Olyan univerzumban élünk, ahol nagyon sok anyag van, és általában véve nincs antianyag. Két olvasónk szeretné tudni, mi az antianyag, és egy fizikus választ ad nekik erre a kérdésre.
Az antianyag. Ebből a szavból lenyűgöző könyveket és filmeket lélegzik, amelyekben a gazemberek az antianyagból robbanóanyagokhoz jutnak, vagy az űrhajók ilyen üzemanyaggal utaznak.
De mi ez az anyag - mi lényegében antianyag?
A Wiedenskub olvasói ezt nagyon szeretnék tudni. Elolvastak annak a sok cikknek a néhányát, amelyet közzétettünk a fizikusok antiterápiával végzett kísérleteiről, ám szeretnének többet megtudni.
Először tisztáznunk kell, hogy a fizikusok antianyagát nem szabad összetéveszteni azokkal az ellenanyagokkal, amelyekről a biológia és az orvostudomány ismert. Az antitestek (más néven immunoglobulinok) speciális fehérjevegyületek, amelyek a test védelme a betegségekkel szemben. Ezek kötődhetnek idegen molekulákhoz, és ezzel megvédik a testet a mikroorganizmusoktól és a vírusoktól.
De itt nem fogunk róluk beszélni. Felvetettük a kapcsolatot a fizika világának tudósával: Nikolaj Zinner, az Aarhusi Egyetem Fizikai és Csillagászati Tanszékének tanára örömmel mesél el nekünk az antianyagról.
Anyag ellentétes töltéssel
Promóciós videó:
„Azok a részecskék, amelyek, amint tudjuk, természetükben vannak, és minden, amiből világunk áll, változatlanul léteznek, ellentétes töltéssel. Ez antianyag”- mondja Nikolai Sinner.
„Az antianyag pontosan ugyanaz, és ugyanolyan tömegű, mint a rendes anyag, de pontosan ellentétes töltéssel rendelkezik. Például a pozitív töltésű pozitronok negatív töltésű elektronokkal rendelkeznek. A pozitronok az elektronok részecskéi."
Tehát nincs alapvetően szokatlan az antianyag. Ez csak egy olyan anyag, amelynek ellentétes töltése van ahhoz a anyaghoz képest, amelynek környezetében általában megtaláljuk őket. De miért van ilyen kevés ez, csak rejtély, és később visszatérünk erre.
„A mindennapi életben nem találkozunk az antianyaggal, de ez sok esetben megjelenik, például radioaktív bomlás során, a kozmikus sugárzás hatására és a gyorsítókban. Csak nagyon gyorsan eltűnik. Amikor a pozitron találkozik egy elektronmal, az eredmény tiszta energia két nagy energiájú fényrészecske - kvantum - formájában.
A vaku villog
„Itt egy elektron és pozitron, ellentétes töltésűek, tehát vonzzák. Nagyon közel kerülhetnek egymáshoz, és amikor ez megtörténik, összeolvadnak és két fotont képeznek. Ez a természet törvényeinek következménye - mondja Nikolai Sinner. "Két részecske tömege energiává válik két részecske formájában - a gamma-sugárzás kvantumai".
„Ha sok antianyag lenne, és hagynád, hogy érintkezésbe kerüljön a rendes anyaggal, akkor nagyon erős reakciót válthat ki. És fordítva: az energia anyaggá és antianyaggá alakulhat, és ez történik a részecskegyorsítókban."
Orvosi szkennerekben használják
Ez a jelenség, amikor az anyag és az antianyag találkozása eltűnéséhez és az energia felszabadításához vezet, valószínűleg az első, ami a tudományos fantasztikus írókat lenyűgözi.
Például az antianyag fontos szerepet játszik Dan Brown angyalaiban és démonjaiban, a Star Trek-ben pedig a csillagközi hajók az antimaterialon futnak.
De a való világban az antianyag békésebben alkalmazható.
A radioaktív anyagok bomlásából származó pozitronok formájában lévő antianyagot a kórházakban használják PET (pozitron emissziós tomográfia) szkennerekben, amelyek képesek a belső szervek felvételére és az egészségtelen folyamatok felismerésére.
„Tehát az antianyag nem annyira misztikus. Ez egy olyan természet része, amelyet élvezünk használni”- mondja Nikolai Sinner.
Banánok etetésével ki is tesszük magunkat az antianyagnak. Káliát tartalmaznak, amely enyhén radioaktív és felszabadítja a pozitronokat, ha bomlik. Körülbelül 75 percenként egy banán pozitront bocsát ki, amely gyorsan összeütközik egy elektronnal, és két gamma fotonmá alakul.
De mindez egyáltalán nem veszélyes. Ahhoz, hogy egy olyan sugárzási adagot kapjunk, amely megegyezik azzal, amit röntgenfelvételnél kapunk, több száz banánt kell fogyasztanunk.
Ezt már a felfedezés előtt megjósolták
Ha megnézi annak felfedezésének történetét, jobban megértheti, mi az az antianyag. Érdekes módon az antianyag meglétét még a felfedezése előtt megjósolták.
Az 1920-as években kiderült, hogy egy új kvantummechanika elmélet tökéletes az anyag legkisebb részecskéinek - atomok és az elemi részecskék - leírására. De nem volt ilyen egyszerű a kvantummechanikát a 20. század második nagy elméletével - a relativitáselmélettel - kombinálni.
A fiatal brit fizikus, Paul Dirac sietett megoldani ezt a problémát, és sikerült olyan egyenletet kinyernie, amely a kvantummechanikát a speciális relativitáselméleti képességgel kombinálja.
Ezen egyenlet segítségével lehetett leírni egy elektron mozgását, még akkor is, ha sebessége megközelítette a fénysebességet.
De az egyenlet meglepetést készített. Két megoldása volt, csakúgy, mint az "x² = 4" egyenlet: x = 2 és x = -2 ". Vagyis nem csak a jól ismert elektronot, hanem egy másik részecskét is leírhat - negatív energiájú elektronot.
Wilson cellájában fedezték fel
Aztán semmit sem tudtak a negatív energiájú részecskékről, és Paul Dirac a következőképpen értelmezte felfedezését: lehet olyan részecske, amely pontosan ugyanaz, mint egy elektron, az ellenkező töltés kivételével.
Ha az elektron negatív töltéssel rendelkezik, akkor ott kell lennie egy megfelelő pozitív töltésű részecskének. A számítások szerint ugyanazt a szabályt kell alkalmazni minden elemi részecskére, vagyis általában azokra a részecskékre, amelyek a világot alkotják.
Így kezdődött az anti-elektron vadászat. Carl Anderson amerikai fizikus ködkamerát (más néven Wilson fényképezőgépét) használt az űrből származó részecskék nyomainak felismerésére, amelyek tömege azonos az elektronral, de ellentétes töltéssel.
Így fedezték fel Dirac antielektronját, amelyet positronnak neveztek - rövidül a "pozitív elektronnak". Ettől a pillanattól kezdve, lépésről lépésre, új részecskéket fedeztek fel.
A világegyetem eleinte tiszta energia volt
Dirac azt sugallta, hogy a távoli csillagok - az égboltban láthatatlanok felének - valószínűleg antianyagból, nem pedig anyagból állhatnak. Ez például a beszédéből fakad, amelyet 1933-ban a fizikai Nobel-díj elfogadásakor mondott el.
De ma tudjuk, hogy az univerzumban minden csak az anyagból áll, és nem az antianyagból. És ez valóban rejtélyes, mert az univerzum létezésének kezdetén mindkettőnek megközelítőleg azonos mennyiségben kellett lennie - magyarázza Sinner Nikolai.
„Ha elkezdjük visszatekerni a világegyetem fejlődését, akkor az energia egyre növekszik. A sűrűség növekszik, a hőmérséklet megemelkedik. Végül minden tiszta energiává válik - energiát hordozó vagy erő részecskékké, mint fotonok. Ez volt a világegyetem kezdete, a leggyakoribb kozmológiai elméleteink szerint."
„És ha ismét tovább haladunk ebből a referenciapontból, akkor egy bizonyos pontban az energiának meg kell kezdeni az anyaggá alakulását. Teljesen lehetséges az anyag tiszta energiából létrehozása, de ebben az esetben annyi antisztatikus anyagot kap, mint az anyag. Ez a probléma - számítana ugyanannyira mindkettőre."
„Bizonyos természetvédelmi törvénynek kell lennie, amely felelős azért, hogy manapság több anyag legyen, mint az antianyag. És nem lehet többet mondani erről az egyensúlyhiányról. És így ezt az aszimmetriát meg lehet magyarázni."
A Neutrinos segít megoldani a rejtvényt
A nagy kérdés az, hogy a természet törvényeiben hol kell keresni az anyag győzelmének okát az antianyag felett. A fizikusok ezt kísérletekkel próbálják kitalálni.
A CERN svájci kutatóközpontjában antianyagot állítanak elő és tartanak mágneses mezőkben, és antihidrogén kísérletek sorozatán keresztül a fizikusok megpróbálnak választ találni arra a kérdésre, hogy az anyag és az antianyag egymás pontos tükörképei-e.
Talán még mindig van egy kis különbség között, a töltés kivételével, és ez a különbség segít megmagyarázni, hogy miért van annyi anyag az univerzumban az antianyaghoz képest.
Sikerült antiheliumot létrehozni
Mivel az antianyag nagyon ritka és gyorsan eltűnik, amikor egy anyaggal találkozik, a természetben nincsenek antianyag-molekulák, és csak annak legkisebb molekulái hozhatók létre.
2011-ben az amerikai tudósoknak sikerült antihéliumot létrehozniuk. Nincsenek nagyobb atomok.
Mi, Wiedenskab, sokat írtunk ezekről a kísérletekről, amelyek eddig bebizonyították, hogy az antianyag pontosan ugyanúgy viselkedik, mint az anyag, amint például a „Aarhus tudós a történelem legpontosabb antihidrogén méréseit” című cikkben leírták. És talán ennek a rejtvénynek a megoldása segít megtalálni a neutrínóknak nevezett elemi részecskéket. Erről írtuk a "Jégkísérlet felfedi az anyag titkát" című cikkben.
„Reméljük, hogy a neutrínóban megtalálja a választ, mert már tudjuk, hogy furcsán viselkedik. Sok hiány van a fizikában itt, ezért bölcs dolog lenne itt ásni”- mondja Nikolai Sinner.
Maga az antianyag nem ennyire misztikus, de a fizikusok még nem jutottak kitalálásra, hogy a világegyetemben miért van annyira sok anyag, mint az antimateria. Ezen a témán dolgoznak.
Henrik Bendix