enigmata na antimateriyata kakvo e tova i zashto ne unishtoji

Енигмата на антиматерията: какво е това и защо не унищожи Вселената?

Сподели

Звучи като научна фантастика: нормалната материя има „зъл близнак“, който унищожава веднага щом двамата влязат в контакт. Но тази антиматерия е много реална и въпреки десетилетията на изследване остава много загадъчна. И така, какво всъщност е антиматерията? Къде е? Защо е важно да го разберем? И защо още не е унищожила Вселената?

Какво е антиматерия?


Колкото и странно да звучи, антиматерията по същество е точно като обикновената материя, освен че нейните частици имат противоположен заряд. Но тази проста разлика има някои основни последици – ако някоя частица и нейната античастица се срещнат, те ще се унищожат взаимно в прилив на енергия.

За наш късмет, антиматерията е изключително рядка. Той се произвежда естествено в малки количества при взаимодействие с космически лъчи, по време на урагани и гръмотевични бури и като част от някои видове радиоактивен разпад-всъщност всичко с калий-40 в него ще изплюе случайните частици антиматерия. Това включва банани и да, дори вие. Но не се притеснявайте, няма да стигне далеч, преди да се сблъска с електрон и да изчезне отново.

Изкуствено антиматерията се произвежда най -вече в ускорители на частици като Големия адронен колайдер на CERN, но отново само в незначителни количества и обикновено не трае дълго.

Секция от експеримента BASE в ЦЕРН, където се произвежда и съхранява антиматерия в лабораторията

ЦЕРН

Всяка частица има своя еквивалентна античастица – например има антипротон, антинейтрон и антиелектрон (по -известен като позитрон). Някои частици, като фотони, всъщност са свои собствени античастици.

Тези античастици също могат да се свържат, за да образуват антиатоми, така че например антипротон и антиелектрон могат да образуват антиводороден атом. Всеки елемент трябва да има еквивалент на антиматерия и те трябва да имат същите свойства като техните обикновени аналози на материята, с изключение на заряда.

Разбира се, антиматерията по своята същност не е „по -лоша“ от нормалната материя – ние просто я определяме като „анти“, защото е обратна на нещата, с които сме свикнали. Но ако някъде там има същества, направени от антиматерия, живеещи на планета с антиматерия, обикалящи около звезда от антиматерия в галактика с антиматерия (което, между другото, всичко е теоретично възможно) – те вероятно биха сменили материята и етикетите на антиматерията .

Може да е лесно да се обърка антиматерията с тъмната материя, но двете са много различни. Предполага се, че тъмната материя е разпространена из цялата Вселена и въпреки че има много доказателства, че тя съществува, тя все още избягва директното откриване. Антиматерията, от друга страна, е изключително рядка, но е експериментално потвърдена и е обект на постоянно изследване.

И така, как изучаваме антиматерията?


Учени от съоръжения като CERN могат да създадат антиматерия, като разбият определени частици заедно в ускорител, който произвежда дъжд от материя и двойки антиматерия. Когато тези двойки са разделени, антиматерията може да бъде запазена и изучена.

Това обаче е трудна процедура и като такава само няколко десетки нанограма са произведени изкуствено. Това го прави далеч и най -скъпият материал в света за производство, като учените изчисляват, че струва до 25 милиарда щатски долара за грам. Част от трудността и цената идват от съхранението, защото разбира се не е толкова лесно, колкото просто да го поставите в буркан, тъй като той ще унищожи повечето контейнери при контакт.

Така че учените използват това, което се нарича капан на Пенинг. Частиците на антиматерията са окачени във вакуумна камера чрез електромагнитни полета, което ги държи далеч от страните. Използвайки този метод, учените първо успяха да уловят атомите на антиводорода за няколко части от секундата през 2010 г., след което го удължиха до над 16 минути през 2011 г. Настоящият рекорд съхранява антипротони за 405 дни.

Ако съхраняването на антиматерия изглежда сложно, транспортирането й е съвсем друго предизвикателство. През 2020 г. ЦЕРН подробно описа нов дизайн на капан, който може да се използва за преместване на големи количества антиматерия на по -големи разстояния.

Пълно напречно сечение на транспортното устройство BASE-STEP
Пълно напречно сечение на транспортното устройство BASE-STEP

Кристиан Смора

Устройството, наречено BASE-STEP, ще се състои от два капана на Penning, един, който приема и освобождава антипротони, а другият, за да ги съхранява за транспортиране. Капаните ще бъдат заобиколени от свръхпроводящ магнит от 1 Тесла, за да ги стабилизират, докато слой от течен хелий поддържа системата хладна за дълги периоди от време. Цялото устройство е достатъчно малко, за да се натовари върху камион, който след това може да транспортира антиматерията до други съоръжения за по -подробно проучване.

Достатъчно е да ви накара да се чудите защо изобщо се притесняваме, но антиматерията има голям технологичен потенциал. Всъщност вече е намерено едно полезно приложение, което може да сте изпитали сами.

За какво можем да използваме антиматерията?


Ако някога сте имали PET сканиране, лекарите са наблюдавали тялото ви за събития на унищожаване на антиматерията във вас. Точно там е в името – PET означава позитронна емисионна томография, а позитронът е антиматериалната версия на електрон.

PET сканирането работи чрез инжектиране на пациенти с радиоактивен химикал, който излъчва позитрони, докато частиците му се разпадат. Тези позитрони след това ще се сблъскат с електрон в тъканта на пациента, отделяйки фотони от гама лъчи, които се улавят от специализирана камера. Чрез проследяване на тези събития лекарите могат след това да реконструират 3D изображения на органи и тумори.

PET сканиране на пациент, показващо нормално натрупване на оцветителя в сърцето и бъбреците, както и тумор в черния дроб
PET сканиране на пациент, показващо нормално натрупване на оцветителя в сърцето и бъбреците, както и тумор в черния дроб

Йенс Маус

Ако някога антиматерията може да бъде произведена или събрана в големи мащаби, може да успеем да я използваме за по -революционни приложения. Енергията, отделяна при сблъсък на материя и антиматерия, е огромна – само един грам от всяка би произвел около енергията на 40 -килотонна атомна бомба. Използването, което би могло да помогне за задвижването на космически кораби от далечното бъдеще през Вселената много ефективно – само a няколко десетки милиграма антиматерия би било достатъчно, за да изпрати кораб на Марс.

По -тъмната страна обаче е, че антиматерията може да направи оръжие с неописуема разрушителна сила, но за щастие, прекалено високата цена запазва това в сферата на романите на Дан Браун. За сега.

Но преди да правим големи планове за антиматерия, трябва да я проучим много по -подробно. В крайна сметка има някои фундаментални въпроси, на които все още нямаме отговори.

Големите антики


Освен че имат обратен заряд, материята и антиматерията трябва по същество да са еднакви и да следват същите закони на физиката – но акцентът е върху „трябва“. Предположенията не правят солидна наука, така че физиците са проверявали двойно основите за всеки случай, защото всякакви аномалии могат да намекнат за изцяло нова глава от Стандартния модел на физиката на частиците.

Например: всеки елемент и съединение имат уникален пръстов отпечатък, наречен негов емисионен спектър, въз основа на кои дължини на вълната светлина поглъщат и които излъчват. Според стандартния модел атомите на материята и антиматерията на един и същ елемент трябва да имат същия спектър, но едва през 2016 г. учените от CERN най -накрая провериха. Екипът хвана атомите на антиводород с лазер за измерване на неговия спектър и установи, че той съответства на този на обикновения водород.

Експериментът ALPHA-g се настройва в ЦЕРН, който ще отхвърли антиматерията, за да види как гравитацията влияе върху нея
Експериментът ALPHA-g се настройва в ЦЕРН, който ще отхвърли антиматерията, за да види как гравитацията влияе върху нея

ЦЕРН

Друг важен въпрос е дали антиматерията реагира на гравитацията по същия начин, както прави обикновената материя. Отново се очаква, че трябва, но има около един на милион шанс антиматерията да падне нагоре вместо. Звучи като доста основно нещо, което вече трябва да знаем, но цялата работа с антиматерия досега трябваше да го спре в електромагнитни капани.

CERN има два отделни експеримента в работата, за да тества идеята, известна като GBAR и ALPHA-g. И в двата случая дизайнът на експеримента е доста прост – изключете този капан и вижте дали унищожаването се извършва под или над него. Надяваме се, че няма да имаме повече време да чакаме резултатите.

Но има още една голяма космическа мистерия, която можем да разрешим, като изучим антиматерията – защо изобщо сме тук?

Асиметрия материя-антиматерия


Според Стандартния модел на физиката на частиците Големият взрив е трябвало да произведе материя и антиматерия в равни количества. Но ако е така, цялото съдържание на космоса щеше да се унищожи чрез сблъсъци с течение на времето, оставяйки вселената много празно място днес.

Очевидно това не се случи. И така, какво се случи с цялата антиматерия?

Може да е някъде там. Теоретично антиматерията трябва да може да се събира заедно в звезди, планети и галактики точно като обикновена материя (стига да няма обикновена материя наоколо, за да я унищожи). Това означава, че може да има кътчета на Вселената, където антиматерията доминира.

И може да не е толкова далеч, колкото си мислите. Някои учени предполагат, че звездите на антиматерията могат да се дебнат в нашата собствена галактика, да блестят точно като обикновените звезди. Възможно е обаче да можем да идентифицираме тези „анти-звезди“ чрез необичайните гама-изблици, които биха издали, когато петна от материя ги докоснат.

Но това също може да разкрие идеята. Дори ако регионите на материята и антиматерията на Вселената бяха разделени от огромни участъци от междугалактическо пространство, пак щеше да има доста редовни събития на унищожение, които да се случват по границите. Това би довело до ясни гама -лъчи, които не са наблюдавани, което го прави малко вероятно в наблюдаваната вселена има доминирани от антиматерия региони.

Вместо това основният ред на разсъжденията е, че в първите дни на Вселената нещо е причинило дисбаланс в съотношението материя-антиматерия, така че в крайна сметка е останало малко повече от едното от другото. Това би означавало, че цялата материя във Вселената днес е само малка част-само една 10-милиардна-от това, което някога е съществувало, останало след космически катаклизъм на унищожаването на антиматерията.

И така, какво може да е причинило този дисбаланс? Има няколко хипотези.

Една идея казва, че имаме неутрино, на което да благодарим за съществуването си. Тези неутрални субатомни частици са свои собствени античастици и се смята, че те биха могли да превърнат някаква антиматерия в материя, тъй като ранната вселена е претърпяла фазов преход.

Други субатомни частици като мезона на очарованието са уловени при превключване между материя и антиматерия в лабораторията. Ако по някаква причина преминаването от антиматерия към материя е по -лесно за тях, отколкото обратното, те биха могли да създадат дисбаланса в началото на историята на Вселената.

Модел на художник за това как трептенето на аксиони (черна топка) в ранната вселена може да създаде повече материя (цветни топки), отколкото антиматерия
Модел на художник за това как трептенето на аксиони (черна топка) в ранната вселена може да създаде повече материя (цветни топки), отколкото антиматерия

Harigaya и Co/NASA

Друга история сочи към хипотетична частица, наречена аксион. Предполага се, че те са невероятно леки, без електрически заряд и плават около Вселената във вълни, които рядко взаимодействат с друга материя. Според едно проучване аксионното поле започва да се колебае в ранната Вселена, създавайки малка част повече материя, отколкото антиматерия.

Интересно е, че аксионите могат да се окажат много удобна частица. Тяхното съществуване може да реши не само проблема с асиметрията на материя-антиматерия, но и две други космически загадки едновременно-те също са кандидат за тъмна материя и те запушват друга дупка в нашето разбиране за физиката на частиците, известна като Силен CP проблем, също.

Присъщата загадка на антиматерията вероятно ще продължи да смущава учените още дълго време. Лабораторните експерименти и астрономическите наблюдения без съмнение ще дадат нови улики, които биха могли да ни помогнат да разберем еволюцията на Вселената, границите на Стандартния модел на физиката на частиците и как да използваме това странно вещество за приложения, които дори не можем да си представим.

Вижте другите ни обяснители по физика за тъмната материя и тъмната енергия.

.

Публикациите се превеждат автоматично с google translate

ajax loader


Сподели