Žijeme ve vesmíru, kde je spousta hmoty a celkově neexistuje antihmota. Dva z našich čtenářů chtějí vědět, co je antihmota, a fyzik jim na tuto otázku odpoví.
Antihmota. Z tohoto slova dýchá fascinující knihy a filmy, ve kterých se darebáci dostanou k výbušninám z antihmoty nebo kosmických lodí cestujících po takovém palivu.
Co je však tato látka - co je v podstatě antihmota?
Čtenáři Wiedenskubu by to chtěli vědět. Přečetli některé z mnoha článků, které jsme publikovali o experimentech fyziky s antihmotou, ale rádi by věděli více.
Nejprve musíme objasnit, že antihmota fyziků by neměla být zaměňována s protilátkami, které jsou nám známy z biologie a medicíny. Protilátky (také nazývané imunoglobuliny) jsou speciální proteinové sloučeniny, které jsou součástí obranyschopnosti těla proti nemocem. Mohou se vázat na cizí molekuly, a tak chránit tělo před mikroorganismy a viry.
Ale tady o nich nebudeme mluvit. Kontaktovali jsme vědce ze světa fyziky: Nikolaj Zinner, učitel Katedry fyziky a astronomie na Aarhuské univerzitě, nám ráda řekne o antihmotě.
Látka s opačným nábojem
Propagační video:
"Všechny ty částice, které, jak víme, jsou v přírodě, vše, z čeho náš svět sestává, existují ve variantách s opačným nábojem." To je antihmota, “říká Nikolai Sinner.
"Antihmota vypadá úplně stejně a má stejnou hmotnost jako obyčejná hmota, ale má přesně opačný náboj." Například kladně nabité pozitrony mají záporně nabité elektrony. Pozitrony jsou antičástice elektronů."
O antihmotě tedy není nic zásadního. Je to jen látka s opačným nábojem ve srovnání s látkou v prostředí, které jsme obvykle našli. Ale proč je toho tak málo, je jen tajemství, a my se k tomu vrátíme později.
"V každodenním životě se nestýkáme s antihmotou, ale vyskytuje se v mnoha situacích, například během radioaktivního rozpadu, pod vlivem kosmického záření a v urychlovačích." Znovu to velmi rychle zmizí. Když pozitron potká elektron, výsledkem je čistá energie ve formě dvou vysokoenergetických světelných částic - quanta.
Zmizí v záblesku světla
"Tady je elektron a pozitron, mají opačné náboje, takže přitahují." Mohou se k sobě velmi přiblížit, a když k tomu dojde, sloučí se a vytvoří dva fotony. To je důsledek přírodních zákonů, - říká Nikolai Sinner. "Hmota dvou částic se přeměňuje na energii ve formě dvou částic - kvanta gama záření."
"Kdybys měl hodně antihmoty a dovolil jsi mu, aby se dostal do kontaktu s obyčejnou hmotou, způsobil bys velmi silnou reakci." A naopak: energie může být přeměněna na hmotu a antihmotu, a to se děje v urychlovačích částic. ““
Používá se v lékařských skenerech
Právě tento jev, kdy setkání hmoty a antihmoty vede k jejich zmizení a uvolnění energie, je pravděpodobně první věcí, která fascinuje autory science fiction.
Například antihmota hraje důležitou roli v Anglech a démonech Dana Browna a ve Star Trek, mezihvězdné lodě běží na antihmotu.
Ale v reálném světě má antihmota mírnější aplikaci.
Antihmota ve formě pozitronů z rozkladu radioaktivních materiálů se používá v nemocnicích v PET (pozitronová emisní tomografie) skenerů, které v nich mohou snímat vnitřní orgány a detekovat v nich nezdravé procesy.
"Antihmota není tak mystická." Toto je část přírody, kterou si užíváme, “říká Nikolai Sinner.
Také se vystavujeme antihmotě tím, že jí banány. Obsahují draslík, který je mírně radioaktivní a při rozpadu uvolňuje pozitrony. Přibližně každých 75 minut vyzařuje banán pozitron, který se rychle srazí s elektronem a promění se ve dva gama fotony.
Ale to vše rozhodně není nebezpečné. Abychom dostali dávku záření, která odpovídá tomu, co získáme při rentgenovém vyšetření, musíme spotřebovat několik stovek banánů.
Předpovídalo se to ještě před objevem
Můžete lépe pochopit, co je antihmota, když se podíváte na historii svého objevu. Je zajímavé, že existence antihmoty byla předpovězena ještě předtím, než byla objevena.
Ve dvacátých letech se ukázalo, že nová teorie zvaná kvantová mechanika je ideální pro popis nejmenších částic hmoty - atomů a elementárních částic. Ale nebylo tak snadné kombinovat kvantovou mechaniku s druhou velkou teorií 20. století, teorií relativity.
Mladý britský fyzik Paul Dirac se pustil do vyřešení tohoto problému a podařilo se mu odvodit rovnici, která kombinuje kvantovou mechaniku se speciální relativitou.
Pomocí této rovnice bylo možné popsat pohyb elektronu, i když jeho rychlost se přiblížila rychlosti světla.
Ale rovnice připravila překvapení. Měl dvě řešení, stejně jako rovnice "x² = 4": x = 2 a x = -2 ". To znamená, že může popisovat nejen dobře známý elektron, ale také další částici - elektron s negativní energií.
Objeveno ve Wilsonově cele
Pak nevěděli nic o částicích se zápornou energií a Paul Dirac interpretoval jeho objev takto: může existovat částice, která je přesně stejná jako elektron, s výjimkou opačného náboje.
Pokud má elektron záporný náboj, musí existovat odpovídající částice s kladným nábojem. Podle výpočtů by se stejné pravidlo mělo vztahovat na všechny elementární částice, tj. Obecně na všechny částice, které tvoří svět.
A tak začal lov na antielektron. Americký fyzik Carl Anderson pomocí mlhové kamery (aka Wilsonovy kamery) detekoval stopy částic z vesmíru, které mají stejnou hmotnost jako elektron, ale s opačným nábojem.
Takto byl objeven Diracova antielektron, který byl pojmenován pozitron - zkratka pro „pozitivní elektron“. Od té chvíle byly postupně objeveny nové antičástice.
Na začátku byl vesmír čistou energií
Dirac navrhl, že vzdálené hvězdy - možná polovina všeho, co vidíme na obloze - mohou být složeny z antihmoty, na tom nezáleží. Vyplývá to například z jeho projevu, který dal při přijetí Nobelovy ceny za fyziku v roce 1933.
Ale dnes víme, že všechno ve vesmíru sestává pouze z hmoty, nikoli z antihmoty. A to je opravdu tajemné, protože na začátku existence vesmíru mělo být přibližně stejné množství obou, vysvětluje Nikolai Sinner.
"Pokud začneme převíjet vývoj vesmíru, energie se bude stále více zvyšovat." Hustota se zvýší, teplota se zvýší. Nakonec se vše změní v čistou energii - energii nesoucí nebo silové částice, jako jsou fotony. Podle našich nejběžnějších kosmologických teorií to byl začátek vesmíru. “
"A pokud se od tohoto referenčního bodu znovu vracíme, pak se v určitém okamžiku bude muset energie začít přeměňovat v hmotu." Je naprosto možné vytvořit hmotu z čisté energie, ale v tomto případě dostanete tolik antihmoty jako hmotu. To je problém - očekáváte stejné množství obou. “
"Musí existovat nějaký zákon přírody, který je zodpovědný za skutečnost, že dnes je více hmoty než antihmota." O této nerovnováze nelze říci nic víc. A tak mohla být tato asymetrie vysvětlena. “
Neutrinos pomůže vyřešit hádanku
Velkou otázkou je, kde by se v přírodních zákonech měl hledat důvod k vítězství hmoty nad antihmotou. Fyzici se to snaží experimentovat.
Ve výzkumném středisku CERN ve Švýcarsku je antihmota vyráběna a zachycena v magnetických polích a prostřednictvím série experimentů s antihydrogenem se fyzici snaží najít odpověď na otázku, zda jsou hmota a antihmota vzájemně přesnými zrcadlovými obrazy.
Možná mezi nimi stále existuje malý rozdíl, s výjimkou náboje, a tento rozdíl pomůže vysvětlit, proč je ve vesmíru tolik věcí než antihmota.
Podařilo se vytvořit antihelium
Protože antihmota je velmi vzácná a rychle zmizí, když narazí na látku, v přírodě neexistují molekuly antihmoty a lze vytvořit pouze její nejmenší molekuly.
V roce 2011 se americkým vědcům podařilo vytvořit antihelium. Nebyly tam žádné větší atomy.
My ve Wiedenskabu jsme o těchto experimentech hodně napsali, což doposud ukazuje, že antihmota se chová přesně stejně jako hmota, jak je popsáno například v článku „Aarhusský vědec provedl nejpřesnější antihydrogenová měření v historii“. A možná, vyřešení této hádanky nám pomůže najít elementární částice zvané neutrinos. O tom jsme psali v článku „Experiment s ledem odhalí tajemství hmoty.“
"Můžeme doufat, že najdeme odpověď v neutrinu, protože už víme, že se chová podivně." Ve fyzice je mnoho mezer, takže by bylo rozumné začít se zde kopat, “říká Nikolai Sinner.
Samotný antihmota není všechno mystické, ale fyzici dosud nepřišli na to, proč je ve vesmíru dnes mnohem víc hmoty než antihmota. Pracují na tomto problému.
Henrik Bendix