În fizică și chimie, antimateria este o substanță care constă din antiparticule, adică un antiproton (un proton cu sarcină electrică negativă) și un antielectron (un electron cu o sarcină electrică pozitivă). Un antiproton și un antielectron formează un atom de antimaterie, la fel cum un electron și un proton formează un atom de hidrogen.
Conceptul general de materie și antimaterie
Toată lumea știe răspunsul la întrebarea ce este materia, adică este o substanță care constă din molecule și atomi. Atomii înșiși, la rândul lor, sunt compuși din electroni și nuclee formate din protoni și neutroni. Înțelegerea întrebării ce este materia face posibil să înțelegem ce este antimateria. Este înțeles ca o substanță, ale cărei particule constitutive au o sarcină electrică opusă. În cazul unei perechi neutron-antineutron, sarcinile lor sunt egale cu zero, dar momentele magnetice sunt direcționate opus.
Principala proprietate a antimateriei este capacitatea sa de a se anihila atunci când întâlnește materia obișnuită. Ca urmare a contactului acestor substanțe, masa dispare și este complet transformată în energie. Conform teoriei cosmice, în Univers există o cantitate egală de materie și antimaterie, acest fapt decurgând din raționamentul teoretic. Cu toate acestea, aceste substanțe sunt separate de distanțe uriașe, deoarece orice întâlnire între ele duce la fenomene cosmice grandioase de distrugere a materiei.
Istoria descoperirii antimateriei
Antimateria a fost descoperită în 1932 de către fizicianul nord-american Karl Andersen, care a studiat razele cosmice și a fost capabil să detecteze pozitronul (antiparticula electronului). Datorită acestei descoperiri, a primit Premiul Nobel în 1936. Antiprotonii au fost ulterior descoperiți experimental. Acest lucru s-a întâmplat în 2006 datorită lansării satelitului Pamela, a cărui misiune a fost să studieze particulele emise de soare.
Ulterior, omenirea a învățat să creeze independent antimaterie. În urma multor experimente, s-a demonstrat că ciocnirea materiei și antimateriei distruge ambele substanțe și generează raze gamma. Aceste descoperiri experimentale au fost prezise de Albert Einstein.
Utilizarea antimateriei
Unde poate fi folosită antimateria? În primul rând, antimateria este un combustibil excelent. Doar o picătură de antimaterie este capabilă să furnizeze energie, care va fi suficientă pentru a furniza energie unui oraș mare pentru o zi. În plus, această sursă de energie este ecologică.
În domeniul medical, principala utilizare a antimateriei este tomografia cu radiații cu pozitroni. Razele gamma, care rezultă din anihilarea materiei și antimateriei, sunt folosite pentru a detecta tumorile canceroase din organism. Antimateria este folosită și în terapia cancerului. În prezent, cercetările sunt în desfășurare privind utilizarea antiprotonilor pentru distrugerea completă a țesuturilor canceroase.
Cât costă un gram de antimaterie și unde să-l depozitezi?
Producerea de antimaterie folosind acceleratori de particule necesită costuri mari de energie. În plus, antimateria este dificil de depozitat, deoarece se autodistruge la orice contact cu o substanță obișnuită. Prin urmare, îl stochează în câmpuri electromagnetice puternice, care necesită și costuri mari de energie pentru crearea și întreținerea lor.
În legătură cu cele de mai sus, putem concluziona că antimateria este cea mai scumpă substanță de pe pământ. Gramul său este estimat la 62,5 miliarde de dolari SUA. Potrivit altor estimări furnizate de CERN, ar fi nevoie de câteva sute de milioane de franci elvețieni pentru a crea o miliardime dintr-un gram de antimaterie.
Spațiul este sursa de antimaterie
În această etapă de dezvoltare a tehnologiei, crearea artificială de antimaterie este o metodă ineficientă și costisitoare. Având în vedere acest lucru, oamenii de știință de la NASA plănuiesc să colecteze antimaterie cu câmpuri magnetice în centura Van Allen a Pământului. Această centură este situată la o altitudine de câteva sute de kilometri deasupra suprafeței planetei noastre și are o grosime de câteva mii de kilometri. Această regiune a spațiului conține un număr mare de antiprotoni, care se formează ca urmare a reacțiilor particulelor elementare cauzate de ciocnirile razelor cosmice în straturile superioare ale atmosferei Pământului. Cantitatea de materie obișnuită este mică, astfel încât antiprotonii pot exista în ea mult timp.
O altă sursă de antimaterie o reprezintă centurile de radiații similare din jurul planetelor gigantice ale sistemului solar: Jupiter, Saturn, Neptun și Uranus. Oamenii de știință acordă o atenție deosebită lui Saturn, care, în opinia lor, ar trebui să producă un număr mare de antiprotoni, care rezultă din interacțiunea particulelor cosmice încărcate cu inelele de gheață ale planetei.
De asemenea, se lucrează în direcția depozitării mai economice a antimateriei. De exemplu, profesorul Masaki Hori a anunțat metoda dezvoltată de limitare a antiprotonilor folosind frecvențe radio, care, potrivit acestuia, va reduce semnificativ dimensiunea recipientului pentru antimaterie.
Antimateria este opusul materiei obișnuite.
Mai precis, particulele subatomice de antimaterie au proprietăți opuse materiei normale, cu sarcina electrică opusă a particulelor interne. Oamenii de știință susțin că antimateria a fost creată împreună cu materia după Big Bang, dar antimateria este rară în universul modern și oamenii de știință nu știu sigur de ce.
Pentru a înțelege mai bine antimateria, trebuie să cunoaștem mai multe despre materie.
O substanță este formată din molecule care conțin atomi, care sunt unitățile de bază ale elementelor chimice precum hidrogenul, heliul sau oxigenul. Moleculele au un anumit număr de elemente: hidrogenul are un electron, heliul are doi electroni și așa mai departe.
Cei mai simpli atomi de antihidrogen
În ultimii 25 de ani, oamenii de știință au reușit să creeze cei mai simpli atomi de antimaterie și să-i mențină stabili ca antihidrogen. Au fost efectuate măsurători și a fost determinată structura internă a antihidrogenului.
Hidrogenul este primul element din tabelul periodic și constă dintr-un electron care se mișcă în jurul unui proton. Oglinda sa antihidrogen are un antielectron sau pozitron și un antiproton.
Dacă un pozitron și un electron se ciocnesc, se vor distruge unul pe celălalt și se vor elibera energie. Același lucru este valabil și pentru interacțiunea proton-antiproton. Deoarece universul nostru este plin de electroni, protoni și diverse combinații, este extrem de dificil să păstrăm antiparticulele foarte mult timp.
Universul atomic este complex, deoarece este plin de particule exotice cu proprietăți de spin (rotație în jurul axei sale) și caracteristici pe care fizicienii abia încep să le înțeleagă. În termeni simpli, atomii au particule cunoscute sub numele de electroni, protoni și neutroni.
Antiparticule
Centrul unui atom se numește nucleu, care conține protoni (care au o sarcină electrică pozitivă) și neutroni (care au o sarcină neutră). Electronii, care sunt de obicei încărcați negativ, ocupă orbite în jurul nucleului. Orbitele se pot schimba în funcție de modul în care electronii sunt „energizati” (adică câtă energie au).
În cazul antimateriei, sarcina electrică este restabilită în raport cu materia. Antielectronii (numiți pozitroni) se comportă ca niște electroni, dar au o sarcină pozitivă. Antiprotonii, după cum sugerează și numele, sunt protoni încărcați negativ.
Aceste particule de antimaterie (numite „antiparticule”) au fost produse și studiate la acceleratoare uriașe de particule, cum ar fi Large Hadron Collider operat de Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară.
Într-un accelerator circular de ciocnire precum Large Hadron Collider, particulele sunt lovite de energie de fiecare dată când își încheie rotația.
Pentru a studia antimateria, este necesar să se prevină anihilarea ei cu materie. Oamenii de știință au creat capcane speciale. Particulele precum pozitronii și antiprotonii sunt adunate într-un dispozitiv numit capcană Penning. Dispozitivul arată ca niște amplificatoare minuscule. În interiorul dispozitivului există spirale care creează câmpuri magnetice și electrice care împiedică particulele să se ciocnească de pereții capcanei.
Dar capcanele Penning nu vor funcționa pentru particule neutre, cum ar fi antihidrogenul, deoarece nu are încărcare. Oamenii de știință au venit cu alte capcane care funcționează prin crearea unei regiuni a spațiului în care un câmp magnetic este emis în toate direcțiile.
Antimateria nu este supusă antigravitației. Deși nu a fost confirmată experimental, teoria actuală prezice că antimateria se comportă în același mod în care materia normală se comportă sub gravitație.
Cum s-a format materia Universului
Particulele de antimaterie sunt create în ciocnirile de mare viteză. În primele momente după Big Bang, a existat doar energie. Pe măsură ce universul se răcește și se extinde, atât materia cât și particulele de antimaterie au fost produse în cantități egale. De ce o chestiune a început să domine asupra alteia, oamenii de știință nu au descoperit încă.
Una dintre teorii sugerează că, după anihilarea reciprocă, a rămas multă materie normală cu care s-au format stelele, galaxiile și noi.
Teoreticieni antiparticule
Antimateria a fost prezisă pentru prima dată în 1928 de către fizicianul englez Paul Dirac, care a fost numit de oamenii de știință britanici „cel mai mare teoretician al Marii Britanii, precum Sir Isaac Newton”.
Dirac a pus împreună ecuația specială a relativității a lui Einstein (care spune că lumina are o anumită viteză în univers) și mecanica cuantică (care descrie ceea ce se întâmplă în atom). El a derivat o ecuație pentru electronii cu sarcini negative și pozitive. Dirac a spus în cele din urmă că fiecare particulă din univers va avea o imagine în oglindă. Fizicianul american Carl D. Anderson a descoperit pozitronii în 1932.
Dirac a primit premiul Nobel pentru fizică în 1933, iar Anderson a primit premiul în 1936.
Antimaterie pe o navă spațială
Când particulele de antimaterie interacționează cu particulele de materie, se distrug reciproc și produc energie.
Acest lucru i-a determinat pe ingineri să speculeze că antimateria ar putea fi o energie colosală și eficientă pentru o navă spațială pentru a explora universul.
Cu toate acestea, de acum, antimateria costă aproximativ 100 de miliarde de dolari pentru a crea un miligram de antimaterie. Acesta este minimul care va fi necesar pentru aplicare. Pentru ca această energie să fie viabilă din punct de vedere comercial, acest preț ar trebui să scadă de aproximativ 10.000 de ori. Acum, este nevoie de mult mai multă electricitate pentru a crea antimaterie decât pentru a reveni din reacția cu antimaterie.
Dar asta nu i-a împiedicat pe oamenii de știință să lucreze pentru a îmbunătăți tehnologia pentru a face posibilă utilizarea antimateriei în navele spațiale. Oamenii de știință susțin că este în totalitate posibil ca antimateria să poată fi folosită 50-70 de ani în viitor.
Acum se elaborează opțiuni despre modul în care nava spațială poate funcționa cu acest combustibil.
Designul prevede granule de deuteriu și tritiu (izotopi grei ai hidrogenului cu unul sau doi neutroni în nuclee, spre deosebire de hidrogenul general, care nu are neutroni). Fasciculul de antiprotoni va actiona asupra granulelor. După ce antiprotonii ajung la uraniu, ei vor fi distruși pentru a crea produse de fisiune care ar declanșa reacția de fuziune. Folosirea acestei energii poate face ca nava spațială să se miște.
Motoarele de rachete cu antimaterie sunt posibile ipotetic, dar principala limitare este colectarea suficientă antimaterie pentru ca acest lucru să se întâmple. Cele mai scumpe substanțe din lume acum este antimaterie.
În prezent, nu există o tehnologie de producție în masă sau de colectare a antimateriei în volumul necesar pentru toate aplicațiile.
) atât pentru particule, cât și pentru antiparticule. Aceasta înseamnă că structura antimateriei trebuie să fie identică cu structura materiei obișnuite.
Diferența dintre materie și antimaterie este posibilă numai datorită interacțiunii slabe, cu toate acestea, la temperaturi obișnuite, efectele slabe sunt neglijabile.
În timpul interacțiunii dintre materie și antimaterie are loc anihilarea lor, cu formarea de fotoni de mare energie sau de perechi de particule-antiparticule. Se calculează că atunci când 1 kg de antimaterie și 1 kg de materie intră în interacțiune, se vor elibera aproximativ 1,8 · 10 17 jouli de energie, ceea ce este echivalent cu energia eliberată în timpul unei explozii de 42,96 megatone de TNT. Cel mai puternic dispozitiv nuclear care a explodat vreodată pe planetă, Tsar Bomba (masă ~ 20 de tone), a corespuns la 57 de megatone. Trebuie remarcat faptul că aproximativ 50% din energia în timpul anihilării unei perechi nucleon-antinucleon este eliberată sub formă de neutrini, care practic nu interacționează cu materia.
Există destul de multe raționamente cu privire la motivul pentru care partea observată a Universului constă aproape exclusiv din materie și dacă există alte locuri pline, dimpotrivă, aproape complet cu antimaterie; dar astăzi asimetria observată a materiei și antimateriei în univers este una dintre cele mai mari probleme nerezolvate din fizică (vezi asimetria barionică a universului). Se presupune că o asimetrie atât de puternică a apărut în primele fracțiuni de secundă după Big Bang.
Primirea
Primul obiect compus în întregime din antiparticule a fost anti-deuteronul sintetizat în 1965; apoi s-au obţinut antinuclee mai grele. În 1995, la CERN a fost sintetizat un atom de antihidrogen, format dintr-un pozitron și un antiproton. În ultimii ani, antihidrogenul a fost obținut în cantități semnificative și a început un studiu detaliat al proprietăților acestuia.
Preț
Antimateria este cunoscută drept cea mai scumpă substanță de pe Pământ – NASA a estimat în 2006 că produce un miligram de pozitroni la un cost estimat la 25 de milioane de dolari. Conform unei estimări din 1999, un gram de antihidrogen ar valora 62,5 trilioane de dolari. CERN din 2001 estimează că producția de o miliardime dintr-un gram de antimaterie (volumul folosit de CERN în ciocnirile particule-antiparticule pe parcursul a zece ani) era în valoare de câteva sute de milioane de franci elvețieni.
Vezi si
Note (editare)
Legături
Fundația Wikimedia. 2010.
Sinonime:Vezi ce este „antimateria” în alte dicționare:
Antimateria... Dicționar de ortografie-referință
antimaterie- antimaterie /, și / ... Împreună. Aparte. Cu cratime.
A; mier Fiz. Materie construită din antiparticule. ◁ Anti-real, oh, oh. * * * Antimateria este o materie construită din antiparticule. Nucleele atomilor de antimaterie sunt compuse din antiprotoni și antineutroni, iar învelișurile atomice sunt construite din pozitroni. Dicţionar enciclopedic
ANTI-SUBSTANTĂ, o substanță construită din antiparticule. Nucleii atomilor de antimaterie sunt compusi din antiprotoni si antineutroni, iar rolul electronilor este jucat de pozitroni. Se presupune că în primele momente ale formării Universului, antimateria și materia ...... Enciclopedie modernă
Materie construită din antiparticule. Nucleele atomilor de antimaterie sunt compuse din antiprotoni și antineutroni, iar învelișurile atomice sunt construite din pozitroni. Nu au fost descoperite încă acumulări de antimaterie în Univers. Pe acceleratoarele de particule încărcate ...... Dicţionar enciclopedic mare
ANTI-SUBSTANTĂ, o substanță constând din antiparticule identice cu particulele obișnuite din toate punctele de vedere, cu excepția ÎNCĂRCĂRII ELECTRICE, ÎNTIRIRII ȘI MOMENTULUI MAGNETIC, care au semnul opus. Când o antiparticulă, de exemplu un pozitron ...... Dicționar enciclopedic științific și tehnic
mier Materie formată din antiparticule (în fizică). Dicţionarul explicativ al lui Efremova. T.F. Efremova. 2000... Dicționar explicativ modern al limbii ruse de Efremova
Materie construită din antiparticule. Nucleele atomilor din VA sunt compuse din protoni și neutroni, iar electronii formează învelișurile atomilor. În artilerie, nucleele sunt compuse din antiprotoni și antineutroni, iar locul electronilor în carcasa lor este ocupat de pozitroni. Conform modernului. teorie, otrava... Enciclopedie fizică
Substantiv., Număr de sinonime: 1 antimaterie (2) Dicționar de sinonime ASIS. V.N. Trishin. 2013... Dicţionar de sinonime
ANTIMATERIE- materie, constând din (vezi). Întrebarea prevalenței A. în Univers este încă deschisă... Marea Enciclopedie Politehnică
Cărți
- Universul din oglinda retrovizoare. A fost Dumnezeu mâna dreaptă? Sau simetria ascunsă, antimateria și bosonul Higgs de Dave Goldberg. Nu-ți place fizica? Doar că nu ai citit cărțile lui Dave Goldberg! Această carte vă va prezenta unul dintre cele mai interesante subiecte din fizica modernă, simetriile fundamentale. Într-adevăr, în frumosul nostru...
- Universul din oglinda retrovizoare. A fost Dumnezeu mâna dreaptă? Sau simetrie ascunsă, antimaterie și boson, Goldberg Dave. Nu-ți place fizica? Doar că nu ai citit cărțile lui Dave Goldberg! Această carte vă va prezenta unul dintre cele mai interesante subiecte din fizica modernă - simetriile fundamentale. Într-adevăr, în...
Ecologia cunoașterii: Antimateria a fost mult timp subiectul science fiction-ului. În cartea și filmul „Îngeri și demoni”, profesorul Langdon încearcă să salveze Vaticanul de o bombă cu antimaterie. Nava spațială Enterprise de la Star Trek folosește un motor bazat pe
Antimateria a fost mult timp subiectul science fiction-ului. În cartea și filmul „Îngeri și demoni”, profesorul Langdon încearcă să salveze Vaticanul de o bombă cu antimaterie. Nava spațială Star Trek Enterprise folosește un motor de antimaterie anihilator pentru a călători mai repede decât viteza luminii. Dar antimateria este și un obiect al realității noastre. Particulele de antimaterie sunt aproape identice cu partenerii lor materiale, cu excepția faptului că poartă sarcină și spin opus. Când antimateria întâlnește materia, ele se anihilează instantaneu în energie, iar aceasta nu mai este ficțiune.
În timp ce bombele cu antimaterie și navele bazate pe același combustibil nu sunt încă posibile în practică, există multe fapte despre antimaterie care vă vor surprinde sau vă vor permite să perfecționați ceea ce știați deja.
1. Antimateria ar fi trebuit să distrugă toată materia din univers după Big Bang
Conform teoriei, Big Bang-ul a dat naștere materiei și antimateriei în cantități egale. Când se întâlnesc, există anihilare reciprocă, anihilare și rămâne doar energia pură. Pe baza asta, nu ar trebui să existe.
Dar noi existăm. Și din câte știu fizicienii, asta se datorează faptului că pentru fiecare miliard de perechi materie-antimaterie, a existat o particulă suplimentară de materie. Fizicienii fac tot posibilul să explice această asimetrie.
2. Antimateria este mai aproape de tine decât crezi
Cantități mici de antimaterie plouă constant pe Pământ sub formă de raze cosmice, particule de energie din spațiu. Aceste particule de antimaterie ajung în atmosfera noastră la niveluri cuprinse între unu și peste o sută pe metru pătrat. Oamenii de știință au, de asemenea, dovezi că antimateria este produsă în timpul unei furtuni.
Există și alte surse de antimaterie care sunt mai aproape de noi. Bananele, de exemplu, produc antimaterie prin emiterea unui pozitron - echivalentul antimateriei al unui electron - aproximativ o dată la 75 de minute. Acest lucru se datorează faptului că bananele conțin cantități mici de potasiu-40, un izotop natural al potasiului. Când potasiul-40 se descompune, uneori se naște un pozitron.
Corpul nostru conține și potasiu-40, ceea ce înseamnă că emiți și pozitroni. Antimateria se anihilează instantaneu la contactul cu materia, astfel încât aceste particule de antimaterie nu durează foarte mult.
3. Oamenii au reușit să creeze destul de multă antimaterie
Anihilarea antimateriei și materiei are potențialul de a elibera cantități enorme de energie. Un gram de antimaterie poate produce o explozie de dimensiunea unei bombe nucleare. Cu toate acestea, oamenii nu au produs multă antimaterie, așa că nu este nimic de care să ne fie frică.
Toți antiprotonii creați la acceleratorul de particule Tevatron de la Laboratoarele Fermi abia vor cântări 15 nanograme. CERN a produs doar aproximativ 1 nanogram până în prezent. La DESY din Germania - nu mai mult de 2 nanograme de pozitroni.
Dacă toată antimateria creată de oameni se anihilează instantaneu, energia ei nici măcar nu va fi suficientă pentru a fierbe o ceașcă de ceai.
Problema constă în eficiența și costul producerii și stocării antimateriei. Crearea a 1 gram de antimaterie necesită aproximativ 25 de milioane de miliarde de kilowați-oră de energie și costă peste un milion de miliard de dolari. Deloc surprinzător, antimateria este uneori enumerată ca una dintre cele mai scumpe zece substanțe din lumea noastră.
4. Există așa ceva ca o capcană cu antimaterie.
Pentru a studia antimateria, trebuie să o împiedicați să se anihileze cu materie. Oamenii de știință au găsit mai multe modalități de a face acest lucru.
Particulele de antimaterie încărcate precum pozitronii și antiprotonii pot fi stocate în așa-numitele capcane Penning. Sunt ca niște mici acceleratori de particule. În interiorul lor, particulele se mișcă în spirală, în timp ce câmpurile magnetice și electrice le împiedică să se ciocnească de pereții capcanei.
Cu toate acestea, capcanele Penning nu funcționează pentru particule neutre precum antihidrogenul. Deoarece nu au nicio sarcină, aceste particule nu pot fi limitate la câmpuri electrice. Sunt prinși în capcanele lui Ioffe, care funcționează prin crearea unei zone de spațiu în care câmpul magnetic devine mai mare în toate direcțiile. Particulele de antimaterie se blochează în zona cu cel mai slab câmp magnetic.
Câmpul magnetic al Pământului poate acționa ca capcane pentru antimaterie. S-au găsit antiprotoni în anumite zone din jurul Pământului - centurile de radiații Van Allen.
5. Antimateria poate cădea (în sensul literal al cuvântului)
Particulele de materie și antimaterie au aceeași masă, dar diferă în proprietăți precum sarcina electrică și spin. Modelul standard prezice că gravitația ar trebui să acționeze în același mod asupra materiei și antimateriei, dar acest lucru rămâne de văzut cu siguranță. Experimente precum AEGIS, ALPHA și GBAR lucrează la acest lucru.
Observarea efectului gravitațional în exemplul antimateriei nu este la fel de ușoară ca a privi un măr care cade dintr-un copac. Aceste experimente necesită captarea antimateriei sau încetinirea acesteia prin răcire la temperaturi chiar peste zero absolut. Și deoarece gravitația este cea mai slabă dintre forțele fundamentale, fizicienii trebuie să folosească particule neutre de antimaterie în aceste experimente pentru a preveni interacțiunea cu forța mai puternică a electricității.
6. Antimateria este studiată în moderatorii de particule
Ați auzit de acceleratori de particule, dar ați auzit de acceleratori de particule? La CERN, există o mașină numită Antiproton Decelerator, într-un inel din care antiprotonii sunt capturați și încetiniți pentru a le studia proprietățile și comportamentul.
În acceleratoarele de particule inelare, cum ar fi Large Hadron Collider, particulele primesc un impuls energetic de fiecare dată când completează un cerc. Retardetoarele funcționează în sens invers: în loc să accelereze particulele, acestea sunt împinse în direcția opusă.
7. Neutrinii pot fi propriile lor antiparticule
O particulă de materie și partenerul ei antimaterial poartă sarcini opuse, ceea ce face ușor să distingem între ele. Neutrinii, particule aproape fără masă care interacționează rar cu materia, nu au nicio sarcină. Oamenii de știință cred că ar putea fi particule de Majorana, o clasă ipotetică de particule care sunt propriile lor antiparticule.
Proiecte precum Majorana Demonstrator și EXO-200 au scopul de a determina dacă neutrinii sunt într-adevăr particule Majorana prin observarea comportamentului așa-numitei descompunere dublă beta fără neutrini.
Unii nuclei radioactivi se descompun simultan, emitând doi electroni și doi neutrini. Dacă neutrinii ar fi propriile lor antiparticule, s-ar anihila după o dublă descompunere, iar oamenii de știință ar trebui doar să observe electronii.
Căutarea neutrinilor Majorana poate ajuta la explicarea de ce există asimetria materie-antimaterie. Fizicienii sugerează că neutrinii Majorana pot fi fie grei, fie ușori. Plămânii există în vremea noastră, iar cei grei au existat imediat după Big Bang. Neutrinii grei Majorana s-au degradat asimetric, ceea ce a dus la apariția unei cantități mici de materie care a umplut universul nostru.
8. Antimateria este folosită în medicină
PET, PET (Topografia cu emisie de pozitroni) folosește pozitroni pentru a produce imagini corporale de înaltă rezoluție. Izotopii radioactivi care emit pozitroni (cum ar fi cei pe care i-am găsit în banane) se atașează de substanțe chimice precum glucoza din organism. Sunt injectate în sânge, unde se degradează în mod natural, emițând pozitroni. Aceștia, la rândul lor, se întâlnesc cu electronii corpului și se anihilează. Anihilarea produce raze gamma care sunt folosite pentru a construi o imagine.
Oamenii de știință de la proiectul ACE al CERN studiază antimateria ca potențial candidat pentru tratamentul cancerului. Medicii și-au dat seama deja că pot trimite fascicule de particule către tumori, emițându-și energia numai după ce trec în siguranță prin țesutul sănătos. Folosirea antiprotonilor va adăuga o explozie suplimentară de energie. Această tehnică s-a dovedit a fi eficientă în tratarea hamsterilor, dar nu a fost încă testată pe oameni.
9. Antimateria poate fi pândită în spațiu
Una dintre modalitățile prin care oamenii de știință încearcă să rezolve problema asimetriei materie-antimaterie este căutarea antimateriei rămase de la Big Bang.
Spectrometrul Alfa Magnetic (AMS) este un detector de particule situat pe Stația Spațială Internațională și caută astfel de particule. AMS conține câmpuri magnetice care curbează calea particulelor cosmice și separă materia de antimaterie. Detectoarele săi trebuie să detecteze și să identifice astfel de particule pe măsură ce trec.
Ciocnirile cu raze cosmice produc de obicei pozitroni și antiprotoni, dar șansele de a crea un atom de antiheliu rămân extrem de mici din cauza cantității enorme de energie necesară acestui proces. Aceasta înseamnă că observarea a cel puțin unui nucleol de antiheliu va fi o dovadă puternică a existenței unei cantități gigantice de antimaterie în altă parte a universului.
10. Oamenii studiază de fapt cum să echipeze navele spațiale cu combustibil antimaterie.
Doar puțină antimaterie poate genera cantități masive de energie, făcându-l un combustibil popular pentru navele futuriste științifico-fantastice.
Propulsia rachetei cu antimaterie este posibilă ipotetic; limitarea principală este colectarea suficientă antimaterie pentru a face acest lucru.
Nu există încă tehnologii pentru producția în masă sau colectarea antimateriei în cantitățile necesare pentru o astfel de aplicație. Cu toate acestea, oamenii de știință lucrează la imitarea unei astfel de mișcări și stocarea tocmai a acestei antimaterie. Într-o zi, dacă găsim o modalitate de a produce cantități mari de antimaterie, cercetările lor ar putea ajuta călătoriile interstelare să devină realitate.
publicat deConjectura despre existența antiparticulelor, a antimateriei și, eventual, chiar a antilumilor a apărut cu mult înainte de apariția datelor experimentale care indică posibilitatea existenței lor în natură.
1. Primele ipoteze ale existenței antimateriei
Pentru prima dată conceptul de „antimaterie” a fost inventat de către fizicianul englez Arthur Schuster în 1898, aproape imediat după descoperirea electronului de către Joseph Thomson. Schuster dorea cu adevărat ca simetria să prevaleze în natură. Un electron, după cum știți, este o particulă încărcată negativ (aici, totuși, trebuie remarcat că decizia care sarcină să fie numită pozitivă și care negativă a fost rezultatul unui acord; oamenii de știință ar putea fi de acord asupra desemnării inverse a semnelor de sarcini, și nimic nu s-a schimbat față de acest b), iar Schuster a sugerat existența unui analog simetric al unui electron, încărcat pozitiv și numit de el antielectron. Din ipoteza sa a urmat imediat ideea existenței antiatomilor și antimateriei, din care este posibil să extragă anti-electroni inventați de el într-un anti-experiment anti-Thomson cu un câmp electric. Timp de câțiva ani, Schuster a încercat să-i convingă pe oamenii de știință din jur de validitatea presupunerilor sale ("De ce să nu existe aur încărcat negativ, la fel de galben ca al nostru", a scris el în articolul său din jurnal). Natură), dar nimeni nu ia ascultat argumentele. Pragmatismul științific, stabilit de-a lungul mai multor secole, a sugerat că ar trebui să se creadă numai în experiment și că tot ceea ce nu este confirmat prin experiment este o fantezie neștiințifică. Și experimentul a afirmat apoi inexorabil că electronii încărcați negativ pot fi scoși din materie, dar cei încărcați pozitiv nu sunt observați.
Ideea lui Schuster a fost uitată, iar Paul Dirac a redescoperit antimateria doar 30 de ani mai târziu. A făcut și acest lucru, ipotetic, dar a fost mult mai convingător decât Schuster, arătând că existența antimateriei rezolvă o mulțime de probleme nerezolvate acumulate până în acest moment. Înainte de a trece la ideile lui Dirac, trebuie să ne amintim la ce concluzii noi a ajuns fizica în acești 30 de ani.
2. Crearea atomului de către Niels Bohr
La începutul secolului al XX-lea a apărut necesitatea regândirii legile fizicii. În primul rând, au dat peste imposibilitatea de a descrie spectrul unui corp absolut negru folosind doar legile lui Newton și Maxwell, iar puțin mai târziu au aflat că legile clasice nu permit descrierea atomului. Potrivit chimiștilor, un atom este indivizibil și, din punctul lor de vedere, au perfectă dreptate, deoarece în toate reacțiile chimice atomii pur și simplu „se mișcă” de la o moleculă la alta, dar poate că se poate ierta blasfemia fizicienilor care au dorit să facă mai întâi. descompuneți acest atom în componentele sale și apoi asamblați în conformitate cu legile stricte ale fizicii. Până în 1913, descompunerea atomului s-a dovedit bine: nimeni nu a avut nicio îndoială că, de exemplu, cel mai simplu atom de hidrogen constă dintr-un proton încărcat pozitiv, descoperit experimental de Rutherford puțin mai târziu, și un electron. S-ar părea că tot ce aveți nevoie pentru a asambla un atom este acolo: pe lângă proton și electron, există o forță electrică de atracție între ele, care ar trebui să le țină împreună. A fost posibil să se colecteze atomul, dar să-l mențină într-o stare stabilă pentru o lungă perioadă de timp - nu: electronul a căzut inexorabil pe proton și nu a vrut să rămână pe orbita dată. Niels Bohr a reușit să repare acest sistem, de dragul acesta a abandonat legile clasice ale mecanicii pentru a descrie sisteme la distanțe de ordinul mărimii unui atom. Mai degrabă, Bohr a trebuit să abandoneze ideea electronului ca o mică minge încărcată solidă și să o prezinte ca un nor liber, iar pentru a-l descrie a fost necesar să se creeze un nou aparat matematic dezvoltat de mulți fizicieni proeminenți de la începutul secolului XX. și numită „mecanica cuantică”.
Pe la mijlocul anilor 1920, mecanica cuantică, care a înlocuit mecanica clasică atunci când era necesar să descrie ceva foarte mic, era deja ferm stabilită. Ecuația Schrödinger, care se bazează pe idei cuantice, a descris cu succes multe experimente, de exemplu, experimentul cu spectrul unei lămpi cu hidrogen (hidrogenul încălzit strălucește nu doar lumină albă, ci un număr mic de linii spectrale) plasate într-un magnetic magnetic. câmp în care fiecare linie este ușor împărțită în câteva rânduri.
3. Problema energiilor negative
În momentul în care credeau necondiționat în mecanica cuantică, s-a format o altă teorie - (mecanica relativistă), care funcționează la viteze foarte mari. Când vitezele corpurilor sunt comparabile cu viteza luminii, legile mecanicii newtoniene trebuie de asemenea corectate. Oamenii de știință au încercat să traverseze două cazuri limitative: viteze mari (teoria relativității) și distanțe foarte mici (mecanica cuantică). S-a dovedit că nu este nimic dificil în a scrie o ecuație care să satisfacă atât mecanica cuantică, cât și teoria relativității. O generalizare a ecuației Schrödinger la cazul sistemelor relativiste a fost propusă independent de Klein, Gordon și Fock (cel din urmă este compatriotul nostru). Dar soluția acestei ecuații nu ni s-a potrivit prea mult. Unul dintre paradoxurile cu soluții este paradoxul Klein: pentru particulele foarte rapide care lovesc o barieră înaltă, din care, teoretic, ar trebui să se reflecte, probabilitatea de a sări peste bariera, conform acestei ecuații, crește doar odată cu înălțimea acesteia - o concluzie care contrazice bunul simt.
O altă absurditate a ecuației relativiste a fost că printre soluțiile ecuației au apărut particule cu energii negative. Ce este atât de groaznic în asta? Imaginează-ți că ne-am aranjat lumea cu ajutorul mecanicii cuantice. Părea să aibă o podea pe care poți sta în picioare, iar noi aducem confort: agățăm poze pe pereți, punem cărți pe rafturi. Toate bijuteriile noastre sunt tocmai supuse mecanicii cuantice, toate au energie pozitivă, iar dacă atârnăm ceva rău, vor cădea pe podea. Dar, încercând să îmbunătățim mecanica cuantică, să o facem mai corectă, am descoperit că nu există gen în lumea noastră. În loc de un abis târât (energii negative), unde totul ar trebui să cadă. Trebuie să aducem un omagiu rezistenței fizicienilor de atunci: ei nu se temeau că lumea se va prăbuși în fața ochilor noștri, ci au încercat să rezolve această problemă.
A reușit să rezolve problema Paul Dirac, care s-a angajat să descrie o particulă mai complexă decât cea care descrie ecuația Klein - Gordon - Fock - un electron. Un electron nu poate fi descris de o funcție, trebuie să luăm doi deodată, iar această pereche nu poate fi împărțită și trebuie să scriem un sistem de ecuații. S-ar părea că sarcina a devenit doar mai complicată (și la prima vedere, această complicație nu rezolvă problema principală), dar Dirac a încercat să aducă soluția până la capăt. Pentru electroni funcționează principiul Pauli, care afirmă că doi electroni nu pot fi plasați într-o singură stare: niciun efort nu poate stoarce un al doilea electron într-unul deja ocupat. Dirac, asumându-și această sarcină, se pare că spera să folosească această proprietate: dacă sub nivelul podelei toate stările sunt deja umplute cu electroni, atunci nu va fi unde să cadă. S-ar părea că sarcina este fără speranță: este necesar să umplem abisul adâncimii infinite cu electroni. Și Dirac doar a ridicat din umeri: „De ce ar trebui să ne îngrijorăm pentru asta? Vom presupune că natura s-a ocupat deja de acest lucru (și ea este atotputernică), totul este deja inundat, iar podeaua noastră este." Astfel, problema energiilor negative a fost rezolvată!
4. Antimaterie
Cu toate acestea, notându-și ecuația, Dirac a întâlnit o nouă problemă: se dovedește că două funcții nu sunt suficiente pentru o descriere relativistă a electronului, va trebui să scrie patru! Care sunt aceste două funcții suplimentare pentru electron? După puțină gândire, Dirac și-a dat seama că pe podeaua noastră inundată se pot forma bule - găuri (natura, desigur, este atotputernică, dar își poate permite să nu fie complet perfectă și să permită unele defecte). În mod surprinzător, o astfel de bula se comportă exact ca un electron, prin analogie cu o bula, arată ca o picătură care atârnă deasupra podelei: au aceeași masă, ambele sunt încărcate. Picătura suspendată are energie pozitivă și este încărcată negativ, de fapt, acesta este electronul nostru. O bula (în lumea subterană) are și energie pozitivă, dar semnul său de încărcare este opus - este un antielectron (sau pozitron). Pentru a-l descrie, au fost necesare două funcții suplimentare.
Dirac a fost inspirat de descoperirea sa. Era convins că antiparticulele sunt reale, deși nu fuseseră niciodată observate într-un experiment înainte. Ei au descoperit antiparticule câțiva ani mai târziu, iar colegii au fost sceptici cu privire la ideea lui Dirac, în ciuda succesului evident al teoriei sale (rețineți că antiparticulele au rezolvat și paradoxul Klein). Se pare că Dirac a crezut necondiționat în teoria sa. Încercând să găsească un răspuns la criticile privind inobservabilitatea pozitronilor, el a realizat rapid că pozitronii nu pot trăi cu noi. Dacă ar apărea undeva lângă noi, s-ar anihila imediat cu electronii din jur. Prin urmare, el a sugerat destul de rezonabil că, dacă sistemul nostru solar este format din electroni și particule în general, atunci nu există loc pentru antiparticule, acestea trebuie căutate în alte galaxii care nu sunt în contact cu ale noastre. Acum credem că, cel mai probabil, antigalaxiile nu există: motivul este că antimateria este ușor diferită de materie.
Pozitronii inventați de Dirac au fost în curând descoperiți de Karl Anderson în. S-au născut din fotoni cosmici energetici împerecheați cu electroni, dar înainte de anihilarea ulterioară au reușit să zboare la o anumită distanță și să lase urme. Este interesant că pozitronul ar fi putut fi descoperit cu 5 ani mai devreme de remarcabilul fizician rus Dmitri Skobeltsin, care a văzut pozitronul, dar el însuși nu i-a venit să creadă descoperirea sa. Toate particulele trebuie să aibă antiparticule, cu excepția celor cu adevărat neutre, cum ar fi un foton (pentru un foton, o antiparticulă este ea însăși), iar astăzi toate sunt deschise. Îi vedem doar în experimente speciale. Prin urmare, antimateria este adesea percepută ca fiind complet abstractă, poate frumoasă, dar nu este clar de ce a fost inventat acest concept. Într-adevăr, tot ceea ce s-a discutat mai devreme este doar faptul că există antiparticule și aproape că nu există antiparticule în natura din jurul nostru, și ce folos, chiar dacă au învățat cum să le obțină în laboratoare? Dar nu sari la concluzii! Am învățat deja nu doar să primim antiparticule, ci și să le folosim pentru nevoile noastre.
5. Aplicarea antimateriei
Antimateria nu pare să ne afecteze viața de zi cu zi. Cu toate acestea, astăzi folosim pentru unele probleme destul de practice cel puțin cea mai răspândită și relativ ușor de obținut antiparticulă - pozitronul. Una dintre utilizările pozitronilor se găsește în medicină pentru. Există nuclee radioactive care emit pozitroni, care, scăpat din nucleu, se anihilează instantaneu cu electronii de la atomii vecini, transformându-se în doi fotoni. Pacientul ia o cantitate mică de analog de glucoză cu o impuritate radioactivă (doza este foarte mică și nu dăunează sănătății), substanța asemănătoare glucozei se acumulează în celulele în creștere activă, care sunt celule canceroase. Anihilarea electron-pozitronă frecventă va avea loc în tumoră, iar găsirea locului exact din corp din care fotonii zboară adesea rămâne o sarcină tehnică, iar aceasta se face fără contact: un dispozitiv de scanare care prinde fotoni trece în jurul pacientului. Această tehnică se numește tomografie cu emisie de pozitroni, care poate diagnostica și localiza cu precizie o tumoră.
Pozitronii sunt folosiți și în știința materialelor. Cu ajutorul unui microscop cu pozitroni special care trage pozitroni la obiectul studiat, este posibil să se examineze suprafețele semiconductorilor pentru utilizarea lor în electronică. Sau puteți pur și simplu să studiați mostre din orice materiale, să determinați „oboseala” materialelor și să găsiți microdefecte în ele. Deci, această zonă de cunoaștere aparent complet abstractă servește intereselor foarte specifice ale oamenilor.