Τι είναι η αντιύλη;
Αντικείμενα του Σύμπαντος - γαλαξίες, αστέρια, κβάζαρ, πλανήτες, σουπερνόβα, ζώα και άνθρωποι
Με βάση τα διαθέσιμα μέχρι σήμερα δεδομένα, αρΥπάρχουν αντιγαλαξίες, αντι-αστέρια ή άλλα μεγάλα αντικλεπτικά αντικείμενα. Και αυτό είναι πολύ παράξενο: σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang, τη στιγμή της γέννησης του Σύμπαντός μας, εμφανίστηκε η ίδια ποσότητα ύλης και αντιύλης και το πού πήγε το τελευταίο δεν είναι σαφές. Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο εξηγήσεις για αυτό το φαινόμενο: είτε η αντιύλη εξαφανίστηκε αμέσως μετά την έκρηξη, είτε υπάρχει σε κάποια μακρινά μέρη του σύμπαντος, και απλά δεν το έχουμε ανακαλύψει ακόμη. Αυτή η ασυμμετρία είναι ένα από τα πιο σημαντικά άλυτα προβλήματα στη σύγχρονη φυσική.
Αντιύλη - ύλη που αποτελείται από αντισωματίδια -"Αντανακλάσεις καθρέφτη" ενός αριθμού στοιχειωδών σωματιδίων που έχουν την ίδια περιστροφή και μάζα, αλλά διαφέρουν μεταξύ τους σε σημεία όλων των άλλων χαρακτηριστικών αλληλεπίδρασης: ηλεκτρικό φορτίο και χρώμα, κβαντικοί αριθμοί βαρυών και λεπτονίων. Ορισμένα σωματίδια, για παράδειγμα ένα φωτόνιο, δεν έχουν αντισωματίδια ή, το ίδιο πράγμα, είναι αντισωματίδια σε σχέση με αυτά.
Πιστεύεται σήμερα ότι τα σωματίδια αντιδρούνΟι θεμελιώδεις δυνάμεις που καθορίζουν τη δομή της ύλης (ισχυρή αλληλεπίδραση, σχηματίζοντας πυρήνες και ηλεκτρομαγνητικά, σχηματίζοντας άτομα και μόρια), είναι ακριβώς οι ίδιες, επομένως η δομή της αντιύλης πρέπει να είναι ίδια με τη δομή της «κανονικής» ύλης.
Τι σημαίνει το πρόθεμα «αντί»;
Συνήθως χρησιμοποιούμε αυτό το πρόθεμα γιαπροσδιορίστε το αντίθετο φαινόμενο. Όσον αφορά την αντιύλη - περιλαμβάνει ανάλογα στοιχειωδών σωματιδίων που έχουν αντίθετο φορτίο, μαγνητική ροπή και μερικά άλλα χαρακτηριστικά. Φυσικά, όλες οι ιδιότητες ενός σωματιδίου δεν μπορούν να αντιστραφούν. Για παράδειγμα, η μάζα και η διάρκεια ζωής πρέπει πάντα να παραμένουν θετικά, εστιάζοντας σε αυτά, τα σωματίδια μπορούν να αποδοθούν σε μια κατηγορία (για παράδειγμα, πρωτόνια ή νετρόνια).
Αν συγκρίνουμε ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο, τότε μερικάτα χαρακτηριστικά τους είναι τα ίδια: η μάζα και των δύο είναι 938.2719 (98) megaelectronvolt, spin ½. Αλλά το ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου είναι 1 και το αντιπρωτόνιο έχει μείον 1, ο αριθμός βαρυών (που καθορίζει τον αριθμό των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν έντονα αποτελούμενο από τρία κουάρκ) είναι 1 και μείον 1, αντίστοιχα.
Μερικά σωματίδια, όπως το μποζόνιο Higgs και το φωτόνιο, δεν έχουν αντιανάλογα και ονομάζονται αληθινά ουδέτερα.
Τα περισσότερα αντισωματίδια μαζί με σωματίδιαεμφανίζονται σε μια διαδικασία που ονομάζεται «γέννηση σε ζευγάρια». Για να σχηματιστεί ένα τέτοιο ζευγάρι απαιτείται υψηλή ενέργεια, δηλαδή τεράστια ταχύτητα. Στη φύση, τα αντισωματίδια προκύπτουν όταν οι κοσμικές ακτίνες συγκρούονται με την ατμόσφαιρα της Γης, μέσα σε τεράστια αστέρια, κοντά σε πάλσαρ και ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν επίσης επιταχυντές για αυτό.
Πού αποθηκεύονται και αποθηκεύονται τα αντιύλη;
Η αντιύλη εξορύσσεται στο Μεγάλο Αδρόνιοεπιταχυντής, συλλέγοντας σύννεφα αντιπρωτονίων μετά τη σύγκρουση μιας δέσμης πρωτονίων με έναν μεταλλικό στόχο και επιβραδύνοντας προσεκτικά τα ιπτάμενα σωματίδια, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επόμενα πειράματα.
Συγγραφέας: Maximilien Brice, CERN — Διακομιστής εγγράφων CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Φορτισμένα σωματίδια αντιύλης όπως ποζιτρόνιακαι τα αντιπρωτόνια μπορούν να αποθηκευτούν στις λεγόμενες παγίδες Penning. Είναι σαν μικροσκοπικοί επιταχυντές σωματιδίων. Μέσα σε αυτά, τα σωματίδια κινούνται σε μια σπείρα, ενώ τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία τα εμποδίζουν να συγκρούονται με τα τοιχώματα της παγίδας.
Ωστόσο, οι παγίδες του Penning δεν λειτουργούνουδέτερα σωματίδια όπως το αντιϋδρογόνο. Δεδομένου ότι δεν έχουν καμία φόρτιση, αυτά τα σωματίδια δεν μπορούν να περιοριστούν σε ηλεκτρικά πεδία. Είναι παγιδευμένοι στις παγίδες του Ioffe, οι οποίοι λειτουργούν δημιουργώντας μια περιοχή χώρου όπου το μαγνητικό πεδίο γίνεται μεγαλύτερο σε όλες τις κατευθύνσεις. Τα σωματίδια της αντιύλης κολλούν στην περιοχή με το ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο.
Το μαγνητικό πεδίο της Γης μπορεί να λειτουργήσει ως παγίδες για αντιύλη. Τα αντιπρωτόνια βρέθηκαν σε ορισμένες ζώνες γύρω από τη Γη - οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen.
Γιατί είναι τόσο δύσκολο να ληφθεί το αντιύλη;
Έγινε επίσης σαφές ότι η μελέτη αυτού του μυστηριώδουςη ουσία είναι πολύ πιο δύσκολο να καταχωρηθεί. Αντισωματίδια σε σταθερή κατάσταση δεν έχουν ακόμη συναντηθεί στη φύση. Το πρόβλημα είναι ότι η ύλη και η αντιύλη κατά την «επαφή» εκμηδενίζονται (αμοιβαία καταστρέφονται η μία την άλλη). Είναι πολύ πιθανό να ληφθεί αντιύλη στα εργαστήρια, αν και είναι αρκετά δύσκολο να την περιορίσουμε. Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες κατάφεραν να το κάνουν αυτό μόνο μέσα σε λίγα λεπτά.
Το ζήτημα αποθήκευσης αντιύλης είναι ένας πραγματικός πονοκέφαλοςπόνος για τους φυσικούς, διότι τα αντιπρωτόνια και τα ποζιτρόνια καταστρέφονται αμέσως όταν συναντώνται με σωματίδια συνηθισμένης ύλης. Για να τα διατηρήσουν, οι επιστήμονες έπρεπε να βρουν πονηρές συσκευές που θα μπορούσαν να αποτρέψουν μια καταστροφή. Τα φορτισμένα αντισωματίδια αποθηκεύονται στη λεγόμενη παγίδα Penning, η οποία μοιάζει με μινιατούρα επιταχυντή. Το ισχυρό μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο του εμποδίζει τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια να συγκρούονται με τα τοιχώματα της συσκευής. Ωστόσο, μια τέτοια συσκευή δεν λειτουργεί με ουδέτερα αντικείμενα όπως το άτομο του υδρογόνου. Για αυτήν την περίπτωση, αναπτύχθηκε η παγίδα Ioffe. Η κατακράτηση των αντι-ατόμων γίνεται λόγω του μαγνητικού πεδίου.
Τι μπορεί να κάνει η αντιύλη;
Μόνο μια χούφτα αντιύλης μπορεί να παράγειτεράστια ποσότητα ενέργειας. Αυτό το καθιστά δημοφιλές καύσιμο για φουτουριστικά οχήματα επιστημονικής φαντασίας. Σε γενικές γραμμές, ένας κινητήρας αντιύλης πυραύλων είναι υποθετικά δυνατός. ο κύριος περιορισμός είναι η συσσώρευση αρκετής αντιύλης για να το χρησιμοποιήσει.
Παρεμπιπτόντως, η ενέργεια 1 χιλιοστόγραμμα αντιύλης είναι αρκετή για να πετάξει στον Άρη.
Προς το παρόν δεν υπάρχουν διαθέσιμες τεχνολογίεςμαζική παραγωγή ή συλλογή αντιύλης στο βαθμό που απαιτείται για αυτήν την εφαρμογή. Ωστόσο, ένας μικρός αριθμός επιστημόνων έχουν κάνει έρευνα σχετικά με την προσομοίωση κίνησης και αποθήκευσης. Σε αυτούς περιλαμβάνονται οι Ronan Keen και Wei-Ming Zhang, που εργάστηκαν στο Western Reserve Academy και στο Kent State University, αντίστοιχα, καθώς και ο Mark Weber και οι συνεργάτες του στο Washington State University. Κάποια μέρα, αν μπορέσουμε να βρούμε έναν τρόπο να δημιουργήσουμε ή να συλλέξουμε μεγάλες ποσότητες αντιύλης, η έρευνά τους θα μπορούσε να βοηθήσει να κάνει τα διαστρικά ταξίδια χρησιμοποιώντας το αντιύλη πραγματικότητα.
Γιατί εξακολουθούμε να μην χρησιμοποιούμε αυτήν την πηγή ενέργειας;
Ο αφανισμός της αντιύλης και της ύλης μπορείαπελευθερώστε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Ένα γραμμάριο αντιύλης μπορεί να προκαλέσει έκρηξη στο μέγεθος μιας πυρηνικής βόμβας. Ωστόσο, οι άνθρωποι έχουν παράγει πολύ λίγα αντιύλη.
Η αναποτελεσματικότητα της παραγωγής αντιύλης είναι τεράστια.Λαμβάνοντας υπόψη το κόστος απόκτησης αντιύλης, μπορείτε να πάρετε πίσω μόνο το ένα δέκατο του δισεκατομμυρίου (10-10) της επενδυμένης ενέργειας. Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να συλλέξουν όλο το αντιύλη που έχουμε παράγει ποτέ στο CERN και να το εκμηδενίσουν με την ύλη, τότε θα υπάρχει αρκετή ενέργεια για να ανάψει μια λάμπα για λίγα λεπτά.
Όλα τα αντιπρωτόνια δημιουργήθηκαν σε επιταχυντή σωματιδίωνΤο Tevatron στο Fermilab είναι μόνο 15 νανογραμμάρια. Αυτά που παράγονται στο CERN είναι περίπου 1 νανογραμμάριο. Μέχρι σήμερα, το DESY στη Γερμανία παρήγαγε περίπου 2 νανογραμμάρια ποζιτρονίων.
Εάν όλα τα αντιύλη που παράγονται ποτέ από τον άνθρωπο καταστρέφονται ταυτόχρονα, η ενέργεια που παράγεται δεν θα ήταν αρκετή για να βράσει ένα φλιτζάνι τσάι.
Το πρόβλημα είναι η αποδοτικότητα και το κόστοςπαραγωγή και αποθήκευση αντιύλης. Η παραγωγή 1 γραμμαρίου αντιύλης απαιτεί περίπου 25 εκατομμύρια δισεκατομμύρια κιλοβατώρες ενέργειας και περισσότερα από ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια δολάρια.
Διαβάστε περισσότερα
Το ελικόπτερο Ingenuity απογειώνεται με επιτυχία στον Άρη
Δημιουργήθηκε ο πρώτος ακριβής χάρτης του κόσμου. Τι συμβαίνει με όλους τους άλλους;
Η NASA είπε πώς θα παραδώσει δείγματα του Άρη στη Γη
Η περιστροφή είναι η σωστή γωνιακή ορμή των στοιχειωδών σωματιδίων, η οποία έχει κβαντική φύση και δεν σχετίζεται με την κίνηση του σωματιδίου στο σύνολό της.