Maailmankaikkeus on täynnä uskomattomia salaisuuksia. Pelottavat mustat reiät, "tumman aineen" paradoksi, arvaamattomat kaksinkertaiset tähdet. Yksi kuuluisimmista ja kiehtovimmista palapeleistä on tietenkin antimateriaali, joka koostuu "sisäpuolisesta" aineesta. Tämän ilmiön löytäminen on yksi tärkeimmistä fysiikan saavutuksista viime vuosisadalla.
Tähän asti tiedemiehet olivat vakuuttuneita siitä, että elementaariset hiukkaset ovat maailmankaikkeuden perusluonteisia ja muuttamattomia rakennuspalikoita, jotka eivät ole syntyneet uudelleen eikä koskaan kadota. Tämä tylsä ja mutkaton kuva on menneisyys, kun kävi ilmi, että negatiivisesti varautunut elektroni ja sen vastine maailmanvastaisesta positronista tuhoutuvat, jolloin syntyy energiakvanttia. Ja myöhemmin kävi ilmeiseksi, että alkeishiukkaset yleensä haluavat kääntyä toisiinsa ja kaikkein omituisin tavoin. Antimateriaalin löytäminen oli maailmankaikkeuden ominaisuuksia koskevien ajatusten radikaali muutos.
Antimatter on jo kauan ollut suosittu tieteellisen fiktion aihe. Star Trekin kultin Enterprise-alus käyttää antimateriaalimoottoria galaksin valloittamiseksi. Dan Brownin kirjassa Enkelit ja demonit päähenkilö säästää Rooman tämän aineen perusteella syntyneestä pommista. Epäyhdistämättömien energiamäärien subjugointi, joka saadaan aineen vuorovaikutuksesta antimateriaalin kanssa, ihmiskunta saa voimaa, ylivoimaisimpien tietokirjailijoiden ennusteita. Muutama kilogramma antimateriaalia riittää galaksin ylittämiseen.
Mutta ennen kuin aseiden ja avaruusalusten luominen on vielä hyvin kaukana. Tällä hetkellä tiede harjoittaa antimateriaalin olemassaolon teoreettista perustelua ja sen ominaisuuksien tutkimista, ja tutkijat käyttävät kokeissaan kymmeniä, äärimmäisissä tapauksissa satoja atomeja. Heidän elämänsä aika lasketaan sekunteina, ja kokeiden kustannukset ovat kymmeniä miljoonia dollareita. Fyysikot uskovat, että antimateriaalin tuntemus auttaa meitä ymmärtämään paremmin maailmankaikkeuden kehittymistä ja siinä tapahtuneita tapahtumia välittömästi ison Bangin jälkeen.
Mikä on antimateriaali ja mitkä ovat sen ominaisuudet?
Antimatter on erityinen aine, joka koostuu hiukkasista. Heillä on sama spin ja massa kuin tavallisilla protoneilla ja elektroneilla, mutta ne eroavat niistä sähkö- ja värivarauksen, baryonin ja leptonin kvanttiluvun merkillä. Yksinkertaisesti sanottuna, jos tavallisen aineen atomit koostuvat positiivisesti varautuneista ytimistä ja negatiivisista elektroneista, antimateriaali on päinvastainen.
Aineen ja antimateriaalin vuorovaikutuksessa tapahtuu tuhoaminen fotonien tai muiden hiukkasten vapautumisen yhteydessä. Samanaikaisesti vastaanotettu energia on valtava: yksi gramma antimateriaa riittää useiden kilotonien räjähdykseen.
Nykyaikaisen käsitteen mukaan aineella ja antimaterialla on sama rakenne, koska voima ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset, jotka määräävät sen, toimivat täysin identtisesti sekä hiukkasilla että niiden "kaksosilla".
Uskotaan, että antiaine voi myös luoda painovoiman, mutta tätä tosiasiaa ei ole vielä osoitettu lopullisesti. Teoreettisesti painovoiman pitäisi toimia aineella ja antiaineella samalla tavalla, mutta tämä on vielä määritettävä kokeellisesti. Nyt he työskentelevät tässä asiassa ALPHA-, AEGIS- ja GBAR-hankkeissa.
Vuoden 2015 lopussa tiedemiehet pystyivät mittaamaan antiprotonien välisen vuorovaikutuksen voimaa vuoden 2015 lopussa. Kävi ilmi, että se on sama kuin protonien samankaltainen ominaisuus.
Tällä hetkellä tunnetaan lähes kaikkien olemassa olevien alkuainehiukkasten "kaksoset", lukuun ottamatta niin sanottuja "todella neutraaleja", jotka latauskonjugoinnin aikana muuttuvat itsestään. Näitä hiukkasia ovat:
- fotoni;
- Higgsin bosoni;
- neutraali pi meson;
- tämä mesoni;
- gravitron (ei vielä löydetty).
Antimatter on paljon lähempänä kuin luulet. Antimateriaalilähde, ei kuitenkaan liian voimakas, ovat tavallisia banaaneja. Ne sisältävät kalium-40-isotoopin, joka hajoaa muodostamaan positroni. Tämä tapahtuu noin kerran 75 minuutissa. Tämä elementti on myös osa ihmiskehoa, niin että jokainen meistä voidaan kutsua partikkelien generaattoriksi.
Taustalta
Brittiläinen tutkija Arthur Schuster myönsi ensimmäistä kertaa ajatuksen asiasta "erilaisella merkillä" 1800-luvun lopulla. Hänen julkaisunsa tästä aiheesta oli melko epämääräinen, eikä siihen sisältynyt mitään todisteita, todennäköisimmin tiedemiehen hypoteesi johtui elektronin viimeaikaisesta löytämisestä. Hän oli ensimmäinen, joka esitti termit "antimateria" ja "antiatom" tieteelliseen käyttöön.
Kokeellisesti anti-elektroni saatiin ennen sen virallista löytämistä. Tämän teki Neuvostoliiton fyysikko Dmitri Skobeltsinu viime vuosisadan 20-luvulla. Hän sai outon vaikutuksen tutkiessaan gammasäteitä Wilsonin kammiossa, mutta hän ei voinut selittää sitä. Nyt tiedämme, että ilmiö johtui hiukkasen ja anti-partikkelin - elektronin ja positronin - ulkonäöstä.
Vuonna 1930 kuuluisa brittiläinen fyysikko Paul Dirac, joka työskenteli elektronin liikkeen relativistisen yhtälön parissa, ennusti uuden partikkelin, jolla oli sama massa, mutta vastakkaisen varauksen. Tuolloin tutkijat tiesivät vain yhden positiivisen hiukkasen - protonin, mutta se oli tuhansia kertoja raskaampi kuin elektroni, joten he eivät voineet tulkita Diracin saamia tietoja. Kaksi vuotta myöhemmin amerikkalainen Anderson löysi elektronin "kaksoiskappaleen" avaruudessa tapahtuvan säteilyn tutkimuksessa. Hän kutsui positronin.
Viime vuosisadan puoliväliin mennessä fyysikoilla oli hyvä aika tutkia tätä partikkelia, kehitettiin useita tapoja sen valmisteluun. 1950-luvulla tutkijat löysivät antiprotonin ja anti-neutronin, vuonna 1965 saatiin anti-deuteroni, ja vuonna 1974 Neuvostoliiton tutkijat onnistuivat syntetisoimaan heliumin ja tritiumin ydinase.
60-luvulla ja 70-luvulla ylemmän ilmakehän anti-partikkeleita haettiin käyttäen ilmapalloja tieteellisten laitteiden avulla. Tätä ryhmää johti Nobel-palkinnon saaja Luis Alvarets. Kaiken kaikkiaan noin 40 tuhatta hiukkasia oli ”kiinni”, mutta yksikään niistä ei ollut mitään tekemistä antimateriaalin kanssa. Vuonna 2002 amerikkalaiset ja japanilaiset fyysikot aloittivat samanlaisen tutkimuksen. He esittivät valtavan BESS-ilmapallon (tilavuus 1,1 miljoonaa m3) 23 kilometrin korkeuteen. Mutta jopa kokeilun 22 tunnin aikana he eivät havainneet edes yksinkertaisimpia hiukkasia. Myöhemmin vastaavia kokeita tehtiin Etelämantereella.
90-luvun puolivälissä eurooppalaiset tutkijat saivat aikaan antihydrogeeniatomin, joka koostui kahdesta partikkelista: positronista ja antiprotonista. Viime vuosina on voitu syntetisoida paljon suurempi osa tästä elementistä, mikä mahdollisti sen ominaisuuksien tutkimisen.
Vuonna 2005 kansainväliseen avaruusasemaan (ISS) asennettiin herkkä antimateriaalinilmaisin.
Antimateriaali avaruudessa
Positron Paul Diracin löytö uskoi, että maailmankaikkeudessa on kokonaisia alueita, jotka koostuvat kokonaan antimateriasta. Hän puhui tästä Nobel-luennossaan. Mutta tähän mennessä tiedemiehet eivät ole löytäneet mitään sellaista.
Tietenkin hiukkaset ovat läsnä avaruudessa. Ne syntyvät monien korkean energian prosessien takia: supernova-räjähdykset tai lämpöydinpolttoaineen polttaminen, esiintyy plasman pilvissä mustien reikien tai neutronien tähden ympärillä, syntyvät suurenergisten hiukkasten törmäyksissä tähtienväliseen tilaan. Lisäksi pieni määrä antipartikkeleita "vuodatetaan" jatkuvasti sateellamme planeetallemme. Joidenkin radionuklidien hajoamiseen liittyy myös positronien muodostuminen. Mutta kaikki edellä mainitut ovat vain hiukkasia, mutta eivät antiaineita. Tähän asti tutkijat eivät ole pystyneet löytämään jopa anti-heliumia avaruudessa, mitä puhutaan raskaammista elementeistä. Erityisen gammasäteilyn etsinnän epäonnistuminen, joka liittyy tuhoamisprosessiin aineen ja antimateriaalin törmäyksessä.
Tänään saatavilla olevien tietojen perusteella ei ole olemassa antigalaxeja, anti-tähtiä tai muita suuria antiaine-esineitä. Ja tämä on hyvin outoa: Big Bang-teorian mukaan maailmankaikkeuden syntymähetkellä ilmestyi sama määrä ainetta ja antimateriaa, ja missä viimeinen meni on epäselvä. Tähän ilmiöön on tällä hetkellä kaksi selitystä: jompikumpi antiaine hävisi välittömästi räjähdyksen jälkeen, tai se on olemassa joissakin maailmankaikkeuden syrjäisissä osissa, emmekä yksinkertaisesti ole löytäneet sitä vielä. Tällainen epäsymmetria on yksi modernin fysiikan tärkeimmistä ratkaisemattomista ongelmista.
On olemassa hypoteesi, että maailmankaikkeuden elämän alkuvaiheissa aineen ja antimateriaalin määrä melkein samaan aikaan: jokaisen miljardin antiprotonin ja positronin kohdalla oli täsmälleen yhtä monta vastaavaa, plus yksi "ylimääräinen" protoni ja elektroni. Ajan myötä suurin osa aineesta ja antimateriasta hävisivät hävittämisprosessissa, ja kaikki, joka ympäröi meitä, syntyi ylijäämästä. Totta, ei ole täysin selvää, mistä ja miksi "ylimääräiset" hiukkaset ilmestyivät.
Antimateriaalin saaminen ja tämän prosessin vaikeudet
Vuonna 1995 tutkijat onnistuivat luomaan vain yhdeksän atomivetyä. Niitä oli useita kymmeniä nanosekuntia, ja sitten ne hävitettiin. Vuonna 2002 hiukkasten määrä oli jo satoja, ja niiden käyttöikä kasvoi useita kertoja.
Antipartikkeli syntyy pääsääntöisesti sen tavanomaisen ”kaksinkertaisen” kanssa. Esimerkiksi positroni-elektroniparin saamiseksi on välttämätöntä, että gamma-kvantti on vuorovaikutusta atomikohdan sähkökentän kanssa.
Antimateriaalin saaminen - hyvin hankala. Tämä prosessi tapahtuu kiihdyttimissä, ja anti-partikkelit säilytetään erityisissä varastorenkaissa suurissa tyhjiöolosuhteissa. Vuonna 2010 fyysikoilla oli ensimmäistä kertaa mahdollisuus ansaita 38 anti-vetyatomia erityiseen ansaan ja pitää ne 172 millisekunnin ajan. Tätä varten tiedemiehet joutuivat jäädyttämään 30 tuhatta antiprotonia alle -70 ° C: n lämpötilaan ja kahteen miljoonaan positroniin -230 ° C: een.
Seuraavana vuonna tutkijat pystyivät parantamaan merkittävästi tuloksia: lisäämään hiukkasten elämää koko tuhannen sekunnin ajan. Tulevaisuudessa aiomme selvittää antimateriaalin antigravitaatiovaikutuksen puuttumisen tai esiintymisen.
Antimateriaalivarastointikysymys on todellinen päänsärky fyysikoille, koska antiprotonit ja positronit tuhoavat välittömästi, kun he kohtaavat tavallisten aineiden hiukkasia. Niiden säilyttämiseksi tiedemiehet joutuivat keksimään älykkäitä laitteita, jotka voisivat estää katastrofin. Latautuneet hiukkaset varastoidaan ns. Penning-ansaan, joka muistuttaa pienikokoista kiihdytintä. Sen voimakas magneetti- ja sähkökentät estävät positronien ja antiprotonien törmäämisen laitteen seiniin. Tällainen laite ei kuitenkaan toimi neutraaleilla esineillä, kuten antihydrogeeniatomilla. Tässä tapauksessa kehitettiin Joffe-ansa. Anti-atomien säilyminen siinä tapahtuu magneettikentän vuoksi.
Antimateriaalin kustannukset ja sen energiatehokkuus
Koska antimateriaalin hankkiminen ja varastointi on vaikeaa, ei ole yllättävää, että sen hinta on erittäin korkea. NASAn laskelmien mukaan vuonna 2006 yksi milligramma positroneja maksaa noin 25 miljoonaa dollaria. Aiempien tietojen mukaan grammaa anti-vetyä arvioitiin 62 triljoonaa dollaria. CERN: n eurooppalaiset fyysikot antavat suunnilleen samat luvut.
Potentiaalisesti antimateriaali on ihanteellinen polttoaine, erittäin tehokas ja ympäristöystävällinen. Ongelmana on, että kaikki ihmisten tähän mennessä luoma antimateriaali on tuskin riittävä keittämään vähintään kupillinen kahvia.
Yhden gramman antimateriaalin synteesi vaatii 25 miljoonaa miljardia kilowattituntia energiaa, mikä tekee tämän aineen käytännön käyttötarkoituksen yksinkertaisesti absurdista. Ehkä joskus tankkaamme tähtialuksia sen kanssa, mutta tähän sinun on keksittävä yksinkertaisempia ja halvempia menetelmiä vastaanottoon ja pitkäaikaiseen varastointiin.
Olemassa olevat ja lupaavat sovellukset
Tällä hetkellä antimateriaalia käytetään lääketieteessä positronipäästötomografian aikana. Tämän menetelmän avulla voit saada kuvan sisäelimistä korkealla resoluutiolla. Radioaktiiviset isotoopit, kuten kalium-40, yhdistetään orgaanisten aineiden, kuten glukoosin, kanssa ja injektoidaan potilaan verenkiertojärjestelmään. Siellä he lähettävät positroneja, jotka hävitetään, kun he kohtaavat elimistön elektronien kanssa. Tämän prosessin aikana saatu gammasäteily muodostaa kuvan tutkitusta elimestä tai kudoksesta.
Antimateriaa tutkitaan myös mahdollisena syövän korjaamiseksi.
Antimateriaalin käytöllä on tietenkin suuri lupaus. Se voi johtaa todelliseen energia vallankumoukseen ja antaa ihmisille mahdollisuuden päästä tähtiin. Kaunokirjallisuuden suosikkiraidat ovat tähtialuksia niin sanotuilla loimimoottoreilla, joiden avulla he voivat matkustaa superlight-nopeudella. Nykyään tällaisia laitteita on useita matemaattisia malleja, ja useimmat niistä käyttävät antimateriaansa työstään.
On realistisempia ehdotuksia ilman superlight-lentoja ja hyperavaruutta. Esimerkiksi ehdotetaan, että heitetään uraani-238-kapseli deuteriumin ja helium-3: n sisälle antiproton-pilven sisälle. Hankkeen kehittäjät uskovat, että näiden komponenttien vuorovaikutus johtaa lämpösydämisreaktion alkuun, jonka tuotteet, jotka magneettikentän ohjaamana moottorin suuttimeen, antavat alukselle merkittävän vetovoiman.
Marsissa yhdellä kuukaudella suoritetuilla lennoilla amerikkalaiset insinöörit ehdottavat antiprotonien aiheuttamaa ydinfissiota. Laskelmien mukaan vain 140 nanogrammaa näistä hiukkasista on tarpeen tällaiselle matkalle.
Ottaen huomioon huomattavan määrän energiaa, joka vapautuu aineen tuhoamisen aikana, tämä aine on erinomainen ehdokas pommien ja muiden räjähtävien esineiden täyttämiseen. Jopa pieni määrä antimateriaalia riittää luomaan ydinpommiin verrattavissa olevan ammuksen. Mutta vaikka on ennenaikaista huolehtia siitä, koska tämä tekniikka on sen kehityksen alkuvaiheessa. On epätodennäköistä, että tällaiset hankkeet toteutuvat tulevina vuosikymmeninä.
Sillä välin antimateriaali on ensinnäkin teoreettisen tieteen tutkimuksen aihe, joka voi kertoa paljon maailmamme rakenteesta. Tämä tilanne ei todennäköisesti muutu ennen kuin opimme saamaan sen teollisessa mittakaavassa ja luotettavasti. Vasta sitten voimme puhua tämän aineen käytännön käytöstä.
