Universet er fullt av fantastiske hemmeligheter. Skremmende sorte hull, paradoksens "mørke materie", uforutsigbare dobbelstjerner. En av de mest kjente og spennende oppgavene er selvfølgelig antimateriell, som består av "innvendig" materie. Oppdagelsen av dette fenomenet er et av de viktigste prestasjonene i fysikk i det siste århundre.
Opp til dette punktet var forskere overbevist om at elementære partikler er de grunnleggende og uforanderlige byggeklossene i universet, som ikke er født igjen og aldri forsvinner. Dette kjedelige og ukompliserte bildet er en ting fra fortiden da det viste seg at den negativt ladede elektronen og dens motstykke fra anti-verden positronen er gjensidig ødelagt, noe som gir opphav til energikvanta. Og senere ble det åpenbart at elementære partikler generelt sett vil forvandle seg til hverandre og på de mest bisarre måtene. Oppdagelsen av antimatter var begynnelsen på en radikal omforming av ideer om universets egenskaper.
Antimatter har lenge vært et favorittemne for science fiction. Enterprise-skipet fra Star Trek-kulten bruker en antimattermotor for å erobre galaksen. I Dan Browns bok Angels and Demons sparer hovedpersonen Roma fra en bombe skapt på grunnlag av dette stoffet. Subjugating de uuttømmelige mengder energi, som er oppnådd ved samspillet mellom materie og antimatter, vil menneskeheten få kraft, overlegen spådommene til de mest dristige science fiction-forfatterne. Et par kilo antimatter er nok til å krysse galaksen.
Men før skapelsen av våpen og romfartøy er det fortsatt veldig langt unna. For tiden er vitenskapen engasjert i den teoretiske begrunnelsen for eksistensen av antimatter og studiet av dens egenskaper, og forskere bruker dusinvis, i ekstreme tilfeller, hundrevis av atomer i sine eksperimenter. Tiden av livet er beregnet i brøkdeler av sekunder, og kostnaden for eksperimenter er titalls millioner dollar. Fysikere mener at kunnskap om antimateriell vil hjelpe oss med å forstå utviklingen i universet og hendelsene som fant sted i det umiddelbart etter storebaren.
Hva er antimatter og hva er dens egenskaper?
Antimatter er en spesiell type materie bestående av antipartikler. De har samme spin og masse som vanlige protoner og elektroner, men avviger fra dem ved tegn på elektrisk og fargeblad, baryon og lepton kvante nummer. Enkelt sagt, hvis atomer av vanlig materie består av positivt ladede kjerne og negative elektroner, er antimatter det motsatte.
I samspillet mellom materie og antimatter opptrer annihilasjon med frigjøring av fotoner eller andre partikler. Energien som mottas samtidig, er enorm: ett gram antimatter er nok til en eksplosjon på flere kiloton.
Ifølge moderne begreper har materie og antimatter samme struktur, fordi kraften og elektromagnetiske interaksjoner som bestemmer det virker helt identisk både på partiklene og på deres "tvillinger".
Det antas at antimatter også kan skape en tyngdekraften, men dette faktum er ennå ikke endelig bevist. Teoretisk sett bør tyngdekraften handle på materiell og antimateriell på samme måte, men dette har ennå ikke bestemt seg eksperimentelt. Nå jobber de på dette problemet i ALPHA-, AEGIS- og GBAR-prosjektene.
Ved utgangen av 2015, ved hjelp av RHIC-kollideret, var forskerne i stand til å måle kraften i samspillet mellom antiprotoner. Det viste seg at det er lik den samme egenskapen til protoner.
I dag er "tvillinger" av nesten alle eksisterende elementære partikler kjent, bortsett fra de såkalte "virkelig nøytrale" som, i løpet av ladningsbøyning, blir til seg selv. Disse partiklene inkluderer:
- fotonet;
- Higgs boson;
- nøytral pi meson;
- denne meson;
- gravitron (ennå ikke oppdaget).
Antimatter er mye nærmere enn du tror. Antimatterkilden, men ikke for kraftig, er vanlige bananer. De inneholder isotopkalium-40, som nedbryter til å danne en positron. Dette skjer omtrent en gang hvert 75 minutt. Dette elementet er også en del av menneskekroppen, slik at hver av oss kan kalles en generator av antipartikler.
Fra bakgrunnen
For første gang innrømmet den britiske forskeren Arthur Schuster ideen om eksistensen av materie "med et annet tegn" på slutten av 1800-tallet. Hans publikasjon om dette emnet var ganske vag og inneholdt ingen bevis, mest sannsynlig ble forskerens hypotese fremmet av den nylige oppdagelsen av et elektron. Han var den første som introduserte begrepet "antimatter" og "antiatom" til vitenskapelig bruk.
Eksperimentelt ble anti-elektronen oppnådd før sin offisielle funn. Dette ble gjort av den sovjetiske fysikeren Dmitry Skobeltsinu i 20-tallet av forrige århundre. Han fikk en merkelig effekt når han studerte gammastråler i Wilsons kammer, men han kunne ikke forklare det. Nå vet vi at fenomenet skyldtes utseendet av en partikkel og en antipartikkel - et elektron og en positron.
I 1930 forutslo den berømte britiske fysikeren Paul Dirac, som arbeider med den relativistiske ligningsbevegelsen for en elektron, eksistensen av en ny partikkel med samme masse, men en motsatt ladning. På den tiden kjente forskere bare en positiv partikkel - et proton, men det var tusenvis tyngre enn en elektron, slik at de ikke kunne tolke dataene som ble oppnådd av Dirac. To år senere oppdaget American Anderson "tvilling" av en elektron i studiet av stråling fra rommet. Han kalte positron.
Ved midten av forrige århundre hadde fysikere en god tid til å studere denne antipartikkelen, flere måter å forberede seg på ble utviklet. På 1950-tallet oppdaget forskere en antiproton og et anti-nøytron, i 1965 ble det oppnådd en anti-deuteron, og i 1974 klarte de sovjetiske forskerne å syntetisere en anti-kjernen av helium og tritium.
På 60- og 70-tallet ble det søket antipartikler i øvre atmosfære for bruk av ballonger med vitenskapelig utstyr. Denne gruppen ble ledet av nobelpristageren Luis Alvarets. Totalt ble ca 40 000 partikler "fanget", men ingen av dem hadde noe å gjøre med antimatter. I 2002 tok amerikanske og japanske fysikere opp lignende undersøkelser. De lanserte en stor BESS ballong (volum 1,1 millioner m3) til en høyde på 23 kilometer. Men selv i de 22 timene av forsøket klarte de ikke å oppdage selv de enkleste antipartiklene. Senere ble det utført lignende eksperimenter i Antarktis.
På midten av 90-tallet klarte europeiske forskere å skaffe et antihydrogenatom bestående av to partikler: en positron og et antiproton. I de senere årene var det mulig å syntetisere en mye større mengde av dette elementet, noe som gjorde det mulig å gå videre i studien av egenskapene.
I 2005 ble en sensitiv antimatterdetektor installert på den internasjonale romstasjonen (ISS).
Antimateriell i rommet
Oppdageren av positron Paul Dirac mente at i universet er det hele områder som bare består av antimateriell. Han snakket om dette i sin Nobel forelesning. Men så langt har forskere ikke funnet noe lignende.
Selvfølgelig er anti-partikler tilstede i rommet. De er født på grunn av mange høy-energi prosesser: supernova eksplosjoner eller brenning av termonukleær brensel, forekommer i plasmaskyer rundt svarte hull eller neutronstjerner, er født i kollisjoner av højenergipartikler i interstellarrom. Videre blir en liten mengde antipartikler stadig "skuret" av regn på vår planet. Forfallet av noen radionuklider følger også med dannelsen av positroner. Men alt ovenfor er bare antipartikler, men ikke antimateriell. Hittil har forskere ikke vært i stand til å finne jevn anti-helium i rommet, hva skal man snakke om tyngre elementer. Mangelen på søket etter spesifikk gammastråling, som følger med utslettingsprosessen i kollisjon av materie og antimateriell.
Dømmer etter de tilgjengelige dataene i dag, finnes det ingen antigalaksier, anti-stjerner eller andre store antimatterobjekter. Og dette er veldig rart: i følge Big Bang-teorien, på tidspunktet for vårt universums fødsel, oppstod det samme mengde materie og antimatter, og hvor den siste gikk, er uklart. For tiden er det to forklaringer for dette fenomenet: Antimatteren forsvunnet umiddelbart etter eksplosjonen, eller den eksisterer i noen av verdens fjerneste deler, og vi har ganske enkelt ikke oppdaget det ennå. Slike asymmetri er en av de viktigste uløste problemene i moderne fysikk.
Det er en hypotese at mengden materia og antimatter i de tidlige stadiene av universets liv sammenfalt nesten: for hver milliard antiprotoner og positroner var det akkurat like mange av sine kolleger, pluss en "ekstra" proton og elektron. Over tid forsvant hovedparten av saken og antimatteren i forintetgjøringsprosessen, og alt som omgir oss i dag, kom ut av overskuddet. Det er sant, ikke helt klart hvor og hvorfor de "ekstra" partiklene dukket opp.
Få antimateriell og vanskelighetene med denne prosessen
I 1995 klarte forskere å lage bare ni atomer av antihydrogen. De eksisterte i flere dusin nanosekunder, og deretter tilintetgjort. I 2002 var antall partikler allerede i hundrevis, og levetiden økte flere ganger.
Antiparticles, som regel, er født sammen med sin vanlige "dobbel". For eksempel, for å oppnå et positron-elektronpar, er samspillet mellom et gammakvantum og det elektriske felt av atomkjernen nødvendig.
Å få antimateriell - veldig plagsom. Denne prosessen skjer i akseleratorer, og antipartikler lagres i spesielle lagringsringer under høyvakuumforhold. I 2010 klarte fysikere for første gang å fange 38 anti-hydrogenatomer i en spesiell felle og holde dem i 172 millisekunder. For å gjøre dette måtte forskerne avkjøle 30 000 antiprotoner til temperaturer under -70 ° C og to millioner positrons til -230 ° C.
Det følgende år kunne forskerne forbedre resultatene betydelig: å øke antipartikkelenes levetid til et helt tusen sekunder. I fremtiden planlegger vi å finne ut fravær eller tilstedeværelse av antigravitetseffekt for antimateriell.
Spørsmålet om lagring av antimatter er en reell hodepine for fysikere, fordi antiprotoner og positroner straks utslettes når de møtes med partikler av vanlig materie. For å holde dem, måtte forskerne oppfinne klare enheter som kunne forhindre en katastrofe. Oppladede antipartikler lagres i den såkalte Penning-fellen, som ligner en miniatyr-akselerator. Dens kraftige magnetiske og elektriske felt forhindrer positroner og antiprotoner fra å kollidere med veggene på enheten. En slik enhet virker imidlertid ikke med nøytrale gjenstander, som et antihydrogenatom. I dette tilfellet ble Joffe-fellen utviklet. Retensjonen av antistoffer i den oppstår på grunn av magnetfeltet.
Kostnaden for antimatter og dens energieffektivitet
Gitt vanskeligheten med å skaffe og lagre antimateriell, er det ikke overraskende at prisen er veldig høy. Ifølge NASA-beregninger, i 2006 koster en milligram positrons omtrent $ 25 millioner. Ifølge tidligere data ble et gram anti-hydrogen beregnet til 62 billioner dollar. Omtrent de samme tallene er gitt av europeiske fysikere fra CERN.
Potensielt antimatter er et ideelt drivstoff, ultra-effektivt og miljøvennlig. Problemet er at alle antimateriene skapt av mennesker så langt, er knapt nok til å koke minst en kopp kaffe.
Syntese av ett gram antimateriell krever 25 millioner milliarder kilowatt-timer med energi, noe som gjør enhver praktisk bruk av dette stoffet bare absurd. Kanskje en dag vil vi påfylle stjerneskip med det, men for dette må du komme opp med enklere og billigere metoder for mottak og langsiktig lagring.
Eksisterende og lovende applikasjoner
For tiden brukes antimateriell i medisin, under positronutslippstomografi. Denne metoden lar deg få et bilde av de indre organene i høy oppløsning. Radioaktive isotoper som kalium-40 er kombinert med organiske stoffer som glukose og injiseres i pasientens sirkulasjonssystem. Der avgir de positrons, som blir tilintetgjort når de møter elektroner i kroppen vår. Gamma-stråling, oppnådd under denne prosessen, danner et bilde av det undersøkte orgel eller vev.
Antimatter blir også studert som et mulig middel for kreft.
Bruk av antimatter har selvfølgelig et stort løfte. Det kan føre til en ekte energirevolusjon og tillate folk å nå stjernene. Fiction romanenes favorittskøyte er stjerneskip med såkalte warp-motorer, noe som gjør at de kan reise med superlysfart. I dag finnes det flere matematiske modeller av slike installasjoner, og de fleste bruker antimateriell i sitt arbeid.
Det er mer realistiske forslag uten superlight-fly og hyperspace. For eksempel foreslås det å kaste en kapsel uran-238 med deuterium og helium-3 inne i antiprotonskyen. Prosjektets utviklere tror at samspillet mellom disse komponentene vil føre til starten av en termonuklear reaksjon, hvis produkter styres av et magnetfelt inn i motordysen, vil gi skipet en signifikant trekkraft.
For flyvninger til Mars på en måned, foreslår amerikanske ingeniører å bruke atomfission utløst av antiprotoner. Ifølge beregningene er det bare 140 nanogram av disse partiklene som er nødvendige for en slik reise.
Med tanke på den betydelige mengden energi som slippes ut under anti-materiell-utslettingen, er dette stoffet en utmerket kandidat for fylling av bomber og andre eksplosive gjenstander. Selv en liten mengde antimateriell er nok til å skape en ammunisjon som er sammenlignbar med makten til en atomvåpen. Men mens det er for tidlig å bekymre seg for det, fordi denne teknologien er i det aller tidlige stadiet av utviklingen. Det er usannsynlig at slike prosjekter vil bli realisert i de kommende tiårene.
I mellomtiden er antimatter først og fremst emnet for studiet av teoretisk vitenskap, som kan fortelle mye om strukturen i vår verden. Denne situasjonen er usannsynlig å forandre til vi lærer å få den i industriell skala og lagres pålitelig. Først da kan vi snakke om den praktiske bruken av dette stoffet.
