מה זה אנטי חומר?
אובייקטים של היקום - גלקסיות, כוכבים, קוואזרים, כוכבי לכת, סופרנובות, חיות ואנשים
על סמך הנתונים הקיימים עד היום, לאישנם נוגדי גלקסיה, אנטי כוכבים או עצמים גדולים אחרים נגד חומר. וזה מוזר מאוד: על פי תיאוריית המפץ הגדול, ברגע לידתו של היקום שלנו, אותה כמות של חומר ואנטי חומר הופיעה, ולאן נעלם האחרון לא ברור. נכון לעכשיו, ישנם שני הסברים לתופעה זו: או חומר מונע שנעלם מיד לאחר הפיצוץ, או שהוא קיים בחלקים רחוקים של היקום, ופשוט עדיין לא גילינו זאת. אסימטריה זו היא אחת הבעיות החשובות שלא נפתרו בפיזיקה המודרנית.
אנטי חומר - חומר המורכב מחלקיקים נוגדים לחלקיקים -"השתקפות מראה" של מספר חלקיקים אלמנטריים בעלי ספין ומסה זהים, אך נבדלים זה מזה בסימני כל מאפייני האינטראקציה האחרים: מטען חשמלי וצבע, מספרים קוונטיים של בריון ולפטון. לחלקיקים מסוימים, למשל פוטון, אין אנטי-חלקיקים או שזה אותו הדבר, הם אנטי-חלקיקים ביחס לעצמם.
מאמינים כיום שאנטי-חלקיקים מגיבים אליהםהכוחות הבסיסיים הקובעים את מבנה החומר (אינטראקציה חזקה, יצירת גרעינים ואלקטרומגנטיים, היוצרים אטומים ומולקולות), הם זהים לחלוטין, ולכן מבנה האנטי-חומר צריך להיות זהה למבנה החומר ה"נורמלי ".
מה משמעות הקידומת "אנטי"?
בדרך כלל אנו משתמשים בקידומת זו ל-לייעד את התופעה ההפוכה. באשר לאנטי-חומר - הוא כולל אנלוגים של חלקיקים אלמנטריים בעלי מטען הפוך, רגע מגנטי ועוד כמה מאפיינים. כמובן שלא ניתן להפוך את כל התכונות של חלקיק. לדוגמא, מסה וחיים חייבים תמיד להישאר חיוביים, תוך התמקדות בהם, ניתן לייחס חלקיקים לקטגוריה אחת (למשל, פרוטונים או נויטרונים).
אם נשווה פרוטון ואנטי פרוטון, אז כמההמאפיינים שלהם זהים: המסה של שניהם היא 938.2719 (98) מגלט אלקטרונלט, ספין ½. אך המטען החשמלי של הפרוטון הוא 1, ולאנטי-פרוטון יש מינוס 1, מספר הבריון (הקובע את מספר החלקיקים האינטראקטיביים החזקים המורכבים משלושה קווארקים) הוא 1 ומינוס 1, בהתאמה.
לחלקיקים מסוימים, כמו בוזון היגס והפוטון, אין אנטי-אנלוגים והם נקראים נייטרלים אמיתיים.
רוב האנטי-חלקיקים יחד עם חלקיקיםלהופיע בתהליך הנקרא "לידה בזוג". כדי ליצור זוג כזה, נדרשת אנרגיה גבוהה, כלומר מהירות עצומה. בטבע, אנטי-חלקיקים נוצרים כאשר קרניים קוסמיות מתנגשות באטמוספירה של כדור הארץ, בתוך כוכבים מסיביים, ליד פולסרים וגרעינים גלקטיים פעילים. מדענים משתמשים גם במאיצים מתנגשים לשם כך.
היכן "מכרים" אנטי-חומר?
אנטי-חומר נכרה בהדרון הגדולמתנגש, אוסף עננים של אנטי-פרוטונים לאחר שקרן פרוטונים מתנגשת במטרה מתכת ומאט בזהירות את החלקיקים המעופפים כך שניתן יהיה להשתמש בהם בניסויים הבאים.
מחבר: מקסימיליאן ברייס, CERN — שרת מסמכים של CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
חלקיקי אנטי-חומר טעונים כמו פוזיטרוניםוניתן לאחסן אנטי-פרוטונים במלכודות פינגינג כביכול. הם כמו מאיצי חלקיקים זעירים. בתוכם חלקיקים נעים בספירלה בעוד ששדות מגנטיים וחשמליים מונעים מהם להתנגש בקירות המלכודת.
עם זאת, המלכודות של פנינג לא עובדותחלקיקים ניטרליים כמו אנטי מימן. מכיוון שאין להם מטען, חלקיקים אלה אינם יכולים להיות מוגבלים לשדות חשמליים. הם נלכדים במלכודות של יופה, הפועלות על ידי יצירת שטח של חלל שבו השדה המגנטי הולך וגדל לכל הכיוונים. חלקיקים של חומר מונע נתקעים באזור עם השדה המגנטי החלש ביותר.
השדה המגנטי של כדור הארץ יכול לשמש מלכודות נגד חומר. אנטי פרוטונים נמצאו באזורים מסוימים סביב כדור הארץ - חגורות הקרינה של ואן אלן.
מדוע כל כך קשה להשיג חומר נגד חומר?
התברר גם כי לימוד זה מסתוריהחומר הרבה יותר קשה לרישום. אנטי-חלקיקים במצב יציב טרם נתקלו בטבע. הבעיה היא שחומר ואנטי-חומר ב"מגע" מחסלים (הורסים זה את זה הדדי). אפשר בהחלט להשיג אנטי-חומר במעבדות, אם כי די קשה להכיל אותו. עד כה, מדענים הצליחו לעשות זאת רק בתוך דקות ספורות.
נושא האחסון נגד חומר הוא ממש כאב ראשכאב לפיזיקאים, מכיוון שאנטי-פרוטונים ופוזיטרונים מחסלים באופן מיידי כשנפגשים עם חלקיקים של חומר רגיל. כדי לשמור עליהם, המדענים נאלצו להמציא מכשירים ערמומיים שיכולים למנוע קטסטרופה. החלקיקים הטעונים מאוחסנים במלכודת Penning כביכול, הדומה למאיץ מיניאטורי. השדה המגנטי והחשמלי העוצמתי שלו מונע מפוזיטרונים ואנטי פרוטונים להתנגש בדפנות המכשיר. עם זאת, מכשיר כזה אינו עובד עם עצמים ניטרליים כמו האטום האנטי מימן. למקרה זה פותחה מלכודת יופה. החזקת האנטי-אטומים בו מתרחשת עקב השדה המגנטי.
למה יכול חומר אנטי-חומר?
רק קומץ אנטי חומר יכול לייצרכמות עצומה של אנרגיה. זה הופך אותו לדלק פופולרי לרכבי מדע בדיוני עתידניים. באופן כללי, מנוע רקטות נגד חומר אפשרי באופן היפותטי; המגבלה העיקרית היא הצטברות של חומר אנטי-חומר מספיק כדי להשתמש בו.
אגב, מספיקה האנרגיה של מיליגרם אחד של אנטי-חומר כדי לעוף למאדים.
כרגע אין טכנולוגיות זמינות עבורייצור המוני או איסוף חומר אנטי-חומר במידה הנדרשת ליישום זה. עם זאת, מספר קטן של מדענים ביצעו מחקר בנושא סימולציה של תנועה ואחסון. אלה כוללים את רונן קין ווי-מינג ג'אנג, שעבדו באקדמיה של ווסטרן ריזרב ובאוניברסיטת קנט סטייט בהתאמה, וכן את מארק וובר ועמיתיו באוניברסיטת וושינגטון. מתישהו, אם נוכל למצוא דרך ליצור או לאסוף כמויות גדולות של חומר אנטי-חומר, המחקר שלהם יכול לסייע בהפיכת נסיעה בין-כוכבית באמצעות חומר אנטי-חומר למציאות.
מדוע אנו עדיין לא משתמשים במקור האנרגיה הזה?
השמדת האנטי חומר והחומר יכולהלשחרר כמות אנרגיה עצומה. גרם אנטי חומר יכול לגרום לפיצוץ בגודל של פצצה גרעינית. עם זאת, בני אדם ייצרו מעט מאוד חומר אנטי.
חוסר היעילות של ייצור אנטי-חומר הוא עצום.אם לוקחים בחשבון את עלות השגת אנטי-חומר, תוכלו להחזיר רק עשירית מיליארד (10-10) מהאנרגיה שהושקעה. אם מדענים היו יכולים לאסוף את כל חומר האנטי-חומר שהפקנו אי פעם ב- CERN ולהשמיד אותו בחומר, אז תהיה מספיק אנרגיה להדליק נורה אחת למספר דקות.
כל האנטי פרוטונים שנוצרו במאיץ חלקיקיםהטבטרון בפרמילב הוא 15 ננוגרם בלבד. אלה המיוצרים ב- CERN הם בערך ננוגרם אחד. עד כה, חברת DESY בגרמניה ייצרה כ -2 ננוגרמים של פוזיטרונים.
אם כל חומר האנטי-חומר שהופק אי פעם על ידי בני אדם נהרס בבת אחת, האנרגיה המיוצרת אפילו לא תספיק בכדי להרתיח כוס תה.
הבעיה היא יעילות ועלותייצור ואחסון אנטי חומר. ייצור של גרם אחד של חומר אנטי-חומר ידרוש כ -25 מיליון מיליארד קילוואט שעות אנרגיה ויותר ממיליון מיליארד דולר.
קרא עוד
מסוק כושר המצאה ממריא בהצלחה על מאדים
המפה המדויקת הראשונה של העולם נוצרה. מה רע בכולם?
נאס"א סיפרה כיצד הם יעבירו דגימות של מאדים לכדור הארץ
ספין הוא המומנטום הזוויתי הראוי של חלקיקים אלמנטריים, בעל אופי קוונטי ואינו קשור לתנועת החלקיק בכללותו.