Živimo v vesolju, kjer je veliko snovi in na splošno sploh ni antimaterije. Dva naša bralca želita vedeti, kaj je antimaterija, fizik pa jima odgovori na to vprašanje.
Antimaterija. Iz te besede dihajo fascinantne knjige in filmi, v katerih zlikovci pridejo do eksploziva iz antimaterije ali vesoljske ladje potujejo na takšno gorivo.
Toda kaj je ta snov - kaj je v bistvu antimaterija?
Bralci Wiedenskuba bi to radi zelo vedeli. Prebrali so nekaj številnih člankov, ki smo jih objavili o poskusih fizikov z antimaterijo, vendar bi radi izvedeli več.
Najprej moramo razjasniti, da antimaterije fizikov ne bi smeli zamenjati s tistimi protitelesi, ki so nam znana iz biologije in medicine. Tam so protitelesa (imenovana tudi imunoglobulini) posebne proteinske spojine, ki so del obrambe telesa pred boleznimi. Lahko se vežejo na tuje molekule in tako zaščitijo telo pred mikroorganizmi in virusi.
Ampak tukaj o njih ne bomo govorili. Povezali smo se z znanstvenikom iz sveta fizike: Nikolaj Zinner, učitelj oddelka za fiziko in astronomijo na univerzi Aarhus, nam bo z veseljem povedal o antimateriji.
Snov z nasprotnim nabojem
Promocijski video:
"Vsi tisti delci, ki so, kot vemo, v naravi, vse, iz česar je sestavljen naš svet, obstajajo v različicah z nasprotnim nabojem. To je antimaterija, "pravi Nikolaj Sinner.
"Antimaterija je videti popolnoma enaka in ima enako maso kot navadna snov, vendar ima ravno nasproten naboj. Na primer, pozitivno nabiti pozitroni imajo negativno nabito elektrone. Pozitroni so anti delci elektronov."
Torej glede antimaterije ni nič bistvenega nenavadnega. Je le snov z nasprotnim nabojem glede na snov, v okolju katere običajno najdemo. Toda zakaj je tako malo tega, je samo skrivnost, k temu pa se bomo vrnili kasneje.
V vsakdanjem življenju ne srečamo z antimaterijo, vendar se pojavlja v mnogih situacijah, na primer med radioaktivnim razpadom, pod vplivom kozmičnega sevanja in pospeševalnikov. Samo spet zelo hitro izgine. Ko se pozitron sreča z elektronom, je rezultat čista energija v obliki dveh visokoenergijskih svetlobnih delcev - kvant.
V trenutku utripa
"Tu sta elektron in pozitron, imata nasproten naboj, zato privlačita. Lahko se zelo približata drug drugemu, in ko se to zgodi, se združita in tvorita dva fotona. To je posledica zakonov narave, - pravi Nikolaj Sinner. "Masa dveh delcev se pretvori v energijo v obliki dveh delcev - kvant gama sevanja."
»Če bi imeli veliko antimaterije in ste ji dovolili, da pride v stik z navadno snovjo, bi povzročili zelo močno reakcijo. In obratno: energijo lahko pretvorimo v snov in antimaterijo, in to se zgodi v pospeševalcih delcev."
Uporablja se v medicinskih skenerjih
Prav ta pojav, ko srečanje materije in antimaterije vodi v njihovo izginotje in sproščanje energije, je verjetno prva stvar, ki očara avtorje znanstvene fantastike.
Na primer, antimaterija igra pomembno vlogo v filmu Angeli in demoni Dan Browna, v Star Trek pa medzvezdne ladje vodijo proti antimateriji.
Toda v resničnem svetu ima antimaterija mirnejšo uporabo.
Antimaterija v obliki pozitronov, ki nastanejo pri razpadu radioaktivnih snovi, se uporablja v bolnišnicah s skenerji PET (pozitronska emisijska tomografija), ki lahko slikajo notranje organe in odkrijejo nezdrave procese v njih.
Tako antimaterija ni vse tako mistična. To je del narave, v kateri uživamo, «pravi Nikolaj Sinner.
Izpostavimo se tudi antimateriji z uživanjem banan. Vsebujejo kalij, ki je rahlo radioaktiven in sprošča pozitrone, ko razpade. Približno vsakih 75 minut banana oddaja pozitrona, ki se hitro spopade z elektronom, ti pa se spremenijo v dva gama fotona.
A vse to absolutno ni nevarno. Da bomo dobili odmerek sevanja, ki ustreza tistemu, ki ga dobimo pri rentgenu, bomo morali zaužiti nekaj sto banan.
Napovedovali so ga še pred odkritjem
Bolje razumete, kaj je antimaterija, če pogledate zgodovino njenega odkritja. Zanimivo je, da je obstoj antimaterije napovedoval še pred odkritjem.
V dvajsetih letih se je izkazalo, da je nova teorija, imenovana kvantna mehanika, popolna za opis najmanjših delcev materije - atomov in elementarnih delcev. Toda kvantne mehanike ni bilo tako enostavno kombinirati z drugo veliko teorijo 20. stoletja, teorijo relativnosti.
Mladi britanski fizik Paul Dirac je hitel rešiti ta problem in uspel izpeljati enačbo, ki združuje kvantno mehaniko s posebno relativnostjo.
S pomočjo te enačbe je bilo mogoče opisati gibanje elektrona, tudi če se njegova hitrost približa hitrosti svetlobe.
Toda enačba je pripravila presenečenje. Imel je dve rešitvi, tako kot enačba "x² = 4": x = 2 in x = -2 ". Se pravi, da bi lahko opisal ne le znani elektron, ampak tudi drug delček - elektron z negativno energijo.
Odkrit v Wilsonovi celici
Nato o delcih z negativno energijo niso vedeli ničesar in Paul Dirac je svoje odkritje razlagal tako: lahko obstaja delček, ki je popolnoma enak elektronu, razen nasprotnega naboja.
Če ima elektron negativen naboj, potem mora obstajati ustrezni delček s pozitivnim nabojem. Po izračunih bi moralo veljati isto pravilo za vse elementarne delce, torej na splošno za vse delce, ki sestavljajo svet.
In tako se je začel lov na protielektron. Ameriški fizik Carl Anderson je uporabil kamero za meglo (aka Wilson's camera), da je zaznal sledi delcev iz vesolja, ki imajo enako maso kot elektron, vendar z nasprotnim nabojem.
Tako je bil odkrit Dirak-ov antielektron, ki so ga poimenovali pozitrona - kratek za "pozitivni elektron". Od tega trenutka so korak za korakom odkrivali nove anti delce.
Vesolje je bilo v začetku čista energija
Dirac je predlagal, da so oddaljene zvezde - morda polovica vsega, kar vidimo na nebu - morda sestavljene iz antimaterije, ne glede na to. To izhaja na primer iz njegovega govora, ki ga je sprejel med sprejetjem Nobelove nagrade za fiziko leta 1933.
Toda danes vemo, da je vse v vesolju sestavljeno samo iz materije in ne iz antimaterije. In to je res skrivnostno, saj bi moralo na začetku obstoja vesolja obstajati približno enaka količina obeh, razlaga Nikolaj Sinner.
»Če bomo začeli previjati razvoj vesolja, bo energije vedno več. Gostota se bo povečala, temperatura se bo dvigovala. Končno se bo vse spremenilo v čisto energijo - delce, ki nosijo energijo ali silijo delce, kot so fotoni. To je bil začetek vesolja, po naših najpogostejših kozmoloških teorijah."
"In če bomo spet šli naprej od te referenčne točke, bo energija v nekem trenutku začela pretvoriti v materijo. Snov je popolnoma mogoče ustvariti iz čiste energije, vendar v tem primeru dobite toliko antimaterije kot snovi. To je težava - pričakovali bi enako količino obeh."
"Obstajati mora nekaj naravnega zakona, ki je odgovoren za to, da je danes več materije kot antimaterije. In o tem neravnovesju se ne da nič več reči. In tako bi to asimetrijo lahko razložili."
Neutrini bodo pomagali rešiti uganko
Veliko vprašanje je, kje v zakonih narave je treba iskati razlog za zmago materije nad antimaterijo. Fiziki to poskušajo ugotoviti s poskusi.
V raziskovalnem centru CERN v Švici antimaterija nastaja in je ujeta v magnetna polja, fiziki pa s serijo eksperimentov z antihidrogenom iščejo odgovor na vprašanje, ali sta materija in antimaterija med seboj natančne zrcalne slike.
Morda je med njimi še vedno majhna razlika, razen naboja, in ta razlika bo pomagala razložiti, zakaj je v vesolju toliko snovi v primerjavi z antimaterijo.
Uspelo je ustvariti antihelium
Ker je antimaterija zelo redka in hitro izgine, ko naleti na snov, v naravi ni molekul antimaterije in lahko nastanejo le njene najmanjše molekule.
Leta 2011 je ameriškim znanstvenikom uspelo ustvariti antihelium. Večjih atomov ni bilo.
Mi iz Wiedenskaba smo veliko pisali o teh poskusih, ki do zdaj dokazujejo, da se antimaterija obnaša povsem enako kot materija, kot je na primer opisano v članku "Znanstvenik Aarhus izvedel najbolj natančne meritve antihidrogena v zgodovini". In morda nam bo rešitev te uganke pomagala najti elementarne delce, ki jih imenujemo nevtrini. O tem smo pisali v članku "Ledeni eksperiment bo razkril skrivnost materije."
„Upamo lahko, da bomo odgovor našli v nevtrinu, saj že vemo, da se obnaša čudno. Tu je veliko vrzeli v fiziki, zato bi bilo pametno začeti kopati tukaj, «pravi Nikolaj Sinner.
Antimaterija sama po sebi ni vse tako mistična, vendar fiziki še niso ugotovili, zakaj je danes v vesolju toliko več snovi kot antimaterija. Delajo na tem vprašanju.
Henrik Bendix