Mēs dzīvojam Visumā, kur ir daudz matēriju, un kopumā nav antimateriāla. Divi no mūsu lasītājiem vēlas uzzināt, kas ir antimateriāls, un fiziķis viņiem sniedz atbildi uz šo jautājumu.
Antimatērija. No šī vārda elpo aizraujošas grāmatas un filmas, kurās nelieši nokļūst sprāgstvielās no antimatērijas vai kosmosa kuģi ceļo ar šādu degvielu.
Bet kas ir šī viela - kas būtībā ir antimateriāls?
Wiedenskub lasītāji to ļoti gribētu zināt. Viņi ir lasījuši dažus no daudzajiem rakstiem, ko esam publicējuši par fiziķu eksperimentiem ar antimatēriju, bet viņi labprāt uzzinātu vairāk.
Pirmkārt, mums jāprecizē, ka fiziķu antimatēriju nevajadzētu sajaukt ar tām antivielām, kuras mums ir pazīstamas no bioloģijas un medicīnas. Tur antivielas (sauktas arī par imūnglobulīniem) ir īpaši olbaltumvielu savienojumi, kas ir ķermeņa aizsardzības daļa no slimībām. Tās var saistīties ar svešām molekulām un tādējādi aizsargāt ķermeni no mikroorganismiem un vīrusiem.
Bet šeit mēs par viņiem nerunāsim. Mēs sazinājāmies ar zinātnieku no fizikas pasaules: Nikolajs Ziners, Orhūsas universitātes Fizikas un astronomijas katedras skolotājs, labprāt mums pastāstīs par antimatēriju.
Viela ar pretēju lādiņu
Reklāmas video:
“Visas tās daļiņas, kuras, kā mēs zinām, ir dabā, viss, no kā sastāv mūsu pasaule, eksistē variantos ar pretēju lādiņu. Šī ir antimateriāla,”saka Nikolajs Sinners.
“Antimatērija izskatās tieši tāda pati, un tai ir tāda pati masa kā parastajai vielai, bet tai ir tieši pretēja maksa. Piemēram, pozitīvi uzlādētiem pozitroniem ir negatīvi lādēti elektroni. Positroni ir elektronu daļiņas."
Tātad antimatērijā nav nekas ārkārtīgi neparasts. Tā ir tikai viela ar pretēju lādiņu, salīdzinot ar vielu vidē, kuras vidē parasti atrodamies. Bet kāpēc tas ir tik maz, tas ir tikai noslēpums, un mēs pie tā atgriezīsimies vēlāk.
“Ikdienā mēs nesaskaramies ar antimateriālu, taču tas parādās daudzās situācijās, piemēram, radioaktīvās sabrukšanas laikā, kosmiskā starojuma ietekmē un paātrinātājos. Tas vienkārši ļoti ātri atkal pazūd. Kad pozitronu satiek ar elektronu, rezultāts ir tīra enerģija divu augstas enerģijas gaismas daļiņu - kvantu - veidā.
Pazūd zibspuldzē
“Šeit ir elektrons un pozitrons, viņiem ir pretēji lādiņi, tāpēc tie piesaista. Viņi var nonākt ļoti tuvu viens otram, un, kad tas notiek, viņi saplūst un veido divus fotonus. Tās ir dabas likumu sekas, - saka Nikolajs Sinners. "Divu daļiņu masa tiek pārveidota enerģijā divu daļiņu formā - gamma starojuma kvanti."
“Ja jums būtu daudz antimateriāla un ļautu tam nonākt saskarē ar parasto lietu, jūs izraisītu ļoti spēcīgu reakciju. Un otrādi: enerģiju var pārveidot matērijā un antimatērijā, un tas notiek daļiņu paātrinātājos."
Izmanto medicīnas skeneros
Tieši šī parādība, kad matērijas un antimateriāla tikšanās noved pie viņu pazušanas un enerģijas izdalīšanās, iespējams, ir pirmā lieta, kas aizrauj zinātniskās fantastikas autorus.
Piemēram, antimatērijai ir liela loma Danas Brauna filmā Eņģeļi un dēmoni, un filmā Star Trek starpzvaigžņu kuģi darbojas uz antimatērijas.
Bet reālajā pasaulē antimatērijai ir mierīgāka piemērošana.
Antimateriālu pozitronu veidā no radioaktīvo materiālu sabrukšanas slimnīcās izmanto PET (pozitronu emisijas tomogrāfijas) skeneros, kas var fotografēt iekšējos orgānus un atklāt tajos neveselīgus procesus.
“Tātad antimateriāls nav tik mistisks. Šī ir dabas sastāvdaļa, kuru mums patīk izmantot,”saka Nikolajs Sinners.
Ēdot banānus, mēs pakļaujamies arī antimateriālam. Tie satur kāliju, kas ir nedaudz radioaktīvs un, samazinoties, atbrīvo pozitronus. Apmēram ik pēc 75 minūtēm banāns izstaro pozitronu, kas ātri saduras ar elektronu, un tie pārvēršas divos gamma fotonos.
Bet tas viss absolūti nav bīstams. Lai iegūtu starojuma devu, kas atbilst tam, ko iegūstam, uzņemot rentgenu, mums būs jāpatērē vairāki simti banānu.
Tas tika prognozēts pat pirms atklāšanas
Jūs varat labāk saprast, kas ir antimateriāls, ja paskatāties uz tā atklāšanas vēsturi. Interesanti, ka antimateriāla esamība tika prognozēta pat pirms tā atklāšanas.
1920. gados izrādījās, ka jauna teorija, ko sauc par kvantu mehāniku, bija lieliski piemērota mazāko matērijas daļiņu - atomu un elementāro daļiņu - aprakstīšanai. Bet nebija tik vienkārši apvienot kvantu mehāniku ar 20. gadsimta otro lielo teoriju - relativitātes teoriju.
Jaunais britu fiziķis Pols Diraks steidzās risināt šo problēmu un viņam izdevās iegūt vienādojumu, kas apvieno kvantu mehāniku ar īpašu relativitāti.
Izmantojot šo vienādojumu, kļuva iespējams aprakstīt elektronu kustību, pat ja tā ātrums tuvojās gaismas ātrumam.
Bet vienādojums sagatavoja pārsteigumu. Viņam bija divi risinājumi, tāpat kā vienādojums "x² = 4": x = 2 un x = -2 ". Tas ir, tas varētu aprakstīt ne tikai labi zināmo elektronu, bet arī citu daļiņu - elektronu ar negatīvu enerģiju.
Atklāts Vilsona kamerā
Tad viņi neko nezina par daļiņām ar negatīvu enerģiju, un Pols Diraks savu atklājumu interpretēja šādi: var būt daļiņa, kas ir tieši tāda pati kā elektronam, izņemot pretēju lādiņu.
Ja elektronam ir negatīva lādiņa, tad jābūt atbilstošai daļiņai ar pozitīvu lādiņu. Pēc aprēķiniem, tas pats noteikums būtu jāpiemēro visām elementārajām daļiņām, tas ir, vispār, visām daļiņām, kas veido pasauli.
Un tā sākās antielektronu medības. Amerikāņu fiziķis Karls Andersons izmantoja miglas kameru (aka Vilsona kameru), lai atklātu daļiņu pēdas no kosmosa, kurām ir tāda pati masa kā elektronam, bet ar pretēju lādiņu.
Tādējādi tika atklāts Diraka antielektrons, kurš tika nosaukts par pozitronu - īsu “pozitīvajam elektronam”. Kopš tā brīža, soli pa solim, tika atklātas jaunas antidaļiņas.
Visums sākumā bija tīra enerģija
Diraks ierosināja, ka tālu zvaigznes - iespējams, pusi no visām debesīs redzamajām zvaigznēm - var veidot antimateriāls, nevis matērija. Tas izriet, piemēram, no viņa runas, kuru viņš teica, pieņemot Nobela prēmiju fizikā 1933. gadā.
Bet šodien mēs zinām, ka viss Visumā sastāv tikai no matērijas, nevis no antimateriāla. Un tas tiešām ir noslēpumains, jo Visuma pastāvēšanas sākumā abiem vajadzēja būt aptuveni vienādam apjomam, skaidro Nikolajs Sinners.
“Ja mēs sāksim attīt Visuma attīstību, enerģijas kļūs arvien vairāk. Palielināsies blīvums, paaugstināsies temperatūra. Visbeidzot, viss pārvērtīsies tīrā enerģijā - enerģiju pārnēsājošās vai spēka daļiņās, piemēram, fotonos. Pēc mūsu izplatītākajām kosmoloģiskajām teorijām tas bija Visuma sākums."
“Un, ja mēs atkal ejam uz priekšu no šī atskaites punkta, tad kādā brīdī enerģijai būs jāsāk pārveidoties matērijā. Matēriju ir pilnīgi iespējams radīt no tīras enerģijas, taču šajā gadījumā jūs saņemat tik daudz antimateriāla kā matērija. Tā ir problēma - jūs sagaidāt vienādu summu no abiem."
“Jābūt kaut kādam dabas likumam, kas ir atbildīgs par to, ka mūsdienās vairāk ir matērija nekā antimateriāls. Un neko vairāk nevar teikt par šo nelīdzsvarotību. Un tāpēc šo asimetriju varēja izskaidrot."
Neitrinos palīdzēs atrisināt mīklu
Lielais jautājums ir, kur dabas likumos jāmeklē iemesls matērijas uzvarai pār antimateriālu. Fiziķi to mēģina izdomāt ar eksperimentu palīdzību.
CERN pētījumu centrā Šveicē antimateriāls tiek ražots un ieslodzīts magnētiskajos laukos, un, izmantojot virkni eksperimentu ar antiūdeņradi, fiziķi mēģina rast atbildi uz jautājumu, vai matērija un antimateriāls ir precīzi viena otra spoguļattēli.
Varbūt starp tām joprojām ir neliela atšķirība, izņemot lādiņu, un šī atšķirība palīdzēs izskaidrot, kāpēc Visumā ir tik daudz matēriju, kas attiecas uz antimatēriju.
Izdevās radīt antiheliju
Tā kā antimatērija ir ļoti reti sastopama un ātri izzūd, saskaroties ar vielu, dabā nav antimateriāla molekulu, un var izveidot tikai tās mazākās molekulas.
2011. gadā amerikāņu zinātniekiem izdevās izveidot antihēliju. Lielāku atomu nebija.
Mēs, Wiedenskab, rakstījām daudz par šiem eksperimentiem, kas līdz šim pierāda, ka antimatērija uzvedas tieši tāpat kā matērija, kas, piemēram, ir aprakstīta rakstā “Orhūsas zinātnieks veica precīzākos antiūdeņraža mērījumus vēsturē”. Un, iespējams, šīs mīklas atrisināšana palīdzēs mums atrast elementārdaļiņas, ko sauc par neitrīniem. Par to mēs rakstījām rakstā "Ledus eksperiments atklās matērijas noslēpumu."
“Mēs varam cerēt, ka atbildi atradīsim neitrīnā, jo mēs jau zinām, ka tā uzvedas savādi. Fizikā šeit ir daudz nepilnību, tāpēc būtu prātīgi šeit sākt rakt,”saka Nikolajs Sinners.
Antimērija pati par sevi nav tik mistiska, taču fiziķi vēl nav izdomājuši, kāpēc mūsdienās Visumā ir tik daudz matēriju, nekā antimateriāla. Viņi strādā pie šī jautājuma.
Henriks Bendiks