Vi lever i et univers hvor det er mye materie, og stort sett er det ingen antimaterie i det hele tatt. To av leserne våre vil vite hva antimaterie er, og en fysiker gir dem svar på dette spørsmålet.
Antimaterie. Fra dette ordet puster fascinerende bøker og filmer der skurker får eksplosiver fra antimaterie eller romskip beveger seg på slikt drivstoff.
Men hva er dette stoffet - hva er egentlig essensielt?
Leserne av Wiedenskub vil gjerne vite dette veldig. De har lest noen av de mange artiklene vi har publisert om fysikernes eksperimenter med antimaterie, men de vil gjerne vite mer.
Først må vi tydeliggjøre at fysikernes antimaterie ikke bør forveksles med de antistoffene som er kjent for oss fra biologi og medisin. Der antistoffer (også kalt immunoglobuliner) er spesielle proteinforbindelser, som er en del av kroppens forsvar mot sykdommer. De kan binde seg til fremmede molekyler og dermed beskytte kroppen mot mikroorganismer og virus.
Men her vil vi ikke snakke om dem. Vi tok kontakt med en vitenskapsmann fra fysikkens verden: Nikolaj Zinner, foreleser ved Institutt for fysikk og astronomi ved Aarhus Universitet, forteller oss gjerne om antimaterie.
Stoff med motsatt ladning
Salgsfremmende video:
“Alle de partiklene som, som vi vet, er i naturen, alt som vår verden består av, eksisterer i varianter med motsatt ladning. Dette er antimateriell, sier Nikolai Sinner.
“Antimatter ser nøyaktig den samme ut og har samme masse som vanlig materie, men den har nøyaktig motsatt ladning. For eksempel har positivt ladede positroner negativt ladede elektroner. Positroner er elektronpartikler."
Så det er ingenting grunnleggende uvanlig med antimaterie. Det er bare et stoff med en motsatt ladning i forhold til stoffet i miljøet vi vanligvis finnes av. Men hvorfor det er så lite av det, er bare et mysterium, og vi vil komme tilbake til dette senere.
”I hverdagen møter vi ikke antimaterie, men det forekommer i mange situasjoner, for eksempel under radioaktivt forfall, under påvirkning av kosmisk stråling og i akseleratorer. Den forsvinner bare veldig raskt igjen. Når en positron møter et elektron, er resultatet ren energi i form av to høyt energi-lyspartikler - kvanta.
Forsvinner i et lysglimt
“Her er et elektron og et positron, de har motsatte ladninger, så de tiltrekker seg. De kan komme veldig nær hverandre, og når dette skjer, smelter de sammen og danner to fotoner. Dette er en konsekvens av naturlovene, - sier Nikolai Sinner. "Massen til to partikler omdannes til energi i form av to partikler - kvanta av gammastråling."
“Hvis du hadde mye antimaterie og lot det komme i kontakt med vanlig materie, ville du gitt en veldig kraftig reaksjon. Og omvendt: energi kan konverteres til materie og antimaterie, og dette skjer i partikkelakseleratorer."
Brukes i medisinske skannere
Det er dette fenomenet, når møtet mellom materie og antimateriell fører til at de forsvinner og frigjør energi, sannsynligvis er det første som fascinerer forfatterne av science fiction.
For eksempel spiller antimaterie en viktig rolle i Dan Browns Angels and Demons, og i Star Trek kjører interstellare skip på antimatter.
Men i den virkelige verden har antimaterie en mer fredelig anvendelse.
Antimaterialet i form av positroner fra forfallet av radioaktive materialer brukes på sykehus i PET-skannere (positron emission tomography), som kan ta bilder av indre organer og oppdage usunne prosesser i dem.
“Så antimateria er ikke så mystisk. Dette er en del av naturen som vi liker å bruke, sier Nikolai Sinner.
Vi utsetter oss også for antimaterie ved å spise bananer. De inneholder kalium, som er svakt radioaktivt og frigjør positroner når det forfaller. Omtrent hvert 75 minutt avgir en banan en positron, som raskt kolliderer med et elektron, og de blir til to gammafotoner.
Men alt dette er absolutt ikke farlig. For å få en dose stråling som tilsvarer det vi får når vi tar røntgen, må vi konsumere flere hundre bananer.
Det ble spådd allerede før funnet
Du kan bedre forstå hva antimaterie er hvis du ser på historien til oppdagelsen. Interessant nok ble antistoffer forutsagt allerede før det ble oppdaget.
På 1920-tallet viste det seg at en ny teori kalt kvantemekanikk var perfekt for å beskrive de minste stoffpartiklene - atomer og elementære partikler. Men det var ikke så lett å kombinere kvantemekanikk med 1900-tallets andre store teori, relativitetsteorien.
Den unge britiske fysikeren Paul Dirac hastet med å løse dette problemet og klarte å utlede en ligning som kombinerer kvantemekanikk med spesiell relativitet.
Ved hjelp av denne ligningen ble det mulig å beskrive bevegelsen til et elektron, selv om hastigheten nærmet seg lysets hastighet.
Men ligningen forberedte en overraskelse. Han hadde to løsninger, akkurat som ligningen "x² = 4": x = 2 og x = -2 ". Det vil si at den kan beskrive ikke bare det velkjente elektronet, men også en annen partikkel - et elektron med negativ energi.
Oppdaget i Wilsons celle
Da visste de ingenting om partikler med negativ energi, og Paul Dirac tolket oppdagelsen hans på følgende måte: det kan være en partikkel som er nøyaktig den samme som et elektron, med unntak av motsatt ladning.
Hvis elektronet har en negativ ladning, må det være en tilsvarende partikkel med en positiv ladning. I følge beregninger skal den samme regelen gjelde for alle elementære partikler, det vil si generelt alle partiklene som utgjør verden.
Og så jakten på anti-elektron begynte. Den amerikanske fysikeren Carl Anderson brukte et tåkekamera (alias Wilsons kamera) for å oppdage spor etter partikler fra verdensrommet som har samme masse som et elektron, men med motsatt ladning.
Slik ble Diracs antielektron oppdaget, som fikk navnet positron - forkortelse for "positivt elektron". Fra det øyeblikket, trinn for trinn, ble nye antipartikler oppdaget.
Universet var ren energi i begynnelsen
Dirac antydet at fjerne stjerner - kanskje halvparten av alt vi ser på himmelen - kan være sammensatt av antimaterie, uansett. Dette følger for eksempel fra hans tale, som han holdt mens han godtok Nobelprisen i fysikk i 1933.
Men i dag vet vi at alt i universet bare består av materie, og ikke av antimaterie. Og dette er virkelig mystisk, for i begynnelsen av universets eksistens burde det ha vært omtrent samme mengde av begge deler, forklarer Nikolai Sinner.
“Hvis vi begynner å spole tilbake utviklingen av universet, vil energien bli mer og mer. Tettheten vil øke, temperaturen vil stige. Til slutt vil alt bli ren energi - energibærende eller tvinge partikler som fotoner. Dette var begynnelsen på universet, i henhold til våre vanligste kosmologiske teorier."
”Og hvis vi igjen går videre fra dette referansepunktet, vil energien på et tidspunkt måtte begynne å konvertere til materie. Det er perfekt mulig å lage materie fra ren energi, men i dette tilfellet får du like mye antimaterie som materie. Det er problemet - du kan forvente samme mengde av begge deler."
“Det må være en viss naturlov som er ansvarlig for at det i dag er mer materie enn antimaterie. Og ingenting mer kan sies om denne ubalansen. Og slik at denne asymmetrien kunne forklares."
Neutrinos vil hjelpe med å løse gåten
Det store spørsmålet er hvor man i naturlovene skal se etter grunnen til seieren av saken over antimaterien. Fysikere prøver å finne ut av dette gjennom eksperimenter.
På CERN Research Center i Sveits blir antimaterie produsert og fanget i magnetfelt, og gjennom en serie eksperimenter med antihydrogen prøver fysikere å finne et svar på spørsmålet om materie og antimaterie er eksakte speilbilder av hverandre.
Kanskje er det fortsatt en liten forskjell mellom dem, med unntak av ladning, og denne forskjellen vil bidra til å forklare hvorfor det er så mye materie i universet i forhold til antimaterie.
Klarte å lage antihelium
Siden antimaterie er veldig sjelden og forsvinner raskt når den støter på et stoff, er det ingen molekyler av antimaterie i naturen, og bare dens minste molekyler kan opprettes.
I 2011 klarte amerikanske forskere å lage antihelium. Det var ikke større atomer.
Vi i Wiedenskab skrev mye om disse eksperimentene, som så langt viser at antimaterie oppfører seg på nøyaktig samme måte som materie, som for eksempel er beskrevet i artikkelen “Aarhus Scientist Carried Out the Most Precision Antihydrogen Measurements in History”. Og kanskje å løse denne gåten vil hjelpe oss å finne elementære partikler som kalles nøytrinoer. Vi skrev om dette i artikkelen "Iseksperiment vil avsløre hemmeligheten bak saken."
”Vi kan håpe at vi finner svaret i nøytrinoen, fordi vi allerede vet at det oppfører seg underlig. Det er mange hull i fysikken her, så det ville være lurt å begynne å grave her, sier Nikolai Sinner.
Antimatter i seg selv er ikke så mystisk, men fysikere har ennå ikke funnet ut hvorfor det er så mye mer materie enn antimaterie i universet i dag. De jobber med dette problemet.
Henrik Bendix
