ale tam jest mniej efektywny. W ten sposób całkowita liczba antycząstek jest zmniejszona. Jest to napisane krótko i oczywiście bardzo uproszczone, w rzeczywistości wszystko jest o wiele bardziej interesujące, ale nie będziemy teraz wchodzić w głęboką teorię.
Kluczowe dla wyjaśnienia sytuacji okazują się dwa efekty. Anomalia kwantowa oddziaływań elektrosłabych jest obserwowanym faktem, odkryto ją już w 1976 roku. Różnica w prawdopodobieństwie przedostania się cząstek do strefy kondensacji jest faktem obliczeniowym, a zatem hipotetycznym. Samo pole, które „gotuje się”, a następnie ochładza, nie jest jeszcze wykrywane. Tworząc teorię przyjęto, że jest to pole Higgsa, jednak po odkryciu słynnego bozonu okazało się, że nie ma z nim nic wspólnego. Całkiem możliwe, że jego otwarcie wciąż czeka na skrzydłach. A może nie - a wtedy kosmolodzy będą musieli wymyślić inne wyjaśnienia. Wszechświat czekał na to piętnaście miliardów lat, może poczekać kolejny.
Sergey Sysoev