Visums ir pilns ar pārsteidzošiem noslēpumiem. Biedējošas melnās caurumi, paradokss "tumšās vielas", neprognozējamas dubultās zvaigznes. Viens no slavenākajiem un intriģējošākajiem mīklas, protams, ir antimateriāls, kas sastāv no "iekšpuses" materiāla. Šīs parādības atklāšana ir viens no svarīgākajiem fizikas sasniegumiem pagājušajā gadsimtā.
Līdz šim zinātnieki bija pārliecināti, ka elementāras daļiņas ir visuma neatņemamie un nemainīgie bloki, kas nav piedzimuši un nekad nepazūd. Šis garlaicīgais un nesarežģītais attēls ir pagātne, kad izrādījās, ka negatīvi lādētais elektrons un tā pretējs no anti-pasaules pozitrona tiek savstarpēji iznīcināti, izraisot enerģijas kvantu. Un vēlāk kļuva skaidrs, ka elementāras daļiņas parasti vēlas pārvērsties savā starpā un visdažādākajos veidos. Antimatera atklāšana bija radikālu ideju pārveidošana par Visuma īpašībām.
Antimatter jau sen ir bijusi mīļākā zinātniskās fantastikas tēma. Uzņēmuma kuģis no Star Trek kulta izmanto antimateriāla dzinēju, lai iekarotu galaktiku. Dan Brauna grāmatā Eņģeļi un dēmoni galvenais varonis saglabā Romu no bumbas, kas radīta, pamatojoties uz šo vielu. Neizsīkstošo enerģijas daudzumu, kas tiek iegūts, mijiedarbojoties ar antimateriālu, pakļaušana cilvēcei iegūs spēku, pārāka par drosmīgāko zinātniskās fantastikas rakstnieku prognozēm. Daži kilogrami antimateriāla ir pietiekami, lai šķērsotu galaktiku.
Bet pirms ieroču un kosmosa kuģu izveides joprojām ir ļoti tālu. Šobrīd zinātne nodarbojas ar antimateriāla esamības teorētisko pamatojumu un tā īpašību izpēti, un zinātnieki eksperimentos izmanto desmitiem, ārkārtējos gadījumos, simtiem atomu. Viņu dzīves laiks tiek aprēķināts sekundēs, un eksperimentu izmaksas ir desmitiem miljonu dolāru. Fiziķi uzskata, ka zināšanas par antimateriālu mums palīdzēs labāk izprast Visuma evolūciju un notikumus, kas tajā notika uzreiz pēc Lielā sprādziena.
Kas ir antimateriāls un kādas ir tās īpašības?
Antimateriāls ir īpašs materiāla veids, kas sastāv no antivielām. Viņiem ir tāds pats spin un masa kā parastajiem protoniem un elektroniem, bet atšķiras no tiem ar elektrisko un krāsu lādiņu, bariona un leptona kvantu skaitu. Vienkārši runājot, ja parastās vielas atomi sastāv no pozitīvi uzlādētiem kodoliem un negatīviem elektroniem, tad antimateriāls ir pretējs.
Mijiedarbībā ar vielu un antimateriālu notiek iznīcināšana, atbrīvojoties no fotoniem vai citām daļiņām. Vienlaikus saņemtā enerģija ir milzīga: viena grama antimateriāla ir pietiekama vairāku kilotonu eksplozijai.
Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām vielai un antimateriālai ir tāda pati struktūra, jo spēks un elektromagnētiskā mijiedarbība, kas nosaka, ka tā darbojas absolūti identiski gan uz daļiņām, gan uz to "dvīņiem".
Tiek uzskatīts, ka antimateriāls var radīt arī gravitācijas spēku, bet šis fakts vēl nav pierādīts. Teorētiski gravitācijai ir jārīkojas tāpat kā uz vielu un antimateriālu, bet tas vēl ir jānosaka eksperimentāli. Tagad viņi strādā pie šī jautājuma ALPHA, AEGIS un GBAR projektos.
2015. gada beigās, izmantojot RHIC kolektoru, zinātnieki varēja izmērīt antiprotonu mijiedarbības spēku. Izrādījās, ka tas ir vienāds ar līdzīgiem protonu raksturlielumiem.
Pašlaik gandrīz visu esošo elementāro daļiņu "dvīņi" ir zināmi, izņemot tā sauktos "patiesi neitrālos", kas maksas konjugācijas gaitā pārvēršas par sevi. Šīs daļiņas ietver:
- fotons;
- Higga bosons;
- neitrāls pi mesons;
- šis mesons;
- gravitrona (vēl nav atklāts).
Antimatter ir daudz tuvāk, nekā jūs domājat. Antimateriāla avots, tomēr ne pārāk spēcīgs, ir parastie banāni. Tajos ir kālija-40 izotops, kas noārdās, veidojot pozitronu. Tas notiek apmēram reizi 75 minūtēs. Šis elements ir arī daļa no cilvēka ķermeņa, lai ikvienu no mums varētu saukt par antivielu ģeneratoru.
No fona
Pirmo reizi britu zinātnieks Arturs Šusters 19. gadsimta beigās atzina ideju par materiāla esamību ar citu zīmi. Viņa publikācija par šo tēmu bija diezgan neskaidra un tajā nebija nekādu pierādījumu, visticamāk, zinātnieka hipotēzi izraisīja nesenais elektronu atklājums. Viņš bija pirmais, kas zinātniskos nolūkos ieviesa terminus "antimatter" un "antiatom".
Eksperimentāli anti-elektronu ieguva pirms tā oficiālās atklāšanas. To veica padomju fiziķis Dmitrijs Skobeltsinu pagājušā gadsimta 20. gados. Viņam radās dīvaini efekti, pārbaudot gamma starus Vilsona kamerā, bet viņš to nevarēja izskaidrot. Tagad mēs zinām, ka šo parādību izraisīja daļiņu un antivielas - elektrona un pozitrona - izskats.
1930. gadā slavenais britu fiziķis Pauls Dirakss, strādājot pie elektronu kustības relativistiskā vienādojuma, paredzēja jaunas daļiņas esamību ar tādu pašu masu, bet pretēju uzlādi. Tajā laikā zinātnieki zināja tikai vienu pozitīvu daļiņu - protonu, bet tas bija tūkstošiem reižu smagāks par elektronu, tāpēc viņi nevarēja interpretēt Diraka iegūtos datus. Divus gadus vēlāk amerikāņu Andersons atklāja elektrona "divkāršu", pētot kosmosa starojumu. Viņš sauca pozitronu.
Līdz pagājušā gadsimta vidum fiziķiem bija labs laiks, lai izpētītu šo pretdaļiņu, tika izstrādāti vairāki tās sagatavošanas veidi. 1950. gados zinātnieki atklāja antiprotonu un anti-neitronu, 1965. gadā tika iegūts anti-deuterons, un 1974. gadā padomju pētniekiem izdevās sintezēt hēliju un tritiju.
60. un 70. gados tika meklēti antivielas augšējā atmosfērā, izmantojot balonus ar zinātnisko aprīkojumu. Šo grupu vadīja Nobela prēmijas laureāts Luis Alvarets. Kopumā aptuveni 40 tūkstoši daļiņu tika “nozvejotas”, bet nevienam no viņiem nebija nekāda sakara ar antimateriālu. 2002. gadā amerikāņu un japāņu fiziķi uzsāka līdzīgus pētījumus. Viņi uzsāka milzīgu BESS balonu (tilpums 1,1 milj. M3) līdz 23 kilometru augstumam. Bet pat eksperimenta 22 stundās viņi nespēja atklāt pat visvienkāršākos pretpartikātus. Vēlāk līdzīgi eksperimenti tika veikti Antarktīdā.
90. gadu vidū Eiropas zinātniekiem izdevās iegūt antihidrogēna atomu, kas sastāvēja no divām daļiņām: pozitrona un antiprotona. Pēdējos gados bija iespējams sintezēt daudz lielāku šī elementa daudzumu, kas ļāva virzīties uz priekšu tās īpašību izpētē.
2005. gadā Starptautiskajā kosmosa stacijā (ISS) tika uzstādīts jutīgs antimateriāla detektors.
Antimateriāls kosmosā
Pozitrona Paula Diraka atklājējs uzskatīja, ka visumā ir veseli apgabali, kas sastāv tikai no antimaterijas. Viņš par to runāja savā Nobela lekcijā. Taču līdz šim zinātnieki nav varējuši atrast kaut ko līdzīgu.
Protams, kosmosā ir anti-daļiņas. Viņi piedzimst daudzu augstas enerģijas procesu dēļ: supernovas sprādzieni vai termoaktīvā kurināmā sadedzināšana, kas notiek plazmas mākoņos ap melnajiem caurumiem vai neitronu zvaigznēm, ir dzimuši augstas enerģijas daļiņu sadursmē starpzvaigžņu telpā. Turklāt neliels daudzums pretdaļiņu pastāvīgi tiek „izliets” uz mūsu planētas. Dažu radionuklīdu sabrukumu veicina arī positronu veidošanās. Bet visi iepriekš minētie ir tikai antisemītri, bet ne antimateriāli. Līdz šim pētnieki nav varējuši atrast pat pret hēliju kosmosā, ko runāt par smagākiem elementiem. Nespēja meklēt specifisku gammas starojumu, kas pavada iznīcināšanas procesu vielas un antimateriāla sadursmē.
Spriežot pēc mūsdienās pieejamajiem datiem, nav antigalaksiju, pret zvaigznēm vai citu lielu antimateriālu objektu. Un tas ir ļoti dīvaini: saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju mūsu Visuma dzimšanas brīdī parādījās tāds pats materiāla un antimateras daudzums, un kur pēdējais devās, ir neskaidrs. Šobrīd šai parādībai ir divi skaidrojumi: vai nu kāda no antimaterijām pazuda uzreiz pēc sprādziena, vai arī tā pastāv dažās attālās pasaules daļās, un mēs vienkārši to vēl neesam atklājuši. Šāda asimetrija ir viena no svarīgākajām neatrisinātajām mūsdienu fizikas problēmām.
Ir hipotēze, ka mūsu Visuma dzīves sākumposmā materiāla un antimateriāla daudzums gandrīz sakrita: par katru miljardu antiprotonu un positronu bija tikpat daudz to kolēģu, kā arī viens “papildus” protons un elektrons. Laika gaitā lielākā daļa materiālu un antimateriālu izzuda iznīcināšanas procesā, un viss, kas mūs mūs ieskauj šodien, radās no pārpalikuma. Tiesa, nav pilnīgi skaidrs, kur un kāpēc parādījās "ekstra" daļiņas.
Antivielas iegūšana un grūtības šajā procesā
1995. gadā zinātniekiem izdevās izveidot tikai deviņus antihidrogēnus. Viņi pastāvēja vairākus desmitus nanosekundes un pēc tam iznīcināja. 2002. gadā daļiņu skaits jau bija simtiem, un to mūža ilgums vairākas reizes palielinājās.
Pretējā daļiņa, kā parasti, piedzimst kopā ar tās parasto „dubulto”. Piemēram, lai iegūtu pozitronelektronu pāri, ir nepieciešama gamma-kvantu mijiedarbība ar atomu kodola elektrisko lauku.
Antimatera iegūšana - ļoti apgrūtinoša. Šis process notiek paātrinātājos, un anti-daļiņas tiek uzglabātas īpašos uzglabāšanas gredzenos augstos vakuuma apstākļos. 2010. gadā fiziķi pirmo reizi spēja savākt 38 anti-ūdeņraža atomus īpašā slazdā un turēt tos 172 milisekundes. Lai to izdarītu, zinātniekiem bija jāatdzesē 30 tūkstoši antiprotonu līdz temperatūrai, kas zemāka par -70 ° C, un diviem miljoniem positronu līdz -230 ° C.
Nākamajā gadā pētnieki varēja ievērojami uzlabot rezultātus: palielināt antipartikulu dzīvi līdz tūkstoš sekundēm. Nākotnē mēs plānojam noskaidrot, vai antimateriālai nav antigravitācijas efekta.
Jautājums par antimateriālu uzglabāšanu ir reāla galvassāpes fiziķiem, jo antiprotoni un positroni uzreiz iznīcina, kad tie satiekas ar visām parastās vielas daļiņām. Lai tos saglabātu, zinātniekiem bija jāizdomā gudras ierīces, kas varētu novērst katastrofu. Uzlādētie pretdaļiņas tiek glabāti tā sauktajā Penning slazdā, kas atgādina miniatūru akseleratoru. Tās spēcīgie magnētiskie un elektriskie lauki novērš positronu un antiprotonu sadursmi ar ierīces sienām. Tomēr šāda ierīce nedarbojas ar neitrāliem objektiem, piemēram, antihidrogēna atomu. Šajā gadījumā tika izstrādāts Joffe slazds. Anti-atomu saglabāšana tajā notiek magnētiskā lauka dēļ.
Antimateriālu izmaksas un energoefektivitāte
Ņemot vērā grūtības iegūt un uzglabāt antivielas, nav pārsteigums, ka tā cena ir ļoti augsta. Saskaņā ar NASA aprēķiniem 2006. gadā viens miligrams positronu maksā aptuveni 25 miljonus ASV dolāru. Saskaņā ar iepriekšējiem datiem tika aprēķināts, ka grams anti-ūdeņraža bija 62 triljoni dolāru. Aptuveni tādus pašus skaitļus sniedz CERN Eiropas fiziķi.
Potenciāli antimateriāls ir ideāls kurināmais, ļoti efektīvs un videi draudzīgs. Problēma ir tāda, ka visi līdz šim radītie antimateriāli ir gandrīz pietiekami, lai vāra vismaz vienu tasi kafijas.
Viena grama antimateriāla sintēze prasa 25 miljonus miljardu kilovatstundu enerģijas, kas padara šīs vielas praktisku izmantošanu vienkārši absurdu. Varbūt kādu dienu mēs to papildināsim ar tankkuģiem, bet tam jums ir jāizstrādā vienkāršākas un lētākas metodes uzglabāšanai un uzglabāšanai.
Esošie un daudzsološie lietojumi
Pašlaik antimateriālu lieto medicīnā pozitronu emisijas tomogrāfijas laikā. Šī metode ļauj iegūt augstas izšķirtspējas iekšējo orgānu attēlu. Radioaktīvie izotopi, piemēram, kālijs-40, tiek apvienoti ar organiskām vielām, piemēram, glikozi, un injicēti pacienta asinsrites sistēmā. Tur viņi izstaro positronus, kas tiek iznīcināti, kad viņi sastopas ar elektroniem mūsu ķermenī. Šajā procesā iegūtais gammas starojums veido pētāmā orgāna vai audu attēlu.
Antimatter tiek pētīta arī kā iespējamais līdzeklis pret vēzi.
Protams, antimateriālu izmantošanai ir liels solījums. Tas var novest pie reālas enerģijas revolūcijas un ļaut cilvēkiem sasniegt zvaigznes. Daiļliteratūras romānu mīļākie skate ir zvaigznes kuģi ar tā dēvētajiem velku dzinējiem, kas ļauj tiem braukt ar superlight ātrumu. Šodien ir vairāki šādu iekārtu matemātiskie modeļi, un lielākā daļa no tiem savā darbā izmanto antimateriālu.
Ir reālistiskāki priekšlikumi bez superlight lidojumiem un hiperspace. Piemēram, ir ierosināts izmest urāna-238 kapsulu ar deitēriju un hēliju-3 iekšpusē antiprotona mākonī. Projekta izstrādātāji uzskata, ka šo komponentu mijiedarbība novedīs pie termo kodolreakcijas sākuma, kuru produkti, ko magnētiskais lauks novirza dzinēja sprauslā, nodrošinās kuģim ievērojamu vilci.
Lidojumiem uz Marsu viena mēneša laikā amerikāņu inženieri iesaka izmantot kodolskaldīšanu, ko izraisa antiprotoni. Saskaņā ar viņu aprēķiniem tikai 140 nanogrami no šīm daļiņām ir nepieciešami šādam braucienam.
Ņemot vērā ievērojamo enerģijas daudzumu, kas izdalās anti-materiāla iznīcināšanas laikā, šī viela ir lielisks kandidāts bumbu un citu sprādzienbīstamu priekšmetu aizpildīšanai. Pat neliels daudzums antimateriāla ir pietiekams, lai radītu munīciju, ko var salīdzināt ar kodolspēku. Bet, lai gan ir pāragri uztraukties par to, jo šī tehnoloģija ir ļoti agrīnā attīstības stadijā. Maz ticams, ka šādi projekti tiks realizēti nākamajās desmitgadēs.
Tikmēr antimateriāls ir teorētiskās zinātnes pētījuma priekšmets, kas var daudz pastāstīt par mūsu pasaules struktūru. Šāda situācija, visticamāk, nemainīsies, līdz mēs iemācīsimies to iegūt rūpnieciskā mērogā un droši saglabāt. Tikai tad mēs varam runāt par šīs vielas praktisko izmantošanu.
