Me elame universumis, kus on palju ainet ja üldiselt pole antimaterjali üldse. Kaks meie lugejat tahavad teada, mis on antimaterjal, ja füüsik annab neile sellele küsimusele vastuse.
Antimaterjal. Sellest sõnast õhkub põnevaid raamatuid ja filme, milles kaabakas pääseb antimaterjalist lõhkekehadesse või kosmoselaevad reisivad sellise kütusega.
Kuid mis see aine on - mis on sisuliselt antimaterjal?
Wiedenskubi lugejad tahaksid seda väga teada. Nad on lugenud mõnda paljudest artiklitest, mille oleme avaldanud füüsikute katsetest antimaterjaliga, kuid neile meeldiks rohkem teada saada.
Esiteks peame selgitama, et füüsikute antimaterjali ei tohiks segi ajada antikehadega, mis on meile teada bioloogiast ja meditsiinist. Seal on antikehad (mida nimetatakse ka immunoglobuliinideks) spetsiaalsed valguühendid, mis on osa keha kaitsest haiguste vastu. Nad võivad seostuda võõraste molekulidega ja kaitsta seega keha mikroorganismide ja viiruste eest.
Kuid siin ei räägi me neist. Võtsime ühendust füüsikamaailma teadlasega: Aarhusi ülikooli füüsika ja astronoomia osakonna õpetaja Nikolaj Zinner räägib meile meeleldi antimaterjalist.
Aine vastupidise laenguga
Reklaamvideo:
„Kõik need osakesed, mis, nagu me teame, on looduses, kõik, millest meie maailm koosneb, eksisteerivad variatsioonides vastupidise laenguga. See on antimaterjal,”ütleb Nikolai Sinner.
“Antimaterjal näeb välja täpselt sama ja tavalise ainega sama mass, kuid sellel on täpselt vastupidine laeng. Näiteks positiivselt laetud positronitel on negatiivselt laetud elektronid. Positronid on elektronide antiosakesed."
Nii et antimaterjalis pole midagi põhimõtteliselt ebaharilikku. See on lihtsalt aine, mille laeng on vastupidine selle aine suhtes, mille keskkonnas me tavaliselt leiame. Kuid miks seda nii vähe on, on lihtsalt mõistatus ja naaseme selle juurde hiljem.
„Igapäevaelus ei kohta me antimaterjali, kuid see ilmneb paljudes olukordades, näiteks radioaktiivse lagunemise ajal, kosmilise kiirguse mõjul ja kiirendites. See lihtsalt kaob jälle väga kiiresti. Kui positron kohtub elektroniga, on tulemuseks puhas energia kahe suure energiatarbega valgusosakese - kvandi - kujul.
Kaob valguse käes
“Siin on elektron ja positron, neil on vastupidised laengud, nii et nad meelitavad. Nad saavad üksteisega väga lähedale ja kui see juhtub, liituvad nad ja moodustavad kaks footoni. See on loodusseaduste tagajärg, - ütleb Nikolai Sinner. "Kahe osakese mass muundatakse energiaks kahe osakese kujul - gammakiirguse kvantid."
„Kui teil oleks palju antimaterjali ja kui lasksite sellel tavalise mateeriaga kokku puutuda, siis põhjustaksite väga võimsa reaktsiooni. Ja vastupidi: energiat saab muundada mateeriaks ja antimaterjaliks ning see juhtub osakeste kiirendites."
Kasutatakse meditsiinilistes skannerites
Just see nähtus, kui mateeria ja antimaterjali kokkusaamine viib nende kadumiseni ja energia vabanemiseni, on ilmselt esimene asi, mis ulme autoreid paelub.
Näiteks antimaterjal mängib olulist rolli Dan Browni inglites ja deemonites ning Star Trekis töötavad tähtedevahelised laevad antimaterjalil.
Kuid reaalses maailmas on antimaterjalil rahulikum rakendus.
Radioaktiivsete materjalide lagunemisest tekkinud positronide kujulist antimaterjali kasutatakse haiglates PET (positronemissioontomograafia) skannerites, mis võimaldavad pildistada siseorganeid ja tuvastada neis ebatervislikke protsesse.
“Nii et antimaterjal pole sugugi nii müstiline. See on osa loodusest, mida meile meeldib kasutada,”ütleb Nikolai Sinner.
Samuti paljastame banaane süües antimaterjali. Need sisaldavad kaaliumi, mis on kergelt radioaktiivne ja vabastab lagunemisel postroneid. Umbes iga 75 minuti järel kiirgab banaan positronit, mis põrkub kiiresti elektroniga ja need muutuvad kaheks gamma footoniks.
Kuid see kõik pole absoluutselt ohtlik. Kiirgusdoosi saamiseks, mis vastab sellele, mida saame röntgenpildi tegemisel, peame tarbima mitusada banaani.
Seda ennustati juba enne avastust
Antimaterjalist saab paremini aru, kui vaadata selle avastamise ajalugu. Huvitaval kombel ennustati antimaterjali olemasolu juba enne selle avastamist.
1920. aastatel selgus, et uus kvantmehaanikaks nimetatav teooria sobib ideaalselt mateeria väikseimate osakeste - aatomite ja elementaarosakeste - kirjeldamiseks. Kuid kvantmehaanika ühendamine 20. sajandi teise suure teooria, relatiivsusteooriaga, polnud aga nii lihtne.
Noor Briti füüsik Paul Dirac kiirustas seda probleemi lahendama ja tal õnnestus tuletada võrrand, mis ühendab kvantmehaanika spetsiaalse relatiivsusega.
Selle võrrandi abil sai võimalikuks kirjeldada elektroni liikumist, isegi kui selle kiirus lähenes valguse kiirusele.
Kuid võrrand valmistas üllatuse. Tal oli kaks lahendust, täpselt nagu võrrand "x² = 4": x = 2 ja x = -2 ". See tähendab, et see võiks kirjeldada mitte ainult tuntud elektroni, vaid ka teist osakest - negatiivse energiaga elektronit.
Avastatud Wilsoni kongis
Siis ei teadnud nad negatiivse energiaga osakestest midagi ja Paul Dirac tõlgendas avastust järgmiselt: võib olla osake, mis on täpselt samasugune kui elektron, välja arvatud vastupidine laeng.
Kui elektronil on negatiivne laeng, siis peab seal olema ka positiivse laenguga osake. Arvutuste kohaselt peaks sama reegel kehtima kõigi elementaarosakeste, st üldiselt kõigi osakeste kohta, mis moodustavad maailma.
Ja nii algaski antikehade jaht. Ameerika füüsik Carl Anderson kasutas udukaamerat (aka Wilsoni kaamerat) kosmose osakeste jälgede tuvastamiseks, millel on elektroniga sama mass, kuid vastupidine laeng.
Nii avastati Diraci antielektron, mida nimetati positroniks - lühikeseks "positiivseks elektroniks". Sellest hetkest alates, samm-sammult, avastati uued antiosakesed.
Universum oli alguses puhas energia
Dirac pakkus, et kauged tähed - võib-olla pool kõigist, mida me taevas näeme - võivad koosneda antimaterjalist, mitte mateeriast. See tuleneb näiteks tema kõnest, mille ta pidas, aktsepteerides 1933. aastal Nobeli füüsikapreemiat.
Kuid täna me teame, et kõik universumis koosneb ainult mateeriast, mitte antimaterjalist. Ja see on tõesti salapärane, sest universumi eksisteerimise alguses oleks pidanud mõlemat olema umbes sama palju, selgitab Nikolai Sinner.
„Kui hakkame universumi arengut tagasi kerima, muutub see energia üha enam. Tihedus suureneb, temperatuur tõuseb. Lõpuks muutub kõik puhtaks energiaks - energiat kandvateks või jõu osakesteks nagu footonid. See oli meie levinumate kosmoloogiliste teooriate kohaselt universumi algus."
„Ja kui me sellest võrdluspunktist uuesti edasi läheme, siis peab mingil hetkel energia hakkama muutuma mateeriaks. Puhtast energiast on täiesti võimalik ainet luua, kuid sel juhul saate sama palju antimaterjali kui ainet. See on probleem - võite eeldada, et mõlemad on võrdsed."
„Peab olema mingi loodusseadus, mis vastutab selle eest, et tänapäeval on rohkem ainet kui antimaterjali. Ja selle tasakaalustamatuse kohta ei saa midagi rohkemat öelda. Ja nii võiks seda asümmeetriat selgitada."
Neutrinod aitavad mõistatust lahendada
Suur küsimus on see, kus loodusseadustes tuleks otsida põhjuseid, miks mateeria võidab antimaterjal. Füüsikud üritavad seda katsete abil välja mõelda.
Šveitsi CERNi teaduskeskuses toodetakse antimaterjali ja püütakse seda magnetväljadesse kinni ning antihüdrogeeniga katsete seeria abil üritavad füüsikud leida vastuse küsimusele, kas mateeria ja antimaterjal on üksteise täpsed peegelpildid.
Võib-olla on nende vahel veel väike erinevus, välja arvatud laeng, ja see erinevus aitab selgitada, miks universumis on antimaterjaliga seoses nii palju ainet.
Haldas luua antiheeliumi
Kuna antimaterjal on väga haruldane ja kaob kiiresti ainega kokku puutudes, pole looduses antimaterjali molekule ja luua saab ainult selle väikseimad molekulid.
2011. aastal õnnestus Ameerika teadlastel luua antiheelium. Suuremaid aatomeid polnud.
Meie, Wiedenskab, oleme neist katsetest palju kirjutanud, mis siiani näitavad, et antimaterjal käitub täpselt samamoodi nagu mateeria, nagu on kirjeldatud näiteks artiklis “Århusi teadlane viis läbi ajaloo kõige täpsemad antivesiniku mõõtmised”. Ja võib-olla aitab selle mõistatuse lahendamine leida elementaarseid osakesi, mida nimetatakse neutriinodeks. Kirjutasime sellest artiklis "Jääkatse paljastab asja saladuse."
„Võib loota, et leiame vastuse neutriinost, sest me juba teame, et see käitub kummaliselt. Füüsikas on siin palju lünki, seega oleks mõistlik hakata siia kaevama,”ütleb Nikolai Sinner.
Antimaterjal ise pole sugugi nii müstiline, kuid füüsikud pole veel välja mõelnud, miks on universumis tänapäeval nii palju ainet kui antimaterjal. Nad töötavad selle teema kallal.
Henrik Bendix
