مصدر فريد للطاقة: ما هي المادة المضادة وما هي قادرة على ذلك

ما هي المادة المضادة؟

كائنات الكون - المجرات والنجوم والكوازارات والكواكب والمستعرات الأعظمية والحيوانات والبشر

- مصنوعة من مادة.يتكون من جسيمات أولية مختلفة - الكواركات واللبتونات والبوزونات. ولكن اتضح أن هناك جسيمات يتطابق فيها جزء من الخصائص تمامًا مع معلمات "الأصول الأصلية" ، بينما يحتوي الجزء الآخر على قيم معاكسة. دفعت هذه الخاصية العلماء إلى إعطاء مجموعة هذه الجسيمات الاسم العام "المادة المضادة".

بناءً على البيانات المتوفرة حتى الآن ، لاهناك مضادات المجرات أو النجوم المضادة أو أجسام كبيرة أخرى من المادة المضادة. وهذا غريب جدًا: وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، في لحظة ولادة كوننا ، ظهرت نفس الكمية من المادة والمادة المضادة ، ولا يزال المكان الذي ذهب إليه الأخير غير واضح. يوجد حاليًا تفسيران لهذه الظاهرة: إما أن المادة المضادة اختفت فور الانفجار ، أو أنها موجودة في بعض الأجزاء البعيدة من الكون ، ولم نكتشفها بعد. يعد عدم التناسق هذا أحد أهم المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء الحديثة.

المادة المضادة - المادة المكونة من الجسيمات المضادة -"انعكاسات انعكاسية" لعدد من الجسيمات الأولية التي لها نفس اللف والكتلة ، ولكنها تختلف عن بعضها البعض في علامات جميع الخصائص الأخرى للتفاعل: الشحنة الكهربائية واللون ، وأرقام الباريون والليبتون الكمومية. بعض الجسيمات ، على سبيل المثال الفوتون ، لا تحتوي على جسيمات مضادة أو ، وهي نفس الشيء ، هي جسيمات مضادة بالنسبة إلى نفسها.

يعتقد اليوم أن الجسيمات المضادة تتفاعل معهاإن القوى الأساسية التي تحدد بنية المادة (التفاعل القوي ، وتشكيل النوى ، والقوى الكهرومغناطيسية ، وتشكيل الذرات والجزيئات) ، هي نفسها تمامًا ، لذلك يجب أن تكون بنية المادة المضادة هي نفسها بنية المادة "العادية".

وماذا تعني البادئة "ضد"؟

عادة ما نستخدم هذه البادئة لـيعين الظاهرة المعاكسة. أما بالنسبة للمادة المضادة - فهي تشمل نظائر الجسيمات الأولية التي لها شحنة معاكسة ، وعزم مغناطيسي وبعض الخصائص الأخرى. بالطبع ، لا يمكن عكس جميع خصائص الجسيم. على سبيل المثال ، يجب أن تظل الكتلة والعمر إيجابيين دائمًا ، مع التركيز عليها ، يمكن أن تُعزى الجسيمات إلى فئة واحدة (على سبيل المثال ، البروتونات أو النيوترونات).

إذا قارنا البروتون والبروتون المضاد ، فحينئذٍ بعضخصائصهما هي نفسها: كتلة كلاهما هي 938.2719 (98) ميغا إلكترون فولت ، تدور ½. لكن الشحنة الكهربائية للبروتون هي 1 ، والبروتون المضاد ناقص 1 ، وعدد الباريون (الذي يحدد عدد الجسيمات شديدة التفاعل المكونة من ثلاثة كواركات) هو 1 وسالب 1 على التوالي.

بعض الجسيمات ، مثل بوزون هيغز والفوتون ، ليس لها نظير مضاد ويطلق عليها محايدة حقيقية.

معظم الجسيمات المضادة مع الجسيماتتظهر في عملية تسمى الاقتران. يتطلب تكوين مثل هذا الزوج طاقة عالية ، أي سرعة هائلة. في الطبيعة ، تنشأ الجسيمات المضادة عندما تصطدم الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض ، داخل النجوم الضخمة ، بجانب النجوم النابضة ونواة المجرة النشطة. يستخدم العلماء المسرعات المصادمات لهذا الغرض.

أين يتم "تعدين" المادة المضادة وتخزينها؟

يتم استخراج المادة المضادة في الهادرون الكبيرمصادم ، يجمع سحب البروتونات المضادة بعد اصطدام حزمة بروتون مع هدف معدني ويبطئ بدقة جزيئات التشتت بحيث يمكن استخدامها في التجارب اللاحقة.

بقلم Maximilien Brice، CERN - CERN Document Server، CC BY-SA 3.0، https://commons.wikimedia.org/w/index.php؟curid=29068932

جسيمات المادة المضادة المشحونة مثل البوزيتروناتويمكن تخزين البروتونات المضادة في ما يسمى بمصائد بنينج. إنها مثل مسرعات الجسيمات الصغيرة. داخلها ، تتحرك الجسيمات في شكل حلزوني بينما تمنعها المجالات المغناطيسية والكهربائية من الاصطدام بجدران المصيدة.

ومع ذلك ، فإن مصائد بنينج لا تعمل من أجلهاالجسيمات المحايدة مثل الهيدروجين المضاد. نظرًا لعدم وجود شحنة لهذه الجسيمات ، لا يمكن حصرها في المجالات الكهربائية. إنهم محاصرون في مصائد Ioffe ، والتي تعمل عن طريق إنشاء مساحة من الفضاء حيث يصبح المجال المغناطيسي أكبر في جميع الاتجاهات. تتعطل جزيئات المادة المضادة في المنطقة ذات المجال المغناطيسي الأضعف.

يمكن أن يعمل المجال المغناطيسي للأرض كمصائد للمادة المضادة. تم العثور على البروتونات المضادة في مناطق معينة حول الأرض - أحزمة فان ألين الإشعاعية.

لماذا يصعب الحصول على المادة المضادة؟

كما اتضح أن دراسة هذا الغموضالمادة أصعب بكثير من التسجيل. لم يتم العثور على الجسيمات المضادة في حالة مستقرة في الطبيعة. المشكلة هي أن المادة والمادة المضادة تبيدان (يدمر كل منهما الآخر) عند "الاتصال". من الممكن جدًا الحصول على المادة المضادة في المختبرات ، على الرغم من صعوبة احتوائها. حتى الآن ، تمكن العلماء من القيام بذلك لبضع دقائق فقط.

مشكلة تخزين المادة المضادة هي مشكلة حقيقيةألم للفيزيائيين ، لأن البروتونات المضادة والبوزيترونات تتلاشى فورًا عند الالتقاء بأي جسيمات من مادة عادية. للاحتفاظ بها ، كان على العلماء ابتكار أجهزة ماكرة يمكن أن تمنع وقوع كارثة. يتم تخزين الجسيمات المضادة المشحونة في ما يسمى بمصيدة Penning ، والتي تشبه المسرع المصغر. يمنع مجاله المغناطيسي والكهربائي القوي من اصطدام البوزيترونات والبروتونات المضادة بجدران الجهاز. ومع ذلك ، لا يعمل مثل هذا الجهاز مع الأجسام المحايدة مثل ذرة الهيدروجين المضاد. لهذه الحالة ، تم تطوير مصيدة Ioffe. يحدث الاحتفاظ بالمضادات فيه بسبب المجال المغناطيسي.

ما هي قدرة المادة المضادة؟

فقط حفنة من المادة المضادة يمكن أن تنتجكمية هائلة من الطاقة. وهذا يجعلها وقودًا شائعًا لمركبات الخيال العلمي المستقبلية. بشكل عام ، من الممكن افتراضيًا استخدام محرك صاروخ مضاد للمادة ؛ القيد الرئيسي هو تراكم كمية كافية من المادة المضادة لاستخدامها.

بالمناسبة ، فإن طاقة 1 مليغرام من المادة المضادة تكفي لرحلة إلى المريخ.

لا توجد حاليا أي تقنيات متاحة لالإنتاج الضخم أو جمع المادة المضادة بالقدر المطلوب لهذا التطبيق. ومع ذلك ، فقد أجرى عدد قليل من العلماء أبحاثًا حول محاكاة الحركة والتخزين. ومن بين هؤلاء رونان كين ووي مينج زانج ، الذين عملوا في أكاديمية ويسترن ريزيرف وجامعة ولاية كينت ، على التوالي ، بالإضافة إلى مارك ويبر وزملائه في جامعة ولاية واشنطن. في يوم من الأيام ، إذا تمكنا من إيجاد طريقة لإنشاء أو جمع كميات كبيرة من المادة المضادة ، فإن أبحاثهم يمكن أن تساعد في جعل السفر بين النجوم باستخدام المادة المضادة حقيقة واقعة.

لماذا ما زلنا لا نستخدم مصدر الطاقة هذا؟

يمكن إبادة المادة والمادة المضادةتطلق كمية هائلة من الطاقة. يمكن أن يتسبب جرام من المادة المضادة في حدوث انفجار بحجم القنبلة النووية. ومع ذلك ، فقد أنتج البشر القليل جدًا من المادة المضادة.

عدم كفاءة إنتاج المادة المضادة هائل.مع الأخذ في الاعتبار تكلفة الحصول على المادة المضادة ، يمكنك استعادة عُشر مليار فقط (10-10) من الطاقة المستثمرة. إذا تمكن العلماء من جمع كل المادة المضادة التي أنتجناها في سيرن وقضينا عليها بالمادة ، فلن يكون هناك سوى طاقة كافية لتشغيل مصباح كهربائي واحد لبضع دقائق.

تم إنشاء جميع البروتونات المضادة في مسرع الجسيماتتيفاترون في فيرميلاب هو 15 نانوجرام فقط. تلك المنتجة في CERN حوالي 1 نانوجرام. حتى الآن ، أنتجت DESY في ألمانيا ما يقرب من 2 نانوجرام من البوزيترونات.

إذا تم تدمير كل المادة المضادة التي أنتجها البشر دفعة واحدة ، فلن تكون الطاقة المنتجة كافية حتى لغلي كوب من الشاي.

المشكلة هي الكفاءة والتكلفةإنتاج وتخزين المادة المضادة. سيتطلب إنتاج جرام واحد من المادة المضادة ما يقرب من 25 مليون كيلوواط / ساعة من الطاقة وأكثر من مليون مليار دولار.

قراءة المزيد

طائرة هليكوبتر بارعة تقلع بنجاح على المريخ

تم إنشاء أول خريطة دقيقة للعالم. ما هو الخطأ مع أي شخص آخر؟

أخبرت ناسا كيف سيتم تسليم عينات من المريخ إلى الأرض

الدوران هو الزخم الزاوي المناسب للجسيمات الأولية ، والتي لها طبيعة كمومية ولا ترتبط بحركة الجسيم ككل.