แหล่งพลังงานที่ไม่เหมือนใคร: ปฏิสสารคืออะไรและสามารถทำอะไรได้บ้าง

ปฏิสสารคืออะไร?

วัตถุในจักรวาล - กาแล็กซี ดวงดาว ควาซาร์ ดาวเคราะห์ ซูเปอร์โนวา สัตว์ และมนุษย์

— ประกอบด้วย สสาร.มันถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคมูลฐานต่างๆ เช่น ควาร์ก เลปตอน โบซอน แต่ปรากฎว่ามีอนุภาคที่ส่วนหนึ่งของคุณลักษณะเกิดขึ้นพร้อมกับพารามิเตอร์ของ "ต้นฉบับ" อย่างสมบูรณ์และอีกส่วนหนึ่งมีค่าตรงกันข้าม คุณสมบัตินี้กระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อทั่วไปให้กลุ่มอนุภาคดังกล่าวว่า "ปฏิสสาร"

จากข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบันเลขที่มีแอนติกาแลกซี่แอนตี้ - สตาร์หรือปฏิสสารขนาดใหญ่อื่น ๆ และนี่เป็นเรื่องแปลกมาก: ตามทฤษฎีบิ๊กแบง ณ ช่วงเวลาของการกำเนิดเอกภพของเราปริมาณของสสารและปฏิสสารเท่ากันปรากฏขึ้นและสิ่งที่เกิดขึ้นในภายหลังยังไม่ชัดเจน ปัจจุบันมีคำอธิบายสองประการสำหรับปรากฏการณ์นี้: ปฏิสสารหายไปทันทีหลังจากการระเบิดหรือมีอยู่ในส่วนที่ห่างไกลของจักรวาลและเรายังไม่ได้ค้นพบ ความไม่สมมาตรนี้เป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์สมัยใหม่

ปฏิสสาร - สสารประกอบด้วยแอนติบอดี -"การสะท้อนของกระจก" ของอนุภาคมูลฐานจำนวนหนึ่งที่มีสปินและมวลเท่ากัน แต่แตกต่างกันในสัญญาณของลักษณะอื่น ๆ ของปฏิสัมพันธ์: ประจุไฟฟ้าและสีตัวเลขควอนตัมแบริออนและเลปตัน อนุภาคบางชนิดเช่นโฟตอนไม่มีแอนตี้พาร์ติเคิลหรือซึ่งเป็นสิ่งเดียวกันคือแอนตี้พาร์ติเคิลที่เกี่ยวข้องกับตัวมันเอง

ในปัจจุบันเชื่อกันว่าแอนตี้พาร์ทิเคิลตอบสนองแรงพื้นฐานที่กำหนดโครงสร้างของสสาร (ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงการสร้างนิวเคลียสและแม่เหล็กไฟฟ้าการสร้างอะตอมและโมเลกุล) นั้นเหมือนกันทุกประการดังนั้นโครงสร้างของปฏิสสารควรจะเหมือนกับโครงสร้างของสสาร "ปกติ"

คำนำหน้า "ต่อต้าน" หมายถึงอะไร?

เรามักจะใช้คำนำหน้านี้เพื่อกำหนดปรากฏการณ์ที่ตรงกันข้าม สำหรับปฏิสสาร - ประกอบด้วยแอนะล็อกของอนุภาคมูลฐานที่มีประจุตรงข้ามโมเมนต์แม่เหล็กและลักษณะอื่น ๆ แน่นอนคุณสมบัติทั้งหมดของอนุภาคไม่สามารถย้อนกลับได้ ตัวอย่างเช่นมวลและอายุการใช้งานควรเป็นบวกอยู่เสมอโดยเน้นที่อนุภาคเหล่านี้สามารถนำมาประกอบเป็นหมวดหมู่หนึ่ง (เช่นโปรตอนหรือนิวตรอน)

ถ้าเราเปรียบเทียบโปรตอนกับแอนติโปรตอนแล้วล่ะก็ลักษณะของมันเหมือนกันมวลของทั้งสองคือ 938.2719 (98) megaelectronvolt หมุน½ แต่ประจุไฟฟ้าของโปรตอนเท่ากับ 1 และแอนติโปรตอนมีค่าลบ 1 จำนวนแบริออน (ซึ่งกำหนดจำนวนอนุภาคที่มีปฏิกิริยารุนแรงซึ่งประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว) คือ 1 และลบ 1 ตามลำดับ

อนุภาคบางชนิด เช่น ฮิกส์โบซอนและโฟตอน ไม่มีสารต้านอะนาล็อกและเรียกว่านิวตรอนแท้

ปฏิปักษ์ส่วนใหญ่ร่วมกับอนุภาคปรากฏในกระบวนการที่เรียกว่า “การเกิดคู่” ในการสร้างคู่ดังกล่าวต้องใช้พลังงานสูง ซึ่งก็คือความเร็วมหาศาล ในธรรมชาติ ปฏิปักษ์เกิดขึ้นเมื่อรังสีคอสมิกชนกับชั้นบรรยากาศของโลก ภายในดาวมวลมาก ใกล้พัลซาร์ และนิวเคลียสของดาราจักรกัมมันต์ นักวิทยาศาสตร์ยังใช้เครื่องเร่งการชนกันเพื่อสิ่งนี้

ปฏิสสารถูก "ขุด" และเก็บไว้ที่ไหน?

ปฏิสสารถูกขุดใน Large Hadronเครื่องชนกัน ซึ่งรวบรวมกลุ่มเมฆของแอนติโปรตอนหลังจากลำแสงโปรตอนชนกับเป้าหมายที่เป็นโลหะ และค่อยๆ ลดความเร็วของอนุภาคที่บินอยู่ เพื่อนำไปใช้ในการทดลองครั้งต่อๆ ไป

ผู้แต่ง: Maximilien Brice, CERN — เซิร์ฟเวอร์เอกสาร CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932

อนุภาคปฏิสสารที่มีประจุเช่นโพสิตรอนและแอนติโปรตอนสามารถเก็บไว้ในกับดักเพนนิ่ง พวกมันเหมือนเครื่องเร่งอนุภาคเล็ก ๆ ภายในอนุภาคเหล่านี้เคลื่อนที่เป็นเกลียวในขณะที่สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าป้องกันไม่ให้ชนกับผนังของกับดัก

อย่างไรก็ตามกับดักของ Penning ไม่ได้ผลอนุภาคที่เป็นกลางเช่น antihydrogen เนื่องจากไม่มีประจุอนุภาคเหล่านี้จึงไม่สามารถ จำกัด อยู่ในสนามไฟฟ้าได้ พวกมันติดอยู่ในกับดักของ Ioffe ซึ่งทำงานโดยการสร้างพื้นที่ที่สนามแม่เหล็กจะมีขนาดใหญ่ขึ้นในทุกทิศทาง อนุภาคของปฏิสสารติดอยู่ในบริเวณที่มีสนามแม่เหล็กอ่อนที่สุด

สนามแม่เหล็กของโลกสามารถทำหน้าที่เป็นกับดักของปฏิสสาร พบแอนติโปรตอนในบางพื้นที่รอบโลก - แถบรังสีแวนอัลเลน

ทำไมปฏิสสารจึงยากที่จะได้รับ?

ก็ชัดเจนว่าได้ศึกษาเรื่องลึกลับนี้ด้วยสารนั้นลงทะเบียนยากกว่ามาก ยังไม่พบปฏิปักษ์ในสถานะเสถียรในธรรมชาติ ปัญหาคือสสารและปฏิสสารเมื่อ "สัมผัส" ทำลายล้าง (ทำลายซึ่งกันและกัน) ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะได้รับปฏิสสารในห้องปฏิบัติการแม้ว่าจะค่อนข้างยากที่จะบรรจุก็ตาม จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถทำได้ภายในไม่กี่นาทีเท่านั้น

ปัญหาการจัดเก็บปฏิสสารเป็นเรื่องน่าปวดหัวอย่างแท้จริงความเจ็บปวดสำหรับนักฟิสิกส์เพราะแอนติโปรตรอนและโพซิตรอนจะทำลายล้างทันทีเมื่อพบกับอนุภาคของสสารธรรมดา เพื่อรักษาไว้นักวิทยาศาสตร์ต้องคิดค้นอุปกรณ์ที่มีไหวพริบที่สามารถป้องกันภัยพิบัติได้ แอนติบอดีที่มีประจุไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้ในกับดัก Penning ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับเครื่องเร่งขนาดเล็ก สนามแม่เหล็กและไฟฟ้าอันทรงพลังป้องกันไม่ให้โพซิตรอนและแอนติโปรตอนชนกับผนังของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ดังกล่าวไม่สามารถทำงานกับวัตถุที่เป็นกลางเช่นอะตอมของสารต่อต้านไฮโดรเจน สำหรับกรณีนี้ Ioffe trap ได้รับการพัฒนา การกักเก็บสารต่อต้านอะตอมเกิดขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็ก

ปฏิสสารสามารถทำอะไรได้บ้าง?

ปฏิสสารเพียงหยิบมือเดียวก็สามารถผลิตได้พลังงานจำนวนมาก สิ่งนี้ทำให้เป็นเชื้อเพลิงยอดนิยมสำหรับยานยนต์ในนิยายวิทยาศาสตร์แห่งอนาคต โดยทั่วไปเครื่องยนต์จรวดปฏิสสารเป็นไปได้ในทางสมมุติ ข้อ จำกัด หลักคือการสะสมของปฏิสสารเพียงพอที่จะใช้

อย่างไรก็ตาม พลังงานปฏิสสาร 1 มิลลิกรัมก็เพียงพอที่จะบินไปดาวอังคารได้

ขณะนี้ยังไม่มีเทคโนโลยีสำหรับการผลิตจำนวนมากหรือการรวบรวมปฏิสสารในขอบเขตที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันนี้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์จำนวนไม่น้อยได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการจำลองการเคลื่อนที่และการจัดเก็บข้อมูล ได้แก่ Ronan Keen และ Wei-Ming Zhang ซึ่งทำงานที่ Western Reserve Academy และ Kent State University ตามลำดับเช่นเดียวกับ Mark Weber และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Washington State University สักวันหนึ่งหากเราสามารถหาวิธีสร้างหรือรวบรวมปฏิสสารจำนวนมากได้งานวิจัยของพวกเขาอาจช่วยให้การเดินทางระหว่างดวงดาวโดยใช้ปฏิสสารเป็นจริงได้

ทำไมเรายังไม่ใช้แหล่งพลังงานนี้?

การทำลายล้างปฏิสสารและสสารได้ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก ปฏิสสารหนึ่งกรัมสามารถทำให้เกิดการระเบิดขนาดเท่ากับระเบิดนิวเคลียร์ อย่างไรก็ตามมนุษย์ได้ผลิตปฏิสสารน้อยมาก

ความไม่มีประสิทธิภาพของการผลิตปฏิสสารเป็นอย่างมากเมื่อคำนึงถึงค่าใช้จ่ายในการได้รับปฏิสสารคุณจะได้รับกลับมาเพียงหนึ่งในสิบของพันล้าน (10-10) ของพลังงานที่ลงทุนไป หากนักวิทยาศาสตร์สามารถรวบรวมปฏิสสารทั้งหมดที่เราเคยผลิตที่เซิร์นและทำลายล้างด้วยสสารก็จะมีพลังงานเพียงพอที่จะเปิดหลอดไฟเพียงหลอดเดียวในเวลาไม่กี่นาที

แอนติโปรตอนทั้งหมดสร้างขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคTevatron ที่ Fermilab มีขนาดเพียง 15 นาโนกรัม ที่ผลิตที่ CERN มีขนาดประมาณ 1 นาโนกรัม จนถึงปัจจุบัน DESY ในเยอรมนีได้ผลิตโพสิตรอนประมาณ 2 นาโนกรัม

หากปฏิสสารทั้งหมดที่มนุษย์ผลิตขึ้นมาถูกทำลายในครั้งเดียวพลังงานที่ผลิตได้ก็จะไม่เพียงพอที่จะต้มชาหนึ่งถ้วย

ปัญหาคือประสิทธิภาพและต้นทุนการผลิตและการจัดเก็บปฏิสสาร การผลิตปฏิสสาร 1 กรัมจะต้องใช้พลังงานประมาณ 25 ล้านพันล้านกิโลวัตต์ - ชั่วโมงและมากกว่าหนึ่งล้านพันล้านดอลลาร์

อ่านเพิ่มเติม

เฮลิคอปเตอร์อัจฉริยะบินขึ้นบนดาวอังคารได้สำเร็จ

แผนที่แรกที่แม่นยำของโลกถูกสร้างขึ้น คนอื่นผิดอะไร

NASA บอกว่าพวกเขาจะส่งตัวอย่างของดาวอังคารมายังโลกได้อย่างไร

สปินเป็นโมเมนตัมเชิงมุมที่เหมาะสมของอนุภาคมูลฐานซึ่งมีลักษณะควอนตัมและไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยรวม