Svemir je prepun nevjerojatnih tajni. Zastrašujuće crne rupe, paradoks "tamne materije", nepredvidive dvostruke zvijezde. Jedna od najpoznatijih i intrigantnih zagonetki je, naravno, antimaterija, koja se sastoji od "iznutra" materije. Otkriće ove pojave jedno je od najvažnijih dostignuća fizike u prošlom stoljeću.
Do tog trenutka znanstvenici su bili uvjereni da su elementarne čestice temeljni i nepromjenjivi građevni blokovi svemira, koji se ne rađaju i nikada ne nestaju. Ta dosadna i nekomplicirana slika stvar je prošlosti kada se ispostavilo da su negativno nabijeni elektron i njegov suprotni od anti-svjetskog pozitrona međusobno uništeni, što dovodi do stvaranja energetskih kvanta. A kasnije je postalo očito da se elementarne čestice općenito mogu pretvoriti jedna u drugu, i to na najobičniji način. Otkriće antimaterije bilo je početak radikalne transformacije ideja o svojstvima svemira.
Antimaterija je dugo bila omiljena tema znanstvene fantastike. Brod Enterprise iz kulta Zvjezdanih staza koristi motor antimaterije za osvajanje galaksije. U knjizi Dan Brown's Angels and Demons, glavni lik spašava Rim od bombe stvorene na temelju ove tvari. Potčinjavajući neiscrpnu količinu energije, koja se dobiva interakcijom materije s antimaterijom, čovječanstvo će steći moć, superiornu predikciji najsmjelijih pisaca znanstvene fantastike. Nekoliko kilograma antimaterije je dovoljno za prelazak galaksije.
No, prije stvaranja oružja i svemirskih letjelica još uvijek je daleko. Trenutno se znanost bavi teorijskim dokazivanjem postojanja antimaterije i proučavanjem njezinih svojstava, a znanstvenici u svojim eksperimentima koriste desetke, u ekstremnim slučajevima, stotine atoma. Vrijeme njihovog života izračunava se u djelićima sekundi, a troškovi eksperimenata su desetci milijuna dolara. Fizičari vjeruju da će nam znanje antimaterije pomoći da bolje razumijemo evoluciju Svemira i događaje koji su se dogodili u njemu odmah nakon Velikog praska.
Što je antimaterija i koja su njegova svojstva?
Antimaterija je posebna vrsta tvari koja se sastoji od antičestica. Oni imaju istu spinu i masu kao i obični protoni i elektroni, ali se razlikuju od njih znakom električnog i bojnog naboja, baryonskog i leptonskog kvantnog broja. Jednostavno rečeno, ako se atomi obične materije sastoje od pozitivno nabijenih jezgri i negativnih elektrona, onda je antimaterija suprotna.
U interakciji materije i antimaterije dolazi do anihilacije s otpuštanjem fotona ili drugih čestica. Energija primljena u isto vrijeme je ogromna: jedan gram antimaterije je dovoljan za eksploziju od nekoliko kilotona.
Prema suvremenim konceptima, materija i antimaterija imaju istu strukturu, jer sila i elektromagnetske interakcije koje ga određuju djeluju apsolutno identično i na čestice i na njihove "blizance".
Smatra se da antimaterija također može stvoriti gravitacijsku silu, ali ta činjenica još nije definitivno dokazana. Teoretski, gravitacija bi trebala djelovati na materiju i antimateriju na isti način, ali to tek treba eksperimentalno odrediti. Sada rade na ovom pitanju u projektima ALPHA, AEGIS i GBAR.
Krajem 2015. znanstvenici su uz pomoć sudaračkog sustava RHIC uspjeli izmjeriti snagu interakcije antiprotona. Pokazalo se da je jednaka sličnoj karakteristici protona.
Trenutno su poznati "blizanci" gotovo svih postojećih elementarnih čestica, osim takozvanih "istinski neutralnih", koje se tijekom konjugacije naboja pretvaraju u same sebe. Te čestice uključuju:
- fotona;
- Higgsov bozon;
- neutralni pi-mezon;
- ovaj mezon;
- gravitron (još nije otkriven).
Antimaterija je mnogo bliža nego što mislite. Međutim, izvor antimaterije, koji nije previše moćan, su obične banane. Sadrže izotop kalij-40, koji se raspada u obliku pozitrona. To se događa otprilike svakih 75 minuta. Ovaj element je također dio ljudskog tijela, tako da se svatko od nas može nazvati generatorom antičestica.
Iz pozadine
Po prvi put, britanski znanstvenik Arthur Schuster priznao je ideju o postojanju materije "s drugačijim znakom" krajem 19. stoljeća. Njegova je publikacija o toj temi bila prilično nejasna i nije sadržavala nikakve dokaze, najvjerojatnije, hipoteza znanstvenika potaknuta je nedavnim otkrićem elektrona. Bio je prvi koji je u znanstvene svrhe uveo pojmove "antimaterija" i "antiatom".
Eksperimentalno, anti-elektron je dobiven prije službenog otkrića. To je učinio sovjetski fizičar Dmitrij Skobeltsinu dvadesetih godina prošlog stoljeća. Imao je čudan učinak kad je ispitivao gama zrake u Wilsonovoj komori, ali to nije mogao objasniti. Sada znamo da je taj fenomen uzrokovan pojavom čestice i antičestice - elektrona i pozitrona.
Godine 1930. poznati britanski fizičar Paul Dirac, radeći na relativističkoj jednadžbi gibanja za elektron, predvidio je postojanje nove čestice s istom masom, ali suprotnog naboja. U to vrijeme znanstvenici su poznavali samo jednu pozitivnu česticu - proton, ali bila je tisućama puta teža od elektrona, tako da nisu mogli protumačiti podatke dobivene od Diraca. Dvije godine kasnije, Amerikanac Anderson je otkrio "blizanca" elektrona u proučavanju zračenja iz svemira. Nazvao je pozitron.
Do sredine prošlog stoljeća fizičari su se dobro proveli proučavajući ovu antičesticu, razvili su se neki načini njezine pripreme. Pedesetih godina prošlog stoljeća znanstvenici su otkrili antiproton i anti-neutron, 1965. dobiven je anti-deuteron, a 1974. sovjetski su istraživači uspjeli sintetizirati anti-nukleus helija i tritija.
U 60-im i 70-im godinama prošlog stoljeća tražene su antičestice u gornjoj atmosferi za korištenje balona sa znanstvenom opremom. Ovu skupinu predvodio je nobelovac Luis Alvarets. Ukupno je "uhvaćeno" oko 40 tisuća čestica, ali nitko od njih nije imao nikakve veze s antimaterijom. Američki i japanski fizičari su 2002. počeli slično istraživanje. Pokrenuli su veliki BESS balon (volumen 1,1 milijun m3) na visinu od 23 kilometra. Ali čak ni u 22 sata eksperimenta nisu uspjeli otkriti ni najjednostavnije antičestice. Kasnije su slični eksperimenti provedeni na Antarktiku.
Sredinom devedesetih godina europski znanstvenici uspjeli su dobiti antihidrogenski atom koji se sastoji od dvije čestice: pozitrona i antiprotona. Posljednjih godina bilo je moguće sintetizirati mnogo veću količinu tog elementa, što je omogućilo napredak u proučavanju njegovih svojstava.
U 2005. godini na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) instaliran je osjetljivi detektor antimaterije.
Antimaterija u prostoru
Otkrivač pozitrona Paul Dirac smatrao je da u svemiru postoje cijela područja koja se u cijelosti sastoje od antimaterije. O tome je govorio u svom Nobelovom predavanju. No dosad znanstvenici nisu uspjeli pronaći ništa slično.
Naravno, anti-čestice su prisutne u prostoru. Oni se rađaju zbog mnogih visokoenergetskih procesa: eksplozije supernova ili paljenje termonuklearnog goriva, koje se pojavljuju u oblacima plazme oko crnih rupa ili neutronskih zvijezda, rađaju se u sudarima čestica visoke energije u međuzvjezdanom prostoru. Štoviše, mala količina antičestica konstantno se „odbacuje“ od kiše na našem planetu. Raspad nekih radionuklida prati i stvaranje pozitrona. Ali sve gore navedeno su samo antičestice, ali ne i antimaterija. Do sada, istraživači nisu uspjeli pronaći čak ni anti-helij u prostoru, što govoriti o težim elementima. Neuspjeh potrage za specifičnim gama zračenjem, koji prati proces uništenja u sudaru materije i antimaterije.
Sudeći prema podacima koji su danas dostupni, nema antigalaksija, anti-zvijezda ili drugih velikih antimaterijalnih objekata. I to je vrlo čudno: prema teoriji Velikog praska, u vrijeme rođenja našeg Svemira, pojavila se ista količina materije i antimaterije, a gdje je prošla posljednja, nije jasno. Trenutno postoje dva objašnjenja za ovaj fenomen: ili je antimaterija nestala odmah nakon eksplozije, ili postoji u nekim udaljenim dijelovima svemira i jednostavno je još nismo otkrili. Takva asimetrija je jedan od najvažnijih neriješenih problema moderne fizike.
Postoji hipoteza da se u ranim fazama života našeg svemira količina materije i antimaterije gotovo podudarala: za svaku milijardu antiprotona i pozitrona bilo je točno onoliko njihovih kolega, plus jedan "dodatni" proton i elektron. Tijekom vremena, masa materije i antimaterije nestala je u procesu uništenja, a sve što nas danas okružuje proizašlo je iz viška. Istina, nije posve jasno gdje se i zašto pojavljuju "ekstra" čestice.
Dobivanje antimaterije i poteškoće ovog procesa
Godine 1995. znanstvenici su uspjeli stvoriti samo devet antihidrogenskih atoma. Oni su postojali nekoliko desetaka nanosekundi, a zatim uništeni. Godine 2002. broj čestica je već bio u stotinama, a njihov je vijek trajanja povećan nekoliko puta.
Antičestica se, po pravilu, rađa zajedno sa svojim uobičajenim “dvostrukim”. Primjerice, da bi se dobio par pozitron-elektrona, potrebna je interakcija gama-kvanta s električnim poljem atomske jezgre.
Dobivanje antimaterije - vrlo problematično. Taj se proces odvija u akceleratorima, a antičestice se čuvaju u posebnim spremnicima u uvjetima visokog vakuuma. Godine 2010. fizičari su po prvi put uspjeli uhvatiti 38 atoma vodika u posebnu zamku i držati ih 172 milisekunde. Da bi to postigli, znanstvenici su morali ohladiti 30 tisuća antiprotona na temperaturama ispod -70 ° C i dva milijuna pozitrona na -230 ° C.
Sljedeće godine istraživači su uspjeli značajno poboljšati rezultate: povećati život antičestica na tisuću sekundi. U budućnosti planiramo otkriti odsutnost ili prisutnost antigravitacijskog učinka za antimateriju.
Pitanje skladištenja antimaterije je stvarna glavobolja za fizičare, jer antiprotoni i pozitroni odmah poništavaju kada se susreću s bilo kakvim česticama obične materije. Da bi ih zadržali, znanstvenici su morali izmisliti pametne naprave koje bi mogle spriječiti katastrofu. Napunjene antičestice čuvaju se u takozvanoj Penning-ovoj zamci, koja podsjeća na minijaturni akcelerator. Njegova snažna magnetska i električna polja sprečavaju sudare pozitrona i antiprotona u zidovima uređaja. Međutim, takav uređaj ne radi s neutralnim objektima, poput antihudrogena. Za ovaj je slučaj razvijen Joffeov zamka. Zadržavanje anti-atoma u njemu nastaje zbog magnetskog polja.
Trošak antimaterije i njezina energetska učinkovitost
S obzirom na poteškoće u dobivanju i skladištenju antimaterije, nije iznenađujuće da je njegova cijena vrlo visoka. Prema NASA-inim izračunima, u 2006. godini jedan miligram pozitrona koštao je oko 25 milijuna dolara. Prema ranijim podacima, gram anti-vodika procijenjen je na 62 trilijuna dolara. Približno iste brojke daju europski fizičari iz CERN-a.
Potencijalno antimaterija je idealno gorivo, ultra-učinkovita i ekološki prihvatljiva. Problem je u tome što je sav antimaterija koju su ljudi stvorili do sada jedva dovoljna da prokuha barem jednu šalicu kave.
Sinteza jednog grama antimaterije zahtijeva 25 milijuna milijardi kilovat-sati energije, što svaku praktičnu upotrebu ove tvari čini apsurdnom. Možda ćemo s njim jednoga dana nadopuniti zvjezdane brodove, ali za to trebate smisliti jednostavniji i jeftiniji način primanja i dugoročnog skladištenja.
Postojeće i obećavajuće primjene
Trenutno se antimaterija koristi u medicini tijekom pozitronske emisijske tomografije. Ova metoda vam omogućuje da dobijete sliku unutarnjih organa u visokoj rezoluciji. Radioaktivni izotopi poput kalija-40 kombiniraju se s organskim tvarima kao što je glukoza i ubrizgavaju se u pacijentov cirkulatorni sustav. Tamo emitiraju pozitrone, koji se uništavaju kada se susreću s elektronima u našem tijelu. Gama zračenje, dobiveno tijekom ovog procesa, formira sliku istraživanog organa ili tkiva.
Antimaterija se također proučava kao mogući lijek za rak.
Upotreba antimaterije, naravno, ima veliko obećanje. To može dovesti do stvarne energetske revolucije i omogućiti ljudima da dosegnu zvijezde. Omiljeni skate fiktivnih romana su svemirski brodovi s takozvanim warp motorima, koji im omogućuju da putuju s superlight brzinom. Danas postoji nekoliko matematičkih modela takvih instalacija, a većina ih u svom radu koristi antimateriju.
Postoje realniji prijedlozi bez superlightova i hipersvemira. Na primjer, predlaže se bacanje kapsule uranija-238 s deuterijem i helijem-3 unutar oblaka antiprotona. Projektanti smatraju da će interakcija ovih komponenti dovesti do početka termonuklearne reakcije, čiji proizvodi, usmjereni magnetskim poljem u mlaznicu motora, osigurat će brodu značajnu vuču.
Za letove na Mars za mjesec dana, američki inženjeri predlažu korištenje nuklearne fisije koju pokreću antiprotoni. Prema njihovim izračunima, za takvo je putovanje potrebno samo 140 nanograma tih čestica.
S obzirom na značajnu količinu energije koja se oslobađa za vrijeme uništavanja anti-materije, ova tvar je izvrstan kandidat za punjenje bombi i drugih eksplozivnih predmeta. Čak i mala količina antimaterije dovoljna je da stvori streljivo usporedivo po snazi s nuklearnom bombom. No, premda je prerano brinuti o tome, jer je ova tehnologija u vrlo ranoj fazi razvoja. Malo je vjerojatno da će se takvi projekti realizirati u narednim desetljećima.
U međuvremenu, antimaterija je, prije svega, predmet proučavanja teorijske znanosti, koja može puno reći o strukturi našeg svijeta. Malo je vjerojatno da će se takva situacija promijeniti dok ne naučimo kako je dobiti u industrijskom mjerilu i pouzdano uštedjeti. Tek tada možemo govoriti o praktičnoj upotrebi ove tvari.
