Antimatter: kejayaan dalam fizik atau ancaman kepada semua makhluk hidup?

Elektron dan positron - pasangan zarah-antipartikel pertama yang ditemui oleh saintis

Alam semesta penuh dengan rahsia yang luar biasa. Lubang hitam yang menakutkan, paradoks "perkara gelap", bintang ganda yang tidak dapat diramalkan. Salah satu teka-teki yang paling terkenal dan menarik, tentu saja, adalah antimatter, yang terdiri daripada perkara "dalam-keluar". Penemuan fenomena ini adalah salah satu pencapaian fizik yang paling penting pada abad yang lalu.

Hingga kini, para saintis yakin bahawa zarah-zarah asas adalah blok bangunan asas dan tidak berubah di alam semesta, yang tidak dilahirkan semula dan tidak pernah hilang. Gambar yang membosankan dan tidak rumit ini adalah sesuatu yang lalu apabila ternyata elektron yang dikenakan secara negatif dan rakan sejawatnya dari positron anti-dunia dimusnahkan bersama, menimbulkan tenaga quanta. Dan kemudiannya menjadi jelas bahawa zarah-zarah asas secara umum suka berubah menjadi satu sama lain, dan dalam cara yang paling pelik. Penemuan antimater adalah permulaan transformasi idea-idea radikal mengenai sifat alam semesta.

Antimatter telah lama menjadi topik kegemaran fiksyen sains. Kapal Enterprise dari kultus Star Trek menggunakan enjin antimatter untuk menakluk galaksi. Dalam buku Danels Angels and Demons, watak utama menyelamatkan Rom dari bom yang dibuat berdasarkan bahan ini. Menghadapi jumlah tenaga yang tidak habis-habisnya, yang diperolehi oleh interaksi perkara dengan antimatter, manusia akan mendapat kuasa, lebih tinggi daripada ramalan para penulis fiksyen sains yang paling berani. Beberapa kilogram antimatter cukup untuk menyeberang galaksi.

Tetapi sebelum penciptaan senjata dan kapal angkasa masih sangat jauh. Pada masa ini, sains terlibat dalam pembuktian teori kewujudan antimatter dan kajian sifatnya, dan saintis menggunakan berpuluh-puluh, dalam kes-kes yang teruk, beratus-ratus atom dalam eksperimen mereka. Masa hidup mereka dikira dalam pecahan detik, dan kos eksperimen adalah puluhan juta dolar. Pakar fizik percaya bahawa pengetahuan antimateri akan membantu kita untuk lebih memahami evolusi Alam Semesta dan peristiwa-peristiwa yang berlaku di dalamnya sejurus selepas Big Bang.

Sebuah kapal dari siri Star Trek TV. Untuk menakluk galaksi, dia menggunakan antimatter

Apakah antimatter dan apakah sifatnya?

Antimatter adalah sejenis bahan khas yang terdiri daripada antipartikel. Mereka mempunyai putaran dan massa yang sama seperti proton dan elektron biasa, tetapi berbeza dari mereka dengan tanda caj elektrik dan warna, bilangan kuantum dan lepton kuantum. Secara ringkas, jika atom-atom biasa terdiri daripada nuklei dan elektron negatif yang positif, maka antimatter adalah sebaliknya.

Dalam interaksi bahan dan antimatter, penghapusan berlaku dengan pembebasan foton atau zarah lain. Tenaga yang diterima pada masa yang sama adalah besar: satu gram antimatter cukup untuk letupan beberapa kiloton.

Menurut konsep moden, materi dan antimatter mempunyai struktur yang sama, kerana daya dan interaksi elektromagnetik yang menentukannya bertindak sama secara sama baik pada zarah dan pada "kembar" mereka.

Adalah dipercayai bahawa antimatter juga boleh mencipta daya graviti, tetapi fakta ini belum dapat dibuktikan secara pasti. Secara teorinya, graviti harus bertindak terhadap bahan dan antimatter dengan cara yang sama, tetapi ini belum ditentukan secara eksperimen. Sekarang mereka sedang mengusahakan isu ini dalam projek ALPHA, AEGIS dan GBAR.

Pada akhir tahun 2015, menggunakan collider RHIC, saintis dapat mengukur daya interaksi antara antiproton. Ternyata ia sama dengan sifat proton yang sama.

Pada masa ini, "kembar" hampir semua zarah asas sedia ada diketahui, kecuali yang disebut "benar-benar netral", yang bertanggungjawab menjadi konjugasi. Zarah-zarah ini termasuk:

  • foton;
  • Higgs boson;
  • neutron pi meson;
  • meson ini;
  • gravitron (belum ditemui).

Antimatter lebih dekat daripada yang anda fikirkan. Sumber antimatter, bagaimanapun, tidak terlalu kuat, adalah pisang biasa. Mereka mengandungi isotop potassium-40, yang mereput untuk membentuk positron. Ini berlaku kira-kira sekali setiap 75 minit. Unsur ini juga merupakan sebahagian daripada tubuh manusia, supaya setiap kita boleh dipanggil penjana antipartikel.

Dari latar belakang

Untuk pertama kalinya, saintis Inggeris Arthur Schuster mengakui idea tentang kewujudan materi "dengan tanda yang berbeda" pada akhir abad ke-19. Penerbitan beliau mengenai topik ini agak samar-samar dan tidak mengandungi apa-apa bukti, kemungkinan besar, hipotesis saintis itu digerakkan oleh penemuan elektron baru-baru ini. Beliau adalah yang pertama memperkenalkan istilah "antimatter" dan "anti-virus" ke dalam penggunaan saintifik.

Secara eksperimen, anti-elektron diperoleh sebelum penemuan rasmi. Ini dilakukan oleh ahli fizik Soviet Dmitry Skobeltsinu pada 20-an abad yang lalu. Dia mendapat kesan aneh ketika memeriksa sinar gamma di ruang Wilson, tetapi dia tidak dapat menjelaskannya. Sekarang kita tahu bahawa fenomena ini disebabkan oleh penampilan zarah dan antipartikel - elektron dan positron.

Pada tahun 1930, ahli fizik British terkenal Paul Dirac, yang bekerja pada persamaan gerakan relativistik untuk elektron, meramalkan kewujudan zarah baru dengan jisim yang sama, tetapi caj yang bertentangan. Pada masa itu, saintis tahu hanya satu zarah positif - sebuah proton, tetapi ribuan kali lebih berat daripada elektron, jadi mereka tidak boleh mentafsirkan data yang diperoleh oleh Dirac. Dua tahun kemudian, Amerika Syarikat Anderson telah menemui "kembar" elektron dalam kajian radiasi dari ruang angkasa. Dia memanggil positron.

Pada pertengahan abad yang lalu, ahli fizik mempunyai masa yang baik untuk mempelajari antipartikel ini, beberapa cara penyediaannya telah dibangunkan. Pada tahun 1950-an, para saintis telah menemui antiproton dan anti-neutron, pada tahun 1965, anti-deuteron telah diperoleh, dan pada tahun 1974, penyelidik Soviet berjaya mensintesiskan anti-nukleus helium dan tritium.

Pada tahun 60an dan 70an, antipartikel di atmosfera atas telah dicari menggunakan balon dengan peralatan saintifik. Kumpulan ini diketuai oleh penerima Nobel Luis Alvarets. Keseluruhannya, kira-kira 40 ribu zarah telah "ditangkap", tetapi tiada seorang pun daripada mereka mempunyai apa-apa kaitan dengan antimatter. Pada tahun 2002, ahli fizik Amerika dan Jepun mengambil kajian serupa. Mereka melancarkan balon BESS besar (jumlah 1.1 juta m3) ke ketinggian 23 kilometer. Tetapi walaupun dalam 22 jam eksperimen mereka gagal untuk mengesan bahkan antipartikel yang paling mudah. Kemudian eksperimen serupa dilakukan di Antartika.

Pada pertengahan tahun 90an, para saintis Eropah berjaya memperoleh satu atom antihidrogen yang terdiri daripada dua zarah: positron dan antiproton. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, adalah mungkin untuk mensintesiskan jumlah yang lebih besar dari elemen ini, yang memungkinkan untuk memajukan kajian hartanahnya.

Untuk "menangkap" anti-zarah, walaupun kapal angkasa digunakan.

Pada tahun 2005, pengesan antimatter yang sensitif dipasang di Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS).

Antimatter di ruang angkasa

Penemuan positron Paul Dirac percaya bahawa di alam semesta terdapat seluruh kawasan yang terdiri sepenuhnya antimatter. Beliau bercakap mengenai perkara ini dalam kuliah Nobelnya. Tetapi setakat ini saintis tidak dapat mencari apa-apa seperti itu.

Sudah tentu, zarah anti hadir di ruang angkasa. Mereka dilahirkan kerana banyak proses tenaga tinggi: ledakan supernova atau pembakaran bahan bakar termonuklear, berlaku dalam awan plasma di sekitar lubang hitam atau bintang neutron, dilahirkan dalam pelanggaran zarah tenaga tinggi di ruang bintang. Selain itu, sebilangan kecil antipartikel sentiasa "ditumpahkan" oleh hujan di planet kita. Pereputan beberapa radionuklida juga disertakan dengan pembentukan positron. Tetapi semua di atas hanya antipartikel, tetapi bukan antimatter. Sehingga sekarang, para penyelidik tidak dapat mencari walaupun anti-helium di ruang angkasa, apa yang harus dibicarakan unsur-unsur yang lebih berat. Kegagalan mencari radiasi gamma tertentu, yang mengiringi proses penghapusan dalam perlanggaran perkara dan antimatter.

Berdasarkan data yang ada pada hari ini, tidak ada antigalaxies, anti-bintang atau objek antimatter besar lainnya. Dan ini sangat pelik: menurut teori Big Bang, pada masa kelahiran Alam Semesta kita, jumlah bahan dan antimatter yang sama muncul, dan di mana yang terakhir pergi adalah tidak jelas. Pada masa ini, terdapat dua penjelasan untuk fenomena ini: sama ada antimatter hilang sejurus selepas letupan, atau ia wujud di beberapa kawasan terpencil di alam semesta, dan kita masih belum menemuinya. Asimetri seperti itu adalah salah satu masalah fizik moden yang tidak terpecahkan.

Terdapat hipotesis bahawa pada peringkat awal kehidupan Alam Semesta kita, jumlah bahan dan antimatter hampir serentak: untuk setiap bilion antiprotons dan positron, terdapat persis seperti banyak rakan mereka, ditambah satu "tambahan" proton dan elektron. Dari masa ke masa, sebahagian besar bahan dan antimatter hilang dalam proses penghapusan, dan segala yang mengelilingi kita hari ini muncul dari lebihan. Benar, tidak sepenuhnya jelas di mana dan mengapa zarah "tambahan" muncul.

Mendapatkan antimatter dan kesukaran proses ini

Pada tahun 1995, saintis berjaya mencipta hanya sembilan atom antihidrogen. Mereka wujud untuk beberapa dozen nanodetik, dan kemudian dimusnahkan. Pada tahun 2002, jumlah zarah sudah beratus-ratus, dan jangka hayat mereka meningkat beberapa kali.

Antipartikel, sebagai peraturan, dilahirkan bersama dengan "double" biasa. Sebagai contoh, untuk mendapatkan pasangan positron-elektron, interaksi kuantum gamma dengan medan elektrik nukleus atom diperlukan.

Mendapatkan antimatter - sangat menyusahkan. Proses ini berlaku dalam pemecut, dan antipartikel disimpan dalam cincin penyimpanan khusus di bawah keadaan vakum yang tinggi. Pada tahun 2010, ahli fizik buat pertama kalinya berjaya menjebak 38 atom anti-hidrogen ke dalam perangkap khas dan memegangnya untuk 172 milisaat. Untuk melakukan ini, saintis terpaksa menyejukkan 30 ribu antiproton ke suhu di bawah -70 ° C dan dua juta positron hingga -230 ° C.

Untuk mendapatkan antimatter memerlukan peranti yang paling kompleks

Pada tahun berikutnya, penyelidik dapat meningkatkan hasil dengan ketara: untuk meningkatkan kehidupan antipartikel hingga seribu saat. Di masa hadapan, kami merancang untuk mengetahui ketiadaan atau kehadiran kesan antimateri untuk antimatter.

Isi penyimpanan antimatter adalah sakit kepala sebenar bagi ahli fizik, kerana antiproton dan positron segera dihapuskan ketika mereka bertemu dengan zat-zat benda biasa. Untuk memastikan mereka, para saintis terpaksa mencipta peranti pandai yang boleh menghalang bencana. Antipartikel yang dicaj disimpan dalam perangkap yang dipanggil Penning, yang menyerupai pemecut miniatur. Bidang magnet dan elektrik yang kuat menghalang positron dan antiproton daripada bertembung dengan dinding peranti. Walau bagaimanapun, peranti sedemikian tidak berfungsi dengan objek neutral, seperti atom antihidrogen. Untuk kes ini, jebakan Joffe telah dibangunkan. Pengekalan anti-atom di dalamnya berlaku disebabkan medan magnet.

Kos antimatter dan kecekapan tenaga

Memandangkan kesukaran untuk mendapatkan dan menyimpan antimatter, tidak menghairankan bahawa harganya sangat tinggi. Menurut pengiraan NASA, pada tahun 2006, satu miligram positron menelan biaya sekitar $ 25 juta. Mengikut data sebelumnya, gram anti-hidrogen dianggarkan sebanyak 62 trilion dolar. Kira-kira angka yang sama diberikan oleh ahli fizik Eropah dari CERN.

Potensi antimateri adalah bahan bakar yang ideal, ultra cekap dan mesra alam. Masalahnya ialah bahawa semua antimatter yang dicipta oleh orang ramai setakat ini tidak mencukupi untuk merebus sekurang-kurangnya secawan kopi.

Sintesis satu gram antimatter memerlukan 25 juta bilion kilowatt-jam tenaga, yang membuat apa-apa penggunaan praktikal bahan ini hanya masuk akal. Mungkin suatu hari nanti kita akan mengisi bintang dengannya, tetapi untuk ini, anda perlu membuat kaedah penerimaan yang lebih mudah dan lebih murah dan penyimpanan jangka panjang.

Aplikasi sedia ada dan yang menjanjikan

Pada masa ini, antimatter digunakan dalam perubatan, semasa tomografi pelepasan positron. Kaedah ini membolehkan anda mendapatkan imej organ-organ dalaman dalam resolusi tinggi. Isotop radioaktif seperti kalium-40 digabungkan dengan bahan organik seperti glukosa dan disuntik ke dalam sistem peredaran pesakit. Di sana mereka memancarkan positrons, yang telah musnah apabila mereka bertemu dengan elektron di dalam badan kita. Radiasi Gamma, yang diperoleh semasa proses ini, membentuk imej organ atau tisu yang disiasat.

Antimatter juga sedang dikaji sebagai ubat yang mungkin untuk kanser.

Penggunaan antimatter, tentu saja, mempunyai janji yang besar. Ia boleh membawa kepada revolusi tenaga sebenar dan membenarkan orang ramai mencapai bintang. Skate kegemaran novel fiksyen adalah bintang-bintang dengan apa yang dipanggil enjin warp, yang membolehkan mereka untuk bergerak dengan kelajuan superlight. Hari ini terdapat beberapa model matematik pemasangan sedemikian, dan kebanyakannya menggunakan antimatter dalam kerja mereka.

Terdapat lebih banyak cadangan yang realistis tanpa penerbangan superlight dan hyperspace. Sebagai contoh, ia dicadangkan untuk membuang kapsul uranium-238 dengan deuterium dan helium-3 di dalam awan antiproton. Pemaju projek percaya bahawa interaksi komponen ini akan membawa kepada permulaan tindak balas termonuklear, produk yang diarahkan oleh medan magnet ke dalam muncung enjin, akan memberikan daya tarikan yang signifikan kepada kapal.

Untuk penerbangan ke Marikh dalam satu bulan, jurutera Amerika mencadangkan menggunakan pembelahan nuklear yang dipicu oleh antiproton. Menurut pengiraan mereka, hanya 140 nanogram zarah-zarah ini diperlukan untuk perjalanan sedemikian.

Memandangkan banyak tenaga yang dikeluarkan semasa penghapusan anti-bahan, bahan ini adalah calon yang sangat baik untuk bom pemadat dan bahan peledak lain. Malah sejumlah kecil antimatter cukup untuk mencipta sebuah munisi yang setanding dengan kuasa untuk bom nuklear. Tetapi ketika masih terlalu awal untuk bimbang, karena teknologi ini pada peringkat awal perkembangannya. Tidak mungkin projek sedemikian akan direalisasikan dalam dekad yang akan datang.

Sementara itu, antimatter adalah, pertama sekali, subjek kajian sains teoritis, yang boleh menceritakan banyak tentang struktur dunia kita. Keadaan ini tidak mungkin berubah sehingga kita belajar untuk mendapatkannya pada skala perindustrian dan selamat diselamatkan. Hanya dengan itu kita boleh bercakap mengenai penggunaan praktikal bahan ini.

Tonton video itu: This Is The Only Place Antimatter Can Survive In The Universe (September 2019).