Antymateria — co to jest, właściwości i anihilacja cząstek

W fizyce wszystkie cząstki elementarne, czyli podstawowy budulec rzeczy, których możemy dotknąć, występują w parach. Każda cząstka ma coś, co nazywa się antycząstką. Może ona wyglądać i zachowywać się tak samo jak zwykła cząstka, z wyjątkiem jednej zasadniczej różnicy. Przykładem jest elektron i pozyton.

Inne cząstki antymaterii są takie same, mają taką samą masę, wyglądają i zachowują się tak samo jak zwykłe cząstki, ale ich ładunek elektryczny jest odwrotny niż zwykłych cząstek. Antywodór, na przykład, ma pozyton, który jest dodatnio naładowany, orbitujący wokół antyprotonu, który jest ujemnie naładowany, co jest przeciwieństwem sposobu, w jaki wygląda zwykły wodór, który ma elektron (ładunek ujemny), orbitujący wokół protonu (ładunek dodatni).

AlbertEinstein znalazł wzór, który pokazuje, ile energii ma dana ilość czegoś, niezależnie od tego, czy jest to materia, czy antymateria. Wzór ten to E = m c 2 {\i0} E=mc^{2}} i jest to jedno z najbardziej znanych równań. Najprościej rzecz ujmując, jeśli weźmiemy masę czegoś, a następnie pomnożymy ją przez prędkość światła, a potem znów pomnożymy przez prędkość światła, otrzymamy ile czystej energii ma dany kawałek czegoś. Ponieważ prędkość światła jest tak dużą liczbą, oznacza to, że nawet niewielka ilość materii może mieć bardzo dużo energii (przewiduje się, że jest ona 4 razy bardziej efektywna w przeliczeniu na masę niż rozszczepienie jądra atomowego).

W 1928 r. fizyk Paul Dirac szukał równania, które przewidywałoby, jak powinny zachowywać się bardzo szybkie cząstki. Istniało już inne równanie, które opisywało wolno poruszające się cząstki, równanie Schrödingera, ale teoria szczególnej względności Einsteina mówiła, że szybkie cząstki mogą się bardzo różnić od powolnych. Dirac wiedział, że cząstki takie jak elektrony zwykle poruszają się bardzo szybko. Zdał sobie sprawę, że stare równanie nie będzie dobrze przewidywało dla szybkich cząstek. Wymyślił więc nowe równanie, które mogłoby opisywać cząstki poruszające się z prędkością bliską prędkości światła.

Dla szybkich cząstek nie jest już prawdą, że energia wynosi E = m c 2 {{displaystyle E=mc^{2}}. . Zamiast tego, nowe równanie Diraca działało dla cząstek, dla których energia była dana przez E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{vec {p}^{2}c^{2}}} . . W nowym równaniu na energię, symbol p → {{displaystyle {p}} nazywany jest pędem i określa jak szybko cząstka się porusza i jak trudno jest ją zatrzymać. Równanie to mówi, że bardzo szybkie cząstki mają więcej energii, więc różnią się od cząstek powolnych. Możesz wziąć pierwiastek kwadratowy z każdej strony tego równania, ponieważ obie strony są równe. Jednak każdy prawdziwy pierwiastek kwadratowy ma dwie odpowiedzi, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=+{sqrt {m^{2}c^{4}+{vec {p}}^{2}c^{2}}}} i E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=-{sqrt {m^{2}c^{4}+{vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Możesz myśleć o odpowiedzi z ujemną energią jako o antymaterii.

Powodem, dla którego jest to ważne dla zrozumienia antymaterii, jest fakt, że naukowcy odkryli, że kiedy materia i antymateria dotykają się nawzajem, ilość energii, która jest uwalniana, jest bardzo bliska ilości energii E = m c 2 {\i0}, która według E=mc^{2} powinna być zawarta w tych dwóch cząstkach. Powodem tego jest to, że każda cząstka materii, kiedy dotknie swojej antycząstki w świecie antymaterii, obie zamieniają się w czystą energię, lub anihilują się nawzajem. To uwolnienie tak dużej ilości energii jest powodem, dla którego wielu pisarzy science fiction używa antymaterii jako paliwa w swoich opowieściach. Na przykład, autor Dan Brown w "Aniołach i Demonach" używa antymaterii jako bardzo potężnej broni. Jest ona również wykorzystywana jako źródło paliwa dla prawdziwych misji kosmicznych w przyszłości.

Wielu naukowców sądzi, że w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, który stworzył wszechświat bardzo dawno temu, materia i antymateria zmieszały się ze sobą. Jeśli Wielki Wybuch wytworzył równe ilości materii i antymaterii, to obie materie anihilowałyby i zamieniły się w energię. Po długim czasie nie pozostałaby ani materia, ani antymateria, tylko energia. Ale nasz dzisiejszy wszechświat wygląda tak, jakby składał się prawie z samej materii i prawie wcale nie było w nim antymaterii. Fizycy nie wiedzą jeszcze na pewno, że powstały równe ilości materii i antymaterii, i dlatego zastanawiają się, gdzie podziała się antymateria i czy w ogóle pozostała na początku wszechświata.

Jednym z wyjaśnień jest to, że na początku było tylko trochę więcej materii niż antymaterii, więc to, co pozostało po tym, jak większość materii i antymaterii anihilowała w energię, stało się wszechświatem w większości materialnym, jaki widzimy dzisiaj. Inna teoria głosi, że po drugiej stronie wszechświata jest mnóstwo antymaterii, ukrytej daleko poza zasięgiem naszego wzroku. Mogłyby one również uformować własne galaktyki i układy słoneczne.

Ponieważ antymateria może wytworzyć tak dużo energii, można ją wykorzystać do wielu rzeczy, na przykład jako paliwo do wylotu w kosmos lub w naszych samochodach. Problem polega na tym, że antymateria jest bardzo droga w produkcji i prawie tak samo droga w przechowywaniu, ponieważ nie może się stykać ze zwykłą materią. Potrzeba kilkuset milionów dolarów, aby wyprodukować mniej niż jedną milionową grama antymaterii. W rzeczywistości jest to najdroższa i najrzadsza substancja na Ziemi. Ponieważ jest ona tak droga, oznacza to, że antymateria nie jest praktyczna w użyciu jako broń lub źródło energii, ponieważ tak niewiele można jej uzyskać.

Ostatnio jednak naukowcom udało się uwięzić antymaterię na ponad 16 minut (łącznie 1000 sekund).

Ma to zastosowanie w medycynie, ponieważ specjalny rodzaj skanera zwany PET, który jest skrótem od pozytonowej tomografii emisyjnej, wykorzystuje pozytony do wnikania w ludzkie ciało. Lekarze mogą obserwować, w jaki sposób pozyton zmienia się w energię w ciele danej osoby i stwierdzić, czy coś jest w nim nie tak. Ten rodzaj urządzenia działa inaczej niż aparat rentgenowski lub rezonans magnetyczny (MRI) i może pomóc lekarzom zobaczyć rzeczy, których te inne urządzenia nie widzą.