Ние живеем във вселена, където има много материя и като цяло няма антиматерия изобщо. Двама наши читатели искат да знаят какво е антиматерия и физик им дава отговор на този въпрос.
Антиматерията. От тази дума диша увлекателни книги и филми, в които злодеите стигат до експлозиви от антиматерия или космически кораби пътуват с такова гориво.
Но какво е това вещество - кое всъщност е антиматерия?
Читателите на Wiedenskub много биха искали да знаят това. Те прочетоха някои от многото статии, които публикувахме за експериментите на физиците с антиматерия, но биха искали да знаят повече.
Първо трябва да изясним, че антиматерията на физиците не трябва да се бърка с онези антитела, които са ни известни от биологията и медицината. Там антителата (наричани още имуноглобулини) са специални протеинови съединения, част от защитата на организма срещу заболявания. Те могат да се свързват с чужди молекули и по този начин да предпазват тялото от микроорганизми и вируси.
Но тук няма да говорим за тях. Свързахме се с учен от света на физиката: Николай Зиннер, преподавател в катедрата по физика и астрономия в Орхуския университет, ще се радва да ни разкаже за антиматерията.
Вещество с противоположен заряд
Промоционално видео:
„Всички онези частици, които, както знаем, са в природата, всичко, от което се състои нашия свят, съществуват във варианти с противоположен заряд. Това е антиматерия “, казва Николай Синер.
„Антиматерията изглежда абсолютно същата и има същата маса като обикновената материя, но има точно обратния заряд. Например положително заредените позитрони имат отрицателно заредени електрони. Позитроните са античастици на електрони."
Така че няма нищо принципно необичайно за антиматерията. Това е просто вещество с противоположен заряд спрямо веществото, в околната среда, от което обикновено се срещаме. Но защо има толкова малко от него, е само загадка и ние ще се върнем към това по-късно.
„В ежедневието не срещаме антиматерия, но се среща в много ситуации, например по време на радиоактивен разпад, под въздействието на космическото излъчване и в ускорителите. Просто отново изчезва много бързо. Когато позитронът се срещне с електрон, резултатът е чиста енергия под формата на две високоенергийни светлинни частици - кванти.
Изчезва в светкавица
„Ето един електрон и позитрон, те имат противоположни заряди, така че те привличат. Те могат да се сближат много помежду си и когато това се случи, те се сливат и образуват два фотона. Това е следствие от законите на природата - казва Николай Синер. "Масата на две частици се преобразува в енергия под формата на две частици - кванти на гама излъчване."
„Ако имахте много антиматерия и сте му позволили да влезе в контакт с обикновена материя, бихте предизвикали много мощна реакция. И обратно: енергията може да се преобразува в материя и антиматерия, а това се случва в ускорителите на частици."
Използва се в медицински скенери
Именно това явление, когато срещата на материята и антиматерията води до тяхното изчезване и освобождаване на енергия, вероятно е първото нещо, което очарова авторите на научната фантастика.
Например, антиматерията играе важна роля в „Ангелите и демоните на Дан Браун“, а в „Стар Трек“междузвездни кораби управляват антиматерия.
Но в реалния свят антиматерията има по-спокойно приложение.
Антиматерията под формата на позитрони от разпадането на радиоактивни материали се използва в болници в скенери за PET (позитронно-емисионна томография), които могат да правят снимки на вътрешни органи и да откриват нездравословни процеси в тях.
„Значи антиматерията не е толкова мистична. Това е част от природата, която ние с удоволствие използваме “, казва Николай Синер.
Ние също се излагаме на антиматерия, като ядем банани. Те съдържат калий, който е малко радиоактивен и отделя позитрони, когато се разлага. На всеки 75 минути банан излъчва позитрон, който бързо се сблъсква с електрон и те се превръщат в два гама фотона.
Но всичко това абсолютно не е опасно. За да получим доза радиация, която съответства на това, което получаваме, когато правим рентген, ще трябва да консумираме няколкостотин банана.
Беше предсказано още преди откритието
Можете по-добре да разберете какво е антиматерия, ако погледнете историята на нейното откриване. Интересното е, че съществуването на антиматерия е било предвидено още преди да бъде открито.
През 20-те години се оказа, че нова теория, наречена квантова механика, е перфектна за описание на най-малките частици на материята - атоми и елементарни частици. Но не беше толкова лесно да се комбинира квантовата механика с втората велика теория на 20 век, теорията на относителността.
Младият британски физик Пол Дирак се втурна да реши този проблем и успя да извлече уравнение, което съчетава квантовата механика със специална относителност.
С помощта на това уравнение стана възможно да се опише движението на един електрон, дори скоростта му да се приближава до скоростта на светлината.
Но уравнението подготви изненада. Той имаше две решения, точно като уравнението "x² = 4": x = 2 и x = -2 ". Тоест, той би могъл да опише не само добре познатия електрон, но и друга частица - електрон с отрицателна енергия.
Открит в килията на Уилсън
Тогава те не знаеха нищо за частици с отрицателна енергия и Пол Дирак интерпретира откритието си по следния начин: може да има частица, която да е точно същата като електрон, с изключение на противоположния заряд.
Ако електронът има отрицателен заряд, тогава трябва да има съответна частица с положителен заряд. Според изчисленията, същото правило трябва да важи за всички елементарни частици, тоест като цяло за всички частици, които съставят света.
И така започна ловът на антиелектрона. Американският физик Карл Андерсън използва камера за мъгла (известна още като камерата на Уилсън), за да открие следи от частици от космоса, които имат същата маса като електрон, но с противоположния заряд.
Ето как е открит антиелектронът на Dirac, който е наречен позитрон - съкратен от "положителен електрон". От този момент нататък стъпка по стъпка бяха открити нови античастици.
Вселената беше чиста енергия в началото
Дирак предположи, че далечните звезди - може би половината от всичко, което виждаме в небето - може да са съставени от антиматерия, без значение. Това следва например от речта му, която той произнася, докато приема Нобеловата награда по физика през 1933 г.
Но днес знаем, че всичко във Вселената се състои само от материя, а не от антиматерия. И това е наистина мистериозно, защото в началото на съществуването на Вселената е трябвало да има приблизително еднакво количество и от двете, обяснява Николай Синер.
„Ако започнем да пренавиваме развитието на Вселената, енергията ще става все повече и повече. Плътността ще се увеличава, температурата ще се повишава. И накрая, всичко ще се превърне в чиста енергия - енергоносители или принудителни частици като фотоните. Това беше началото на Вселената, според нашите най-разпространени космологични теории."
„И ако отново продължим напред от тази отправна точка, тогава в един момент енергията ще трябва да започне да се превръща в материя. Напълно е възможно да създадете материя от чиста енергия, но в този случай получавате толкова много антиматерия, колкото материята. Това е проблемът - бихте очаквали една и съща сума и от двете."
„Трябва да има някакъв природен закон, който да е отговорен за факта, че днес има повече материя от антиматерия. И нищо повече не може да се каже за този дисбаланс. И така тази асиметрия би могла да се обясни “.
Neutrinos ще ви помогне да разрешите загадката
Големият въпрос е къде в законите на природата човек трябва да търси причината за победата на материята над антиматерията. Физиците се опитват да разберат това чрез експерименти.
В изследователския център CERN в Швейцария се произвежда антиматерия и се улавя в магнитни полета и чрез поредица от експерименти с антихидроген физиците се опитват да намерят отговор на въпроса дали материята и антиматерията са точни огледални образи един на друг.
Може би все още има малка разлика между тях, с изключение на зареждането, и тази разлика ще ви помогне да се обясни защо във Вселената има толкова много материя спрямо антиматерията.
Успя да създаде антихелий
Тъй като антиматерията е много рядка и бързо изчезва, когато се натъкне на вещество, в природата няма молекули на антиматерия и могат да бъдат създадени само най-малките му молекули.
През 2011 г. американски учени успяват да създадат антихелий. Нямаше по-големи атоми.
Ние от Wiedenskab написахме много за тези експерименти, които досега показват, че антиматерията се държи по абсолютно същия начин като материята, което например е описано в статията „Учен от Орхус извърши най-точните измервания на антихидроген в историята“. И може би решаването на тази загадка ще ни помогне да намерим елементарни частици, наречени неутрино. За това писахме в статията "Леденият експеримент ще разкрие тайната на материята."
„Можем да се надяваме, че ще намерим отговора в неутрино, защото вече знаем, че се държи странно. Тук има много пропуски във физиката, така че би било разумно да започнете да копаете тук “, казва Николай Синер.
Самата антиматерия не е чак толкова мистична, но физиците все още не са разбрали защо днес във Вселената има толкова повече материя от антиматерията. Те работят по този въпрос.
Хенрик Бендикс
