Žijeme vo vesmíre, kde je veľa hmoty a celkovo neexistuje antihmota. Dvaja z našich čitateľov chcú vedieť, čo je antihmota, a fyzik im na túto otázku odpovie.
Antihmota. Z tohto slova dýchajú fascinujúce knihy a filmy, v ktorých sa darebáci dostanú k výbušninám z antihmoty alebo vesmírnych lodí, ktoré cestujú po takomto palive.
Čo je to táto látka - čo je v podstate antihmota?
Čitatelia Wiedenskub by to veľmi radi vedeli. Čítali niektoré z mnohých článkov, ktoré sme publikovali o experimentoch na experimenty s antihmotou, ale radi by vedeli viac.
Najprv musíme objasniť, že antihmota fyzikov by sa nemala zamieňať s protilátkami, ktoré sú nám známe z biológie a medicíny. Protilátky (nazývané tiež imunoglobulíny) sú špeciálnymi proteínovými zlúčeninami, ktoré sú súčasťou obranyschopnosti tela proti chorobám. Môžu sa viazať na cudzie molekuly, a tak chrániť organizmus pred mikroorganizmami a vírusmi.
Ale tu o nich nebudeme hovoriť. Kontaktovali sme vedca zo sveta fyziky: Nikolaj Zinner, prednášajúci na Katedre fyziky a astronómie na Aarhus University, s potešením porozpráva o antihmote.
Látka s opačným nábojom
Propagačné video:
„Všetky tie častice, ktoré, ako vieme, sú v prírode, všetko, z čoho náš svet pozostáva, existujú vo variantoch s opačným nábojom. Toto je antihmota, “hovorí Nikolai Sinner.
„Antihmota vyzerá presne rovnako a má rovnakú hmotnosť ako obyčajná hmota, ale má presne opačný náboj. Napríklad kladne nabité pozitróny majú záporne nabité elektróny. Pozitóny sú antičastice elektrónov. ““
O antihmote teda nie je nič zásadne neobvyklé. Je to iba látka s opačným nábojom v porovnaní s látkou v prostredí, v ktorom sa zvyčajne nachádzame. Ale prečo je toho tak málo, je to len záhada a my sa k tomu vrátime neskôr.
„V každodennom živote sa nestretávame s antihmotou, ale vyskytuje sa v mnohých situáciách, napríklad počas rádioaktívneho rozkladu, pod vplyvom kozmického žiarenia a v urýchľovačoch. Znova to veľmi rýchlo zmizne. Keď pozitrón stretne elektrón, výsledkom je čistá energia vo forme dvoch vysokoenergetických svetelných častíc - quanta.
Zmizne v záblesku svetla
„Tu je elektrón a pozitrón, majú opačné náboje, takže priťahujú. Môžu sa navzájom veľmi priblížiť a keď k tomu dôjde, zlúčia sa a vytvoria dva fotóny. To je dôsledok prírodných zákonov, - hovorí Nikolai Sinner. "Hmotnosť dvoch častíc sa premieňa na energiu vo forme dvoch častíc - kvanta gama žiarenia."
„Keby ste mali veľa antihmoty a dovolili by ste, aby prišiel do kontaktu s bežnou hmotou, spôsobili by ste veľmi silnú reakciu. A naopak: energia sa môže premeniť na látku a antihmotu, a to sa deje v urýchľovačoch častíc. ““
Používa sa v lekárskych skeneroch
Je to tento jav, keď stretnutie hmoty a antihmoty vedie k ich zániku a uvoľneniu energie, je pravdepodobne prvou vecou, ktorá fascinuje autorov science-fiction.
Napríklad antihmota hrá dôležitú úlohu v anjeloch a démonoch Dana Browna a v Star Trek medzihviezdne lode jazdia na antihmote.
Ale v skutočnom svete má antihmota miernejšie uplatnenie.
Antihmota vo forme pozitrónov z rozpadu rádioaktívnych materiálov sa používa v nemocniciach v skeneroch PET (pozitrónová emisná tomografia), ktoré v nich dokážu snímať vnútorné orgány a zisťovať v nich nezdravé procesy.
"Antihmota nie je tak záhadná." Toto je časť prírody, ktorú nás baví, “hovorí Nikolai Sinner.
Tiež sme vystavení antihmote tým, že jeme banány. Obsahujú draslík, ktorý je mierne rádioaktívny a pri rozklade uvoľňuje pozitróny. Približne každých 75 minút banán emituje pozitrón, ktorý sa rýchlo zráža s elektrónom a premení sa na dva fotóny gama.
To všetko však rozhodne nie je nebezpečné. Aby sme dostali dávku žiarenia, ktorá zodpovedá tomu, čo dostaneme pri röntgenovom snímaní, musíme spotrebovať niekoľko stoviek banánov.
Bolo to predpovedané ešte pred objavom
Lepšie pochopíte, čo je antihmota, ak sa pozriete na históriu jeho objavenia. Je zaujímavé, že existencia antihmoty bola predpovedaná ešte predtým, ako bola objavená.
V dvadsiatych rokoch sa ukázalo, že nová teória nazývaná kvantová mechanika je ideálna na popis najmenších častíc hmoty - atómov a elementárnych častíc. Kombinovanie kvantovej mechaniky s druhou veľkou teóriou 20. storočia, teóriou relativity však nebolo také ľahké.
Mladý britský fyzik Paul Dirac sa ponáhľal vyriešiť tento problém a podarilo sa mu odvodiť rovnicu, ktorá kombinuje kvantovú mechaniku so špeciálnou relativitou.
Pomocou tejto rovnice bolo možné opísať pohyb elektrónu, aj keď sa jeho rýchlosť priblížila rýchlosti svetla.
Ale rovnica pripravila prekvapenie. Mal dve riešenia, presne ako rovnica "x² = 4": x = 2 a x = -2 ". To znamená, že by mohla opísať nielen dobre známy elektrón, ale aj ďalšiu časticu - elektrón so zápornou energiou.
Objavené vo Wilsonovej cele
Potom nič nevedeli o časticiach so zápornou energiou a Paul Dirac interpretoval jeho objav nasledovne: môže existovať častica, ktorá je presne rovnaká ako elektrón, s výnimkou opačného náboja.
Ak má elektrón záporný náboj, musí existovať zodpovedajúca častica s kladným nábojom. Podľa výpočtov by sa rovnaké pravidlo malo vzťahovať na všetky elementárne častice, tj všeobecne na všetky častice, ktoré tvoria svet.
A tak sa začal hľadať anti-elektrón. Americký fyzik Carl Anderson použil hmlovú kameru (aka Wilsonovu kameru) na detekciu stôp častíc z vesmíru, ktoré majú rovnakú hmotnosť ako elektrón, ale s opačným nábojom.
Takto bol objavený Diracova antielektron, ktorý bol pomenovaný pozitrón - skratka pre „pozitívny elektrón“. Od tej chvíle boli postupne objavené nové antičastice.
Na začiatku bol vesmír čistou energiou
Dirac navrhol, že vzdialené hviezdy - možno polovica všetkého, čo vidíme na oblohe - môžu byť zložené z antihmoty, na tom nezáleží. Vyplýva to napríklad z jeho reči, ktorú predniesol pri prijatí Nobelovej ceny za fyziku v roku 1933.
Ale dnes vieme, že všetko vo vesmíre pozostáva iba z hmoty, nie z antihmoty. A to je skutočne tajomné, pretože na začiatku existencie vesmíru malo byť približne rovnaké množstvo oboch, vysvetľuje Nikolai Sinner.
„Ak začneme prevíjať vývoj vesmíru, energia bude čoraz viac. Hustota sa zvýši, teplota sa zvýši. Nakoniec sa všetko zmení na čistú energiu - energiu prenášajúce alebo silové častice, ako sú fotóny. Podľa našich najbežnejších kozmologických teórií to bol začiatok vesmíru. ““
„A ak sa od tohto referenčného bodu vrátime ďalej, v určitom okamihu sa bude musieť energia začať premieňať na látku. Je úplne možné vytvoriť hmotu z čistej energie, ale v tomto prípade získate toľko antihmoty ako hmotu. To je problém - očakávali by ste rovnaké množstvo oboch. ““
„Musí existovať nejaký zákon prírody, ktorý je zodpovedný za skutočnosť, že dnes existuje viac vecí ako antihmota. O tejto nerovnováhe sa nedá povedať nič viac. A tak sa táto asymetria dá vysvetliť. ““
Neutrinos pomôže vyriešiť hádanku
Veľkou otázkou je, kde by sa v prírodných zákonoch mali hľadať príčiny víťazstva hmoty nad antihmotou. Fyzici sa to snažia zistiť pomocou experimentov.
Vo výskumnom stredisku CERN vo Švajčiarsku sa antihmota vyrába a zachytáva v magnetických poliach a prostredníctvom série experimentov s antihydrogénom sa fyzici snažia nájsť odpoveď na otázku, či sú hmota a antihmota navzájom presnými zrkadlovými obrazmi.
Možno medzi nimi stále existuje malý rozdiel, s výnimkou náboja, a tento rozdiel pomôže vysvetliť, prečo je vo vesmíre toľko hmoty ako antihmota.
Podarilo sa vytvoriť antihelium
Pretože antihmota je veľmi zriedkavá a rýchlo mizne, keď narazí na látku, v prírode nie sú žiadne molekuly antihmoty a je možné vytvoriť iba jej najmenšie molekuly.
V roku 2011 sa americkým vedcom podarilo vytvoriť antihelium. Neboli žiadne väčšie atómy.
O týchto experimentoch sme veľa písali vo Wiedenskabe, ktoré doteraz ukazujú, že antihmota sa správa rovnako ako hmota, čo je opísané napríklad v článku „Aarhusský vedec uskutočnil najpresnejšie merania antihydrogénov v histórii“. A možno, vyriešenie tejto hádanky nám pomôže nájsť elementárne častice nazývané neutrína. O tom sme písali v článku „Experiment na ľade odhalí tajomstvo hmoty.“
„Dúfame, že nájdeme odpoveď v neutríne, pretože už vieme, že sa správa čudne. Vo fyzike je veľa medzier, takže by bolo múdre začať sa tu kopať, “hovorí Nikolai Sinner.
Samotný antihmota nie je všetko mystický, ale fyzici ešte neprišli na to, prečo je dnes vo vesmíre omnoho viac hmoty ako antihmota. Na tejto otázke pracujú.
Henrik Bendix