Elämme maailmankaikkeudessa, jossa on paljon ainetta ja kaiken kaikkiaan ei ole antimateriaa. Kaksi lukijamme haluaa tietää, mikä on antimateria, ja fyysikko antaa heille vastauksen tähän kysymykseen.
Antimateria. Tästä sanasta hengittää kiehtovia kirjoja ja elokuvia, joissa roistot pääsevät räjähteisiin antimateriaalista tai avaruusalukset matkustavat tällaisella polttoaineella.
Mutta mikä tämä aine on - mikä on pohjimmiltaan antimateriaa?
Wiedenskubin lukijat haluaisivat tietää tämän kovasti. He ovat lukeneet joitain monista artikkeleista, jotka olemme julkaisseet fyysikoiden kokeista antimateriaalin kanssa, mutta he haluaisivat tietää enemmän.
Ensinnäkin meidän on selvennettävä, että fyysikkojen antimateriaa ei pidä sekoittaa niihin vasta-aineisiin, jotka tunnemme meille biologiasta ja lääketiedestä. Siellä vasta-aineet (joita kutsutaan myös immunoglobuliinideiksi) ovat erityisiä proteiiniyhdisteitä, jotka ovat osa kehon puolustusta sairauksia vastaan. Ne voivat sitoutua vieraisiin molekyyleihin ja suojata siten kehoa mikro-organismeilta ja viruksilta.
Mutta tässä emme puhu heistä. Otamme yhteyttä fysiikan tutkijaan: Århusin yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen opettaja Nikolaj Zinner kertoo mielellään antimateriaalista.
Aine vastakkaisella varauksella
Mainosvideo:
”Kaikki ne hiukkaset, jotka, kuten tiedämme, ovat luonteeltaan, kaikki mitä maailmastamme koostuu, esiintyvät variantteina päinvastaisella varauksella. Tämä on antimateriaa”, sanoo Nikolai Sinner.
”Antimateria näyttää täsmälleen samalta ja sillä on sama massa kuin tavallisella aineella, mutta sillä on täsmälleen päinvastainen varaus. Esimerkiksi positiivisesti varatuilla positoneilla on negatiivisesti varautuneita elektroneja. Positronit ovat elektronien antihiukkasia."
Joten antimateriassa ei ole mitään perustavanlaatuista. Se on vain aine, jolla on päinvastainen varaus verrattuna aineeseen ympäristössä, jonka ympäristössä yleensä olemme. Mutta miksi siitä on niin vähän, on vain mysteeri, ja palaamme tähän myöhemmin.
”Arjessa emme kohtaa antimateriaa, mutta sitä esiintyy monissa tilanteissa, esimerkiksi radioaktiivisen hajoamisen aikana, kosmisen säteilyn vaikutuksen alaisena ja kiihdyttimissä. Se vain katoaa taas hyvin nopeasti. Kun positroni kohtaa elektronin, tuloksena on puhdasta energiaa kahden korkean energian valopartikkelin - kvantin - muodossa.
Katoaa valossa
”Tässä on elektroni ja positroni, heillä on vastakkaiset varaukset, joten ne houkuttelevat. Ne voivat päästä hyvin lähelle toisiaan, ja kun tämä tapahtuu, ne sulautuvat ja muodostavat kaksi fotonia. Tämä on seurausta luontolakeista, - sanoo Nikolai Sinner. "Kahden hiukkasen massa muunnetaan energiaksi kahden hiukkasen muodossa - gammasäteilyn kvantit."
”Jos sinulla olisi paljon antimateriaa ja antaisit sen joutua kosketukseen tavallisen aineen kanssa, aiheuttaisit erittäin voimakkaan reaktion. Ja päinvastoin: energia voidaan muuntaa aineeksi ja antimateriaaliksi, ja tämä tapahtuu hiukkaskiihdyttimissä."
Käytetään lääketieteellisissä skannerissa
Juuri tämä ilmiö, kun aineen ja antimaterian kohtaaminen johtaa niiden katoamiseen ja energian vapautumiseen, on luultavasti ensimmäinen asia, joka kiehtoo tieteiskirjailijoiden kirjoittajia.
Esimerkiksi antimaterialla on tärkeä rooli Dan Brownin enkeleissä ja demonissa, ja Star Trekissä, tähtienvälisillä aluksilla on antimateria.
Mutta todellisessa maailmassa antimateriaalilla on rauhallisempi käyttö.
Radioaktiivisten materiaalien hajoamisesta syntyvien positronien muodossa olevaa antimateriaa käytetään sairaaloissa PET (positroniemissiotomografia) -skannereissa, jotka voivat ottaa kuvia sisäelimistä ja havaita niistä epäterveelliset prosessit.
”Joten antimateria ei ole niin mystinen. Tämä on osa luontoa, jota nautimme käytöstä”, sanoo Nikolai Sinner.
Altistamme itsemme myös antimateriaalille syömällä banaaneja. Ne sisältävät kaliumia, joka on lievästi radioaktiivista ja vapauttaa positroneja, kun se hajoaa. Noin 75 minuutin välein banaani emittoi positronin, joka törmää nopeasti elektroniin, ja ne muuttuvat kahdeksi gammafotoniksi.
Mutta kaikki tämä ei ole ehdottomasti vaarallista. Jotta saadaan säteilyannos, joka vastaa sitä, mitä saamme röntgenkuvauksen yhteydessä, meidän on kuluttava useita satoja banaaneja.
Se ennustettiin jo ennen löytöä
Voit paremmin ymmärtää, mikä on antimateria, jos tarkastellaan sen löytämisen historiaa. Mielenkiintoista on, että antimaterian olemassaolo ennustettiin jo ennen sen löytämistä.
1920-luvulla kävi ilmi, että uusi kvantimekaniikka -niminen teoria oli täydellinen kuvaamaan pienimpiä ainehiukkasia - atomeja ja alkuainehiukkasia. Mutta kvanttimekaniikan yhdistäminen 1900-luvun toiseen suurta teoriaa, suhteellisuusteoriaa, ei ollut niin helppoa.
Nuori brittiläinen fyysikko Paul Dirac kiirehti ratkaisemaan tämän ongelman ja onnistui keksimään yhtälön, jossa yhdistyvät kvanttimekaniikka ja erityinen suhteellisuusteoria.
Tämän yhtälön avulla tuli mahdolliseksi kuvata elektronin liike, vaikka sen nopeus lähestyisi valon nopeutta.
Mutta yhtälö valmisti yllätyksen. Hänellä oli kaksi ratkaisua, kuten yhtälö "x² = 4": x = 2 ja x = -2 ". Toisin sanoen, se voisi kuvata tunnetun elektronin lisäksi myös toisen hiukkasen - elektronin, jolla on negatiivinen energia.
Löydetty Wilsonin solusta
Sitten he eivät tienneet mitään negatiivisen energian hiukkasista, ja Paul Dirac tulkitsi löytönsä seuraavasti: voi olla hiukkasia, jotka ovat täsmälleen samat kuin elektronit, paitsi päinvastainen varaus.
Jos elektronilla on negatiivinen varaus, silloin täytyy olla vastaava partikkeli, jolla on positiivinen varaus. Laskelmien mukaan samaa sääntöä tulisi soveltaa kaikkiin alkuainehiukkasiin, toisin sanoen yleensä kaikkiin hiukkasiin, jotka muodostavat maailman.
Ja niin anti-elektronien metsästys alkoi. Amerikkalainen fyysikko Carl Anderson käytti sumukameraa (alias Wilson's camera) havaitsemaan avaruudesta hiukkasten jälkiä, joilla on sama massa kuin elektronilla, mutta vastakkaisella varauksella.
Näin löydettiin Diracin antielektroni, joka nimettiin positroniksi - lyhenne "positiivisesta elektronista". Siitä hetkestä lähtien, askel askeleelta, löydettiin uusia hiukkasia.
Universumi oli alussa puhdasta energiaa
Dirac ehdotti, että kaukana olevat tähdet - ehkä puolet kaikista taivaalla näkemistämme - voivat koostua antimateriaalista, ei aineesta. Tämä seuraa esimerkiksi hänen puheestaan, jonka hän antoi hyväksyessään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1933.
Mutta tänään tiedämme, että kaikki maailmankaikkeuden koostuu vain aineesta, ei antimateriaalista. Ja tämä on todella salaperäinen, koska maailmankaikkeuden olemassaolon alussa molempia olisi pitänyt olla suunnilleen sama määrä, Nikolai Sinner selittää.
”Jos alamme kelata maailmankaikkeuden kehitystä, energiasta tulee yhä enemmän. Tiheys kasvaa, lämpötila nousee. Lopuksi kaikki muuttuu puhtaaksi energiaksi - energiaa kuljettaviksi tai voimapartikkeleiksi kuten fotoneiksi. Tämä oli maailmankaikkeuden alku, yleisimpien kosmologisten teoriamme mukaan.
”Ja jos siirrymme jälleen eteenpäin tästä lähtökohdasta, niin energian täytyy jossain vaiheessa alkaa muuttua aineeksi. On täysin mahdollista luoda ainetta puhtaasta energiasta, mutta tässä tapauksessa saat yhtä paljon antimateriaa kuin ainetta. Se on ongelma - voit odottaa saman määrän molempia."
”On oltava jokin luonnonlaki, joka vastaa siitä, että nykyään on enemmän asia kuin antimateria. Ja tästä epätasapainosta ei voida enää sanoa mitään. Ja niin tämä epäsymmetria voitiin selittää."
Neutrinot auttavat ratkaisemaan arvoituksen
Suuri kysymys on, mistä luonnonlakeissa tulisi etsiä syy aineen voitolle antimateriasta. Fyysikot yrittävät selvittää tämän kokeilujen avulla.
Sveitsin CERN-tutkimuskeskuksessa antimateriaa tuotetaan ja loukkuun tarttuu magneettikenttiä, ja fyysikot yrittävät löytää vastauksen antihydrogeeniä koskevan koesarjan avulla kysymykseen siitä, ovatko aine ja antimateria täsmällisiä peilikuvia toisistaan.
Ehkä niiden välillä on vielä pieni ero, varausta lukuun ottamatta, ja tämä ero auttaa selittämään, miksi maailmankaikkeudessa on niin paljon ainetta suhteessa antimateriaaliin.
Onnistui luomaan antiheliumia
Koska antimateria on hyvin harvinaista ja häviää nopeasti, kun se kohtaa ainetta, luonnossa ei ole antimateriaalimolekyylejä, ja vain sen pienimmät molekyylit voidaan luoda.
Vuonna 2011 amerikkalaiset tutkijat onnistuivat luomaan antiheliumin. Suurempia atomeja ei ollut.
Me Wiedenskabissa kirjoitimme paljon näistä kokeista, jotka ovat toistaiseksi osoittaneet, että antimateria käyttäytyy täsmälleen samalla tavalla kuin asia, jota esimerkiksi kuvataan artikkelissa “Århusin tutkija suoritti historian tarkimmat antigeenivetymittaukset”. Ja ehkä, tämän arvoituksen ratkaiseminen auttaa meitä löytämään alkuainehiukkasia, joita kutsutaan neutriinoiksi. Olemme kirjoittaneet tästä artikkelissa "Jääkoe paljastaa aineen salaisuuden."
”Voimme toivoa, että löydämme vastauksen neutriinosta, koska tiedämme jo, että se käyttäytyy omituisesti. Fysiikassa on paljon aukkoja, joten olisi viisasta aloittaa kaivaminen tänne”, sanoo Nikolai Sinner.
Antimateria itsessään ei ole kaikkea mystistä, mutta fyysikot eivät ole vielä selvittäneet, miksi universumissa on nykyään niin paljon enemmän kuin antimateriaa. He työskentelevät tässä asiassa.
Henrik Bendix