Hvad er antimateriale?
Universets objekter - galakser, stjerner, kvasarer, planeter, supernovaer, dyr og mennesker
Baseret på de hidtil tilgængelige data, nrder er antigalaksier, anti-stjerner eller andre store antimateriegenstande. Og dette er meget mærkeligt: ifølge Big Bang-teorien, på tidspunktet for fødslen af vores univers, dukkede den samme mængde stof og antimateriale op, og hvor sidstnævnte gik, er ikke klart. I øjeblikket er der to forklaringer på dette fænomen: enten antimaterie forsvandt umiddelbart efter eksplosionen, eller det findes i nogle fjerne dele af universet, og vi har simpelthen endnu ikke opdaget det. Denne asymmetri er et af de vigtigste uløste problemer i moderne fysik.
Antimateriale - stof bestående af antipartikler -"Spejlrefleksioner" af et antal elementære partikler, der har den samme spin og masse, men som adskiller sig fra hinanden i tegn på alle andre karakteristika for interaktion: elektrisk og fargeladning, baryon og lepton kvantetal. Nogle partikler, for eksempel en foton, har ikke antipartikler eller, hvilket er det samme, er antipartikler i forhold til sig selv.
Det antages i dag, at antipartikler reagerer påde grundlæggende kræfter, der bestemmer stofens struktur (stærk interaktion, dannende kerner og elektromagnetiske, der danner atomer og molekyler), er nøjagtig den samme, derfor skal strukturen af antimateriale være den samme som strukturen for "normal" materie.
Hvad betyder præfikset "anti"?
Vi bruger normalt dette præfiks tilbetegne det modsatte fænomen. Med hensyn til antimateriale - det inkluderer analoger af elementære partikler, der har modsat ladning, magnetisk moment og nogle andre egenskaber. Naturligvis kan alle egenskaber ved en partikel ikke vendes. For eksempel skal masse og levetid altid forblive positive, med fokus på dem, partikler kan tilskrives en kategori (for eksempel protoner eller neutroner).
Hvis vi sammenligner en proton og et antiproton, så noglederes karakteristika er de samme: massen af begge er 938,2719 (98) megaelektronvolt, spin ½. Men protonens elektriske ladning er 1, og antiproton har minus 1, baryontallet (som bestemmer antallet af stærkt interagerende partikler bestående af tre kvarker) er henholdsvis 1 og minus 1.
Nogle partikler, såsom Higgs-bosonen og fotonen, har ingen antianaloger og kaldes ægte neutrale.
De fleste antipartikler sammen med partikleroptræder i en proces kaldet "parfødsel". For at danne et sådant par kræves høj energi, det vil sige enorm hastighed. I naturen opstår antipartikler, når kosmiske stråler kolliderer med Jordens atmosfære, inde i massive stjerner, nær pulsarer og aktive galaktiske kerner. Forskere bruger også acceleratorkollidere til dette.
Hvor "udvindes" antimateriale og opbevares?
Antistof udvindes i Large Hadroncollider, der samler skyer af antiprotoner efter at en stråle af protoner kolliderer med et metalmål og forsigtigt bremser de flyvende partikler, så de kan bruges i efterfølgende eksperimenter.
Forfatter: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Opladede antimateriale partikler som positronerog antiprotoner kan opbevares i såkaldte Penning-fælder. De er som små partikelacceleratorer. Inde i dem bevæger partikler sig i en spiral, mens magnetiske og elektriske felter forhindrer dem i at kollidere med fældens vægge.
Pennings fælder fungerer dog ikke forneutrale partikler som antihydrogen. Da de ikke har nogen ladning, kan disse partikler ikke begrænses til elektriske felter. De er fanget i Ioffes fælder, som fungerer ved at skabe et rumområde, hvor magnetfeltet bliver større i alle retninger. Partikler af antimateriale sidder fast i området med det svageste magnetfelt.
Jordens magnetfelt kan fungere som fælder for antimateriale. Antiprotoner blev fundet i visse zoner rundt om jorden - Van Allen-strålingsbælterne.
Hvorfor er antimaterie så svært at få?
Det blev også klart, at studere denne mystiskestoffet er meget sværere at registrere. Antipartikler i en stabil tilstand er endnu ikke stødt på i naturen. Problemet er, at stof og antistof ved "kontakt" tilintetgør (gensidigt ødelægger hinanden). Det er ganske muligt at opnå antistof i laboratorier, selvom det er ret svært at indeholde det. Hidtil har forskere kun været i stand til at gøre dette inden for få minutter.
Antimaterielagringsproblemet er en reel hovedpinesmerte for fysikere, fordi antiprotoner og positroner øjeblikkeligt tilintetgøres, når de møder partikler af almindeligt stof. For at holde dem måtte forskere komme med snedige enheder, der kunne forhindre en katastrofe. De ladede antipartikler opbevares i den såkaldte Penning-fælde, der ligner en miniatureaccelerator. Dens kraftige magnetiske og elektriske felt forhindrer positroner og antiprotoner i at kollidere med enhedens vægge. Imidlertid fungerer en sådan enhed ikke med neutrale genstande som antihydrogenatomet. I denne sag blev Ioffe-fælden udviklet. Tilbageholdelsen af antiatomer i det sker på grund af magnetfeltet.
Hvad er antimateriale i stand til?
Bare en håndfuld antimateriale kan producereen enorm mængde energi. Dette gør det til et populært brændstof for futuristiske science fiction-køretøjer. Generelt er en antimateriel-raketmotor hypotetisk mulig; den vigtigste begrænsning er akkumulering af nok antimateriale til at bruge det.
Energien i 1 milligram antistof er i øvrigt nok til at flyve til Mars.
Der er i øjeblikket ingen tilgængelige teknologier tilmasseproduktion eller indsamling af antimateriale i det omfang, det kræves til denne anvendelse. Imidlertid har et lille antal forskere undersøgt bevægelses- og lagringssimulation. Disse inkluderer Ronan Keen og Wei-Ming Zhang, der arbejdede på henholdsvis Western Reserve Academy og Kent State University, samt Mark Weber og hans kolleger ved Washington State University. En dag, hvis vi kan finde en måde at skabe eller indsamle store mængder antimateriale på, kan deres forskning hjælpe med at gøre interstellare rejser ved hjælp af antimaterie til virkelighed.
Hvorfor bruger vi stadig ikke denne energikilde?
Tilintetgørelsen af antimateriale og stof kanfrigør en enorm mængde energi. Et gram antimateriale kan forårsage en eksplosion på størrelse med en atombombe. Men mennesker har produceret meget lidt antimateriale.
Ineffektiviteten af produktionen af antimateriale er enorm.Under hensyntagen til omkostningerne ved at få antimateriale kan du kun få tilbage en tiendedel milliarder (10-10) af den investerede energi. Hvis forskere kunne samle alt det antimateriale, vi nogensinde har produceret på CERN og udslette det med stof, ville der kun være nok energi til at tænde en pære i et par minutter.
Alle antiprotoner oprettet i en partikelacceleratorTevatron på Fermilab er kun 15 nanogram. De produceret på CERN er ca. 1 nanogram. Indtil i dag har DESY i Tyskland produceret ca. 2 nanogram positroner.
Hvis alt antimateriale, der nogensinde er produceret af mennesker, blev ødelagt på én gang, ville den producerede energi ikke engang være nok til at koge en kop te.
Problemet er effektivitet og omkostningerproduktion og opbevaring af antimateriale. Produktionen af 1 gram antimateriale kræver cirka 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og mere end en million milliarder dollars.
Læs mere
Opfindelseshelikopter starter med succes på Mars
Det første nøjagtige kort over verden blev oprettet. Hvad er der galt med alle andre?
NASA fortalte, hvordan de vil levere prøver af Mars til Jorden
Spin er det rette vinkelmoment for elementære partikler, som har en kvante natur og ikke er forbundet med bevægelsen af partiklen som helhed.