Živimo u svemiru gdje ima puno materije i, uglavnom, uopće nema antimaterije. Dvoje naših čitatelja žele znati što je antimaterija, a fizičar im daje odgovor na ovo pitanje.
Antimaterija. Iz ove riječi dišu fascinantne knjige i filmovi u kojima zlikovci dolaze do eksploziva iz antimaterije ili svemirski brodovi putuju na takvom gorivu.
Ali što je ta tvar - što je, u biti, antimaterija?
Čitatelji Wiedenskuba ovo bi jako željeli znati. Pročitali su neke od mnogih članaka koje smo objavili o eksperimentima fizike s antimaterijom, ali voljeli bi znati više.
Prvo moramo pojasniti da antimateriju fizičara ne treba miješati s onim antitijelima koja su nam poznata iz biologije i medicine. Tamo su antitijela (koja se nazivaju i imunoglobulini) posebni proteinski spojevi, dio obrane tijela protiv bolesti. Oni se mogu vezati za strane molekule i na taj način zaštititi tijelo od mikroorganizama i virusa.
Ali ovdje nećemo razgovarati o njima. Kontaktirali smo znanstvenika iz svijeta fizike: Nikolaj Zinner, nastavnik Odjela za fiziku i astronomiju na Sveučilištu Aarhus, rado će nam reći o antimateriji.
Tvar s suprotnim nabojem
Promotivni video:
"Sve one čestice koje se, kao što znamo, nalaze u prirodi, sve od čega se sastoji naš svijet postoje u varijanti sa suprotnim nabojem. Ovo je antimaterija ", kaže Nikolaj Sinner.
"Antimaterija izgleda potpuno isto i ima istu masu kao i obična tvar, ali ima upravo suprotan naboj. Na primjer, pozitivno nabijeni pozitroni imaju negativno nabijene elektrone. Pozitroni su anti čestice elektrona."
Dakle, nema ništa bitno neobično u vezi s antimaterijom. To je samo tvar s suprotnim nabojem u odnosu na tvar u okruženju u kojoj se obično nalazimo. Ali zašto je tako malo toga samo je misterija, a na to ćemo se vratiti kasnije.
„U svakodnevnom životu se ne susrećemo s antimaterijom, ali događa se u mnogim situacijama, na primjer, tijekom radioaktivnog raspada, pod utjecajem kozmičkog zračenja i u akceleratorima. Jednostavno, opet vrlo brzo nestaje. Kad se pozitron susreće s elektronom, rezultat je čista energija u obliku dvije visokoenergetske svjetlosne čestice - kvanta.
Nestaje u bljesku svjetla
"Evo elektrona i pozitrona, oni imaju suprotne naboje, pa privlače. Oni se mogu vrlo zbližiti, a kada se to dogodi, spajaju se i tvore dva fotona. To je posljedica zakona prirode - kaže Nikolaj Sinner. "Masa dviju čestica pretvara se u energiju u obliku dvije čestice - kvanta gama zračenja."
"Da ste imali puno antimaterije i dozvolili ste joj da dođe u kontakt s običnom materijom, izazvali biste vrlo snažnu reakciju. I obrnuto: energija se može pretvoriti u materiju i antimateriju, a to se događa u akceleratorima čestica ".
Koristi se u medicinskim skenerima
Upravo je taj fenomen, kada susret materije i antimaterije dovodi do njihovog nestanka i oslobađanja energije, vjerojatno prvo što fascinira autore znanstvene fantastike.
Primjerice, antimaterija igra važnu ulogu u Dan Brownovim anđelima i demonima, a u Star Treku međuzvjezdani brodovi upravljaju antimaterijom.
Ali u stvarnom svijetu antimaterija ima mirniju primjenu.
Antimaterija u obliku pozitrona od raspada radioaktivnih materijala koristi se u bolnicama na PET (pozitronsko-emisijskoj tomografiji) skenerima, koji mogu slikati unutarnje organe i otkrivati nezdravu proces u njima.
"Dakle, antimaterija nije baš sve mistično. To je dio prirode u kojoj uživamo ", kaže Nikolai Sinner.
Također izlažemo antimateriju jedući banane. Sadrže kalij, koji je malo radioaktivan i oslobađa pozitrone kada propada. Otprilike svakih 75 minuta banana emitira pozitron koji se brzo sudara s elektronom i oni se pretvaraju u dva gama fotona.
Ali sve to apsolutno nije opasno. Da bismo dobili dozu zračenja koja odgovara onome što smo dobili prilikom snimanja rendgenom, morat ćemo konzumirati nekoliko stotina banana.
Bilo je predviđeno još prije otkrića
Možete bolje razumjeti što je antimaterija ako pogledate povijest njenog otkrića. Zanimljivo je da je postojanje antimaterije predvidjelo i prije nego što je otkriveno.
U 1920-im se pokazalo da je nova teorija nazvana kvantna mehanika savršena za opis najmanjih čestica materije - atoma i elementarnih čestica. Ali nije bilo tako lako kombinirati kvantnu mehaniku s drugom velikom teorijom 20. stoljeća, teorijom relativnosti.
Mladi britanski fizičar Paul Dirac požurio je riješiti taj problem i uspio je dobiti jednadžbu koja kombinira kvantnu mehaniku s posebnom relativnošću.
Pomoću ove jednadžbe postalo je moguće opisati gibanje elektrona, čak i ako se njegova brzina približila brzini svjetlosti.
Ali jednadžba je pripremila iznenađenje. Imao je dva rješenja, baš kao i jednadžba "x² = 4": x = 2 i x = -2 ". Odnosno, mogao bi opisati ne samo poznati elektron, već i drugu česticu - elektron s negativnom energijom.
Otkriven u Wilsonovoj ćeliji
Tada nisu znali ništa o česticama s negativnom energijom, a Paul Dirac je svoje otkriće protumačio ovako: može postojati čestica koja je potpuno ista kao i elektron, s izuzetkom suprotnog naboja.
Ako elektron ima negativan naboj, tada mora postojati odgovarajuća čestica s pozitivnim nabojem. Prema proračunima, isto bi se pravilo trebalo primjenjivati na sve elementarne čestice, tj. Općenito na sve čestice koje čine svijet.
I tako je počeo lov na antielektron. Američki fizičar Carl Anderson koristio je maglu kameru (aka Wilson-ova kamera) kako bi otkrio tragove čestica iz svemira koje imaju istu masu kao i elektron, ali s suprotnim nabojem.
Tako je otkriven Dirakov antielektron, koji je nazvan pozitroni - skraćenica za "pozitivni elektron". Od tog trenutka, korak po korak, otkrivene su nove antičestice.
Svemir je u početku bio čista energija
Dirac je sugerirao da se udaljene zvijezde - možda polovina svega što vidimo na nebu - mogu sastojati od antimaterije, a ne materije. To slijedi, na primjer, iz njegova govora, koji je održao dok je prihvatio Nobelovu nagradu za fiziku 1933. godine.
Ali danas znamo da se sve u svemiru sastoji samo od materije, a ne od antimaterije. I to je doista tajanstveno, jer je na početku postojanja svemira trebalo postojati otprilike jednaka količina i jednog i drugog, objašnjava Nikolaj Sinner.
„Ako započnemo unatrag razvoj svemira, energija će postajati sve veća. Gustina će se povećavati, temperatura će porasti. Konačno, sve će se pretvoriti u čistu energiju - čestice koje nose energiju ili prisiljavaju čestice poput fotona. To je bio početak svemira, prema našim najčešćim kosmološkim teorijama."
"A ako se opet vratimo naprijed s ove referentne točke, u tom će se trenutku energija morati početi pretvarati u materiju. Potpuno je moguće stvoriti materiju iz čiste energije, ali u tom slučaju dobivate onoliko antimaterije koliko i materije. U tome je problem - očekivali biste jednaku količinu i jednog i drugog."
"Mora da postoji zakon prirode koji je odgovoran za činjenicu da danas postoji više materije nego antimaterije. I ništa se više ne može reći o toj neravnoteži. I tako bi se ta asimetrija mogla objasniti."
Neutrinovi će vam pomoći u rješavanju zagonetke
Veliko je pitanje gdje u prirodnim zakonima treba tražiti razlog pobjede materije nad antimaterijom. Fizičari to pokušavaju shvatiti eksperimentima.
U istraživačkom centru CERN u Švicarskoj antimaterija se proizvodi i drži u magnetskim poljima, a kroz niz eksperimenata s antihidrogenima fizičari pokušavaju pronaći odgovor na pitanje jesu li tvar i antimaterija međusobno točne zrcalne slike.
Možda je među njima još uvijek mala razlika, osim naboja, a ta će vam razlika pomoći objasniti zašto u svemiru postoji toliko materije u odnosu na antimateriju.
Uspio je stvoriti antihelium
Budući da je antimaterija vrlo rijetka i brzo nestaje kad naiđe na tvar, u prirodi nema molekula antimaterije i mogu se stvoriti samo njene najmanje molekule.
2011. godine američki znanstvenici uspjeli su stvoriti antihelium. Većih atoma nije bilo.
Mi iz Wiedenskaba puno smo pisali o tim eksperimentima, koji do sada pokazuju da se antimaterija ponaša na potpuno isti način kao i materija, što je, na primjer, opisano u članku "Znanstvenica iz Arhusa, provela najpreciznija mjerenja antihidrogena u povijesti". A možda će nam rješavanje ove zagonetke pomoći da pronađemo elementarne čestice koje se nazivaju neutrini. O tome smo pisali u članku "Ledeni eksperiment će otkriti tajnu materije."
„Možemo se nadati da ćemo odgovor pronaći u neutrinu, jer već znamo da se ponaša neobično. Ovdje postoje mnoge razlike u fizici, pa bi bilo pametno ovdje početi kopati “, kaže Nikolaj Sinner.
Antimaterija sama po sebi nije nimalo mistična, ali fizičari još nisu shvatili zašto u svemiru danas postoji toliko više materije nego antimaterije. Oni rade na ovom pitanju.
Henrik Bendix