Trăim într-un univers în care există multă materie și, în linii mari, nu există deloc antimaterie. Doi dintre cititorii noștri vor să știe ce este antimateria și un fizician le dă un răspuns la această întrebare.
Antimateria. Din acest cuvânt respiră cărți și filme fascinante în care răufăcătorii ajung la explozibili din antimaterie sau nave spațiale călătoresc cu un astfel de combustibil.
Dar care este această substanță - ce este, în esență, antimaterie?
Cititorii de la Wiedenskub ar dori să știe foarte mult acest lucru. Au citit câteva dintre numeroasele articole pe care le-am publicat despre experimentele fizicienilor cu antimaterie, dar le-ar plăcea să știe mai multe.
În primul rând, trebuie să clarificăm că antimateria fizicienilor nu trebuie confundată cu acei anticorpi care ne sunt cunoscuți din biologie și medicină. Anticorpii (numiți și imunoglobuline) sunt compuși proteici speciali, care fac parte din apărarea organismului împotriva bolilor. Se pot lega de molecule străine și astfel protejează organismul de microorganisme și viruși.
Dar aici nu vom vorbi despre ele. Am contactat un om de știință din lumea fizicii: Nikolaj Zinner, profesor al Departamentului de Fizică și Astronomie al Universității Aarhus, ne va bucura să ne povestească despre antimaterie.
Substanță cu încărcare opusă
Video promotional:
„Toate acele particule care, după cum știm, sunt în natură, tot ce constă în lumea noastră, există în variante cu sarcina opusă. Aceasta este antimateria , spune Nikolai Sinner.
„Antimateria arată exact aceeași și are aceeași masă ca materia obișnuită, dar are exact sarcina opusă. De exemplu, pozitivii încărcați pozitiv au electroni încărcați negativ. Positronii sunt antiparticule de electroni.
Deci nu există nimic fundamental neobișnuit în privința antimateriei. Este doar o substanță cu o sarcină opusă în raport cu substanța din mediul în care ne aflăm de obicei. Dar de ce este atât de puțin este doar un mister și vom reveni la acest lucru mai târziu.
„În viața de zi cu zi nu întâlnim antimaterie, dar apare în multe situații, de exemplu, în timpul degradării radioactive, sub influența radiațiilor cosmice și în acceleratoare. Doar dispare foarte repede din nou. Când un pozitron întâlnește un electron, rezultatul este energia pură sub forma a două particule de lumină cu energie mare - quanta.
Dispare într-o clipire de lumină
„Iată un electron și un pozitron, au sarcini opuse, așa că atrag. Se pot apropia foarte mult unul de celălalt, iar atunci când se întâmplă acest lucru, se îmbină și formează doi fotoni. Aceasta este o consecință a legilor naturii - spune Nikolai Sinner. "Masa a două particule este transformată în energie sub forma a două particule - quanta radiației gamma."
„Dacă ai avea multă antimaterie și ai permite să intre în contact cu materia obișnuită, ai provoca o reacție foarte puternică. Și invers: energia poate fi transformată în materie și antimaterie, iar acest lucru se întâmplă în acceleratoarele de particule.
Folosit în scanere medicale
Acest fenomen este faptul că întâlnirea materiei și a antimateriei duce la dispariția lor și la eliberarea de energie, este probabil primul lucru care îi fascinează pe autorii științei de ficțiune.
De exemplu, antimateria joacă un rol important în Îngerii și demonii lui Dan Brown, iar în Star Trek, navele interstelare rulează pe antimaterie.
Dar în lumea reală, antimateria are o aplicație mai pașnică.
Antimateria sub formă de pozitroni din descompunerea materialelor radioactive este utilizată în spitalele din scanerele PET (tomografie cu emisie de pozitroni), care pot face poze cu organele interne și pot detecta procese nesănătoase din ele.
„Deci, antimateria nu este atât de mistică. Aceasta este o parte a naturii care ne place să folosim , spune Nikolai Sinner.
De asemenea, ne expunem la antimaterie consumând banane. Conțin potasiu, care este ușor radioactiv și eliberează pozitroni atunci când se degradează. La fiecare 75 de minute, o banană emite un pozitron, care se ciocnește rapid cu un electron și se transformă în doi fotoni gamma.
Dar toate acestea nu sunt absolut periculoase. Pentru a obține o doză de radiație care să corespundă cu ceea ce obținem când luăm o radiografie, va trebui să consumăm câteva sute de banane.
Acesta a fost prezis chiar înainte de descoperire
Puteți înțelege mai bine ce este antimateria dacă priviți istoria descoperirii sale. Interesant, existența antimateriei a fost prezisă chiar înainte de a fi descoperită.
În anii 1920, s-a dovedit că o nouă teorie numită mecanica cuantică era perfectă pentru a descrie cele mai mici particule de materie - atomii și particulele elementare. Dar nu a fost atât de ușor să combinați mecanica cuantică cu cea de-a doua mare teorie a secolului XX, teoria relativității.
Tânărul fizician britanic Paul Dirac s-a grăbit să rezolve această problemă și a reușit să obțină o ecuație care combină mecanica cuantică cu relativitatea specială.
Cu ajutorul acestei ecuații, a devenit posibilă descrierea mișcării unui electron, chiar dacă viteza acestuia s-a apropiat de viteza luminii.
Dar ecuația a pregătit o surpriză. El avea două soluții, la fel ca ecuația „x² = 4”: x = 2 și x = -2”. Adică s-ar putea descrie nu numai electronul binecunoscut, ci și o altă particulă - un electron cu energie negativă.
Descoperit în celula lui Wilson
Atunci nu au știut nimic despre particule cu energie negativă și Paul Dirac a interpretat descoperirea lui astfel: poate exista o particulă care este exact aceeași cu un electron, cu excepția încărcării opuse.
Dacă electronul are o sarcină negativă, atunci trebuie să existe o particulă corespunzătoare cu o sarcină pozitivă. Conform calculelor, aceeași regulă ar trebui să se aplice tuturor particulelor elementare, adică, în general, tuturor particulelor care formează lumea.
Și așa a început vânătoarea anti-electroni. Fizicianul american Carl Anderson a folosit o cameră de ceață (numită camera lui Wilson) pentru a detecta urme de particule din spațiu care au aceeași masă ca un electron, dar cu sarcina opusă.
Așa a fost descoperit antielectronul lui Dirac, care a fost numit pozitron - scurt pentru „electronul pozitiv”. Din acel moment, pas cu pas, au fost descoperite noi antiparticule.
Universul a fost la energie pură la început
Dirac a sugerat că stelele îndepărtate - poate jumătate din tot ceea ce vedem pe cer - pot fi compuse din antimaterie, nu contează. Acest lucru rezultă, de exemplu, din discursul său, pe care l-a susținut în timp ce accepta Premiul Nobel pentru fizică în 1933.
Dar astăzi știm că totul din univers constă doar din materie și nu din antimaterie. Și acest lucru este într-adevăr misterios, deoarece la începutul existenței universului ar fi trebuit să existe aproximativ aceeași cantitate din ambele, explică Nikolai Sinner.
„Dacă vom începe să derulăm dezvoltarea universului, energia va deveni din ce în ce mai mare. Densitatea va crește, temperatura va crește. În cele din urmă, totul se va transforma în energie pură - particule care transportă energie sau forță precum fotoni. Acesta a fost începutul universului, conform celor mai comune teorii cosmologice ale noastre."
„Și dacă vom merge din nou din acest punct de referință, la un moment dat energia va trebui să înceapă să se convertească în materie. Este perfect posibil să creezi materie din energie pură, dar în acest caz obții la fel de mult antimaterie. Aceasta este problema - te-ai aștepta la aceeași cantitate de amândouă."
„Trebuie să existe o lege a naturii care să fie responsabilă de faptul că astăzi există mai multă materie decât antimaterie. Și nu se mai poate spune nimic despre acest dezechilibru. Și astfel această asimetrie ar putea fi explicată.
Neutrinos va ajuta la rezolvarea ghicitoare
Marea întrebare este aceea în care în legile naturii ar trebui să se caute motivul victoriei materiei asupra antimateriei. Fizicienii încearcă să descopere acest lucru prin experimente.
La Centrul de Cercetare CERN din Elveția, antimateria este produsă și prinsă în câmpuri magnetice, iar printr-o serie de experimente cu antihidrogen, fizicienii încearcă să găsească un răspuns la întrebarea dacă materia și antimateria sunt imagini în oglindă exacte unele de altele.
Poate că există încă o mică diferență între ele, cu excepția taxei, iar această diferență va ajuta la explicarea de ce există atât de multă materie în univers în raport cu antimateria.
A reușit să creeze antihelium
Întrucât antimateria este foarte rară și dispare rapid atunci când întâlnește o substanță, nu există molecule de antimaterie în natură și doar cele mai mici molecule ale acesteia pot fi create.
În 2011, oamenii de știință americani au reușit să creeze antihelium. Nu existau atomi mai mari.
Noi, la Wiedenskab, am scris multe despre aceste experimente, care demonstrează până acum că antimateria se comportă exact la fel ca materia, care, de exemplu, este descrisă în articolul „Aarhus Scientist a realizat cele mai exacte măsurători antihidrogen din istorie”. Și, poate, rezolvarea acestei ghicitori ne va ajuta să găsim particule elementare numite neutrino. Am scris despre asta în articolul „Experimentul cu gheață va dezvălui secretul materiei”.
„Putem spera că vom găsi răspunsul în neutrin, pentru că știm deja că se comportă ciudat. Există multe lacune în fizică aici, așa că ar fi înțelept să începeți să săpați aici”, spune Nikolai Sinner.
Antimateria în sine nu este chiar atât de mistică, însă fizicienii nu și-au dat seama încă de ce există în prezent mult mai multă materie decât antimaterie. Ei lucrează la această problemă.
Henrik Bendix
