Antimatērija « Interesanti par zinātni. Kas ir antimatērija? Antimateriālu izmanto medicīnā
ANTIMATERIA, viela, kas sastāv no atomiem, kuru kodoliem ir negatīvs elektriskais lādiņš un kurus ieskauj pozitroni - elektroni ar pozitīvu elektrisko lādiņu. Parastā vielā, no kuras ir veidota apkārtējā pasaule, pozitīvi lādētus kodolus ieskauj negatīvi lādēti elektroni. Parasto vielu, lai to atšķirtu no antimatērijas, dažreiz sauc par līdzsubstanci (no grieķu valodas. koinos- parasta). Taču krievu literatūrā šis termins praktiski netiek lietots. Jāuzsver, ka jēdziens "antimatērija" nav gluži pareizs, jo antimatērija arī ir matērija, tās veids. Antimateriālam ir tādas pašas inerciālās īpašības un tā rada tādu pašu gravitācijas pievilcību kā parastajai vielai.
Runājot par matēriju un antimatēriju, ir loģiski sākt ar elementārdaļiņām (subatomiskām). Katra elementārdaļiņa atbilst antidaļiņai; abiem ir gandrīz vienādas īpašības, izņemot to, ka tiem ir pretējs elektriskais lādiņš. (Ja daļiņa ir neitrāla, tad arī antidaļiņa ir neitrāla, taču tās var atšķirties pēc citiem raksturlielumiem. Dažos gadījumos daļiņa un antidaļiņa ir viena otrai identiskas.) Tādējādi elektronam – negatīvi lādētai daļiņai – atbilst a. pozitrons, un protona antidaļiņa ar pozitīvu lādiņu ir negatīvi lādēts antiprotons. Pozitronu atklāja 1932. gadā, bet antiprotonu 1955. gadā; šīs bija pirmās no atklātajām antidaļiņām. Antidaļiņu esamību 1928. gadā, pamatojoties uz kvantu mehāniku, paredzēja angļu fiziķis P. Diraks.
Saduroties elektronam un pozitronam, tie anihilējas, t.i. abas daļiņas pazūd, un no to sadursmes punkta izdalās divi gamma kvanti. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas ar mazu ātrumu, tad katra gamma stara enerģija ir 0,51 MeV. Šī enerģija ir elektrona "atpūtas enerģija" jeb tā miera masa, kas izteikta enerģijas vienībās. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas lielā ātrumā, tad gamma staru enerģija būs lielāka to kinētiskās enerģijas dēļ. Iznīcināšana notiek arī tad, kad protons saduras ar antiprotonu, taču process šajā gadījumā ir daudz sarežģītāks. Kā mijiedarbības starpprodukti dzimst vairākas īslaicīgas daļiņas; tomēr pēc dažām mikrosekundēm kā transformāciju galaprodukti paliek neitrīni, gamma kvanti un neliels skaits elektronu-pozitronu pāru. Šie pāri galu galā var iznīcināt, radot papildu gamma starus. Iznīcināšana notiek arī tad, kad antineutrons saduras ar neitronu vai protonu.
Tā kā antidaļiņas pastāv, rodas jautājums, vai no antidaļiņām var izveidot antikodolus. Parastās vielas atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem. Vienkāršākais kodols ir parastā ūdeņraža izotopa 1 H kodols; tas ir viens protons. Deitērija kodols 2 H sastāv no viena protona un viena neitrona; to sauc par deuteronu. Vēl viens vienkārša kodola piemērs ir 3 He kodols, kas sastāv no diviem protoniem un viena neitrona. Antideuterons, kas sastāv no antiprotona un antineitrona, tika iegūts laboratorijā 1966. gadā; Anti-3He kodols, kas sastāv no diviem antiprotoniem un viena antineitrona, pirmo reizi tika iegūts 1970. gadā.
Saskaņā ar mūsdienu elementārdaļiņu fiziku, ja ir pieejami atbilstoši tehniskie līdzekļi, būtu iespējams iegūt visu parasto kodolu antikodolus. Ja šos antikodolus ieskauj atbilstošs pozitronu skaits, tie veido antiatomus. Antiatomiem būtu gandrīz tieši tādas pašas īpašības kā parastajiem atomiem; tie veidotu molekulas, tie varētu veidot cietas vielas, šķidrumus un gāzes, tostarp organiskās vielas. Piemēram, divi antiprotoni un viens anti-skābekļa kodols kopā ar astoņiem pozitroniem varētu veidot pretūdens molekulu, kas ir līdzīga parastajam ūdens H 2 O, kuras katra molekula sastāv no diviem ūdeņraža kodolu protoniem, viena skābekļa kodola un astoņiem. elektroni. Mūsdienu daļiņu teorija spēj paredzēt, ka pretūdens sasals 0°C, vārīsies 100°C un citādi uzvedīsies kā parasts ūdens. Turpinot šādu spriešanu, mēs varam nonākt pie secinājuma, ka no antimatērijas uzbūvētā antimaterija būtu ārkārtīgi līdzīga parastajai pasaulei mums apkārt. Šis secinājums kalpo par sākumpunktu simetriskā Visuma teorijām, kuru pamatā ir pieņēmums, ka Visumā ir vienāds daudzums parastās matērijas un antimatērijas. Mēs dzīvojam tajā daļā, kas sastāv no parastās matērijas.
Ja saskaras divi identiski pretējā tipa vielu gabali, tad notiks elektronu anihilācija ar pozitroniem un kodolu ar antikodoliem. Šajā gadījumā radīsies gamma kvanti, pēc kuru parādīšanās var spriest par notiekošo. Tā kā Zeme pēc definīcijas sastāv no parastas vielas, tajā nav ievērojama daudzuma antimateriāla, izņemot niecīgo skaitu antidaļiņu, kas rodas lielos paātrinātājos un kosmiskajos staros. Tas pats attiecas uz visu Saules sistēmu.
Novērojumi liecina, ka mūsu galaktikā notiek tikai ierobežots gamma starojuma daudzums. No tā vairāki pētnieki secina, ka tajā nav manāma daudzuma antimateriāla. Bet šis secinājums nav neapstrīdams. Pašlaik nav iespējams noteikt, piemēram, vai dotā tuvumā esošā zvaigzne sastāv no matērijas vai antimatērijas; antimatērijas zvaigzne izstaro tieši tādu pašu spektru kā parasta zvaigzne. Tālāk ir pilnīgi iespējams, ka retinātā matērija, kas aizpilda telpu ap zvaigzni un ir identiska pašas zvaigznes matērijai, ir atdalīta no reģioniem, kas piepildīti ar pretējā tipa matēriju - ļoti plāniem augstas temperatūras "Leidenfrosta slāņiem". Tādējādi var runāt par starpzvaigžņu un starpgalaktiskās telpas "šūnu" struktūru, kurā katra šūna satur vai nu vielu, vai antimateriālu. Šo hipotēzi atbalsta mūsdienu pētījumi, kas parāda, ka magnetosfērai un heliosfērai (starpplanētu telpai) ir šūnu struktūra. Šūnas ar dažādu magnetizāciju un dažkārt arī ar dažādu temperatūru un blīvumu atdala ar ļoti plāniem strāvas apvalkiem. No tā izriet paradoksāls secinājums, ka šie novērojumi nav pretrunā ar antimatērijas esamību pat mūsu Galaktikā.
Ja agrāk nebija pārliecinošu argumentu par labu antimatērijas esamībai, tad tagad rentgenstaru un gamma staru astronomijas panākumi ir mainījuši situāciju. Ir novērotas parādības, kas saistītas ar milzīgu un bieži ļoti nesakārtotu enerģijas izdalīšanos. Visticamāk, šādas enerģijas izlaišanas avots bija iznīcināšana.
Zviedru fiziķis O. Kleins izstrādāja kosmoloģisko teoriju, kuras pamatā ir matērijas un antimatērijas simetrijas hipotēze, un nonāca pie secinājuma, ka iznīcināšanas procesiem ir izšķiroša nozīme Visuma evolūcijā un galaktiku struktūras veidošanā.
Arvien vairāk kļūst redzams, ka galvenā alternatīvā teorija - "lielā sprādziena" teorija - ir nopietni pretrunā ar novērojumu datiem un centrālo vietu kosmoloģisko problēmu risināšanā tuvākajā nākotnē, visticamāk, ieņems "simetriskā kosmoloģija".
Fizikā un ķīmijā antimateriāls ir viela, kas sastāv no antidaļiņām, tas ir, antiprotons (protons ar negatīvu elektrisko lādiņu) un antielektrons (elektrons ar pozitīvu elektrisko lādiņu). Antiprotons un antielektrons veido antimatērijas atomu, tāpat kā elektrons un protons veido ūdeņraža atomu.
Vispārīgs matērijas un antimatērijas jēdziens
Ikviens zina atbildi uz jautājumu, kas ir matērija, tas ir, tā ir viela, kas sastāv no molekulām un atomiem. Savukārt paši atomi sastāv no elektroniem un kodoliem, ko veido protoni un neitroni. Izprotot jautājumu, kas ir matērija, ir iespējams saprast, kas ir antimatērija. To saprot kā vielu, kuras sastāvā esošajām daļiņām ir pretējs elektriskais lādiņš. Neitronu-antineitronu pāra gadījumā to lādiņi ir vienādi ar nulli, bet magnētiskie momenti ir vērsti pretēji.
Antimatērijas galvenā īpašība ir tās spēja iznīcināt, kad tā saskaras ar parasto vielu. Šo vielu saskares rezultātā masa pazūd un pilnībā pārvēršas enerģijā. Saskaņā ar kosmisko teoriju Visumā ir vienāds daudzums matērijas un antimatērijas, šis fakts izriet no teorētiskās spriešanas. Tomēr šīs vielas vienu no otras atdala milzīgi attālumi, jo jebkura to tikšanās noved pie grandiozām kosmiskām matērijas iznīcināšanas parādībām.
Antimatērijas atklāšanas vēsture
Antimateriālu 1932. gadā atklāja Ziemeļamerikas fiziķis Karls Andersens, kurš pētīja kosmiskos starus un spēja noteikt pozitronu (elektronu antidaļiņu). Šis atklājums viņam 1936. gadā atnesa Nobela prēmiju. Pēc tam eksperimentāli tika atklāti antiprotoni. Tas notika 2006. gadā, pateicoties Pamela satelīta palaišanai, kura uzdevums bija pētīt Saules izstarotās daļiņas.
Pēc tam cilvēce iemācījās pati radīt antimateriālu. Daudzu eksperimentu rezultātā tika pierādīts, ka vielas un antimateriāla sadursme iznīcina abas vielas un rada gamma starus. Šos eksperimentālos atklājumus paredzēja Alberts Einšteins.
Antimatērijas izmantošana
Kur var izmantot antimateriālu? Pirmkārt, antimateriāls ir lieliska degviela. Tikai viens antimatērijas piliens spēj nodrošināt enerģiju, ar kuru pietiks lielas pilsētas darbināšanai dienas laikā. Turklāt šis enerģijas avots ir videi draudzīgs.
Medicīnas jomā galvenā antimateriāla izmantošana ir pozitronu starojuma tomogrāfija. Gamma starus, kas rodas matērijas un antimatērijas iznīcināšanas rezultātā, izmanto vēža audzēju noteikšanai organismā. Antimateriālu izmanto arī vēža terapijā. Pašlaik tiek veikti pētījumi par antiprotonu izmantošanu vēža audu pilnīgai iznīcināšanai.
Cik maksā grams antimatērijas un kur tas tiek uzglabāts?
Antimatērijas ražošana ar elementārdaļiņu paātrinātāju palīdzību prasa milzīgas enerģijas izmaksas. Turklāt antimateriālu ir grūti uzglabāt, jo tā pašiznīcināsies jebkurā saskarē ar parasto vielu. Tāpēc tas tiek glabāts spēcīgos elektromagnētiskajos laukos, kuru izveidei un uzturēšanai ir nepieciešamas arī lielas enerģijas izmaksas.
Saistībā ar iepriekš minēto mēs varam secināt, ka antimateriāls ir visdārgākā viela uz zemes. Viņas grama vērtība ir 62,5 miljardi ASV dolāru. Saskaņā ar citiem CERN sniegtajiem aprēķiniem, lai izveidotu vienu miljardo daļu grama antimateriāla, būtu nepieciešami vairāki simti miljonu Šveices franku.
Kosmoss ir antimatērijas avots
Šajā tehnoloģiju attīstības posmā mākslīga antimatērijas radīšana ir neefektīva un dārga metode. Ņemot to vērā, NASA zinātnieki plāno savākt antimateriālu Zemes Van Allena joslā ar magnētiskajiem laukiem. Šī josta atrodas vairāku simtu kilometru augstumā virs mūsu planētas virsmas, un tās biezums ir vairāki tūkstoši kilometru. Šajā kosmosa apgabalā ir liels skaits antiprotonu, kas veidojas elementārdaļiņu reakciju rezultātā, ko izraisa kosmisko staru sadursmes Zemes atmosfēras augšējos slāņos. Parastās vielas daudzums ir neliels, tāpēc antiprotoni tajā var pastāvēt diezgan ilgu laiku.
Vēl viens antimatērijas avots ir līdzīgas radiācijas jostas ap Saules sistēmas milzu planētām: Jupiteru, Saturnu, Neptūnu un Urānu. Zinātnieki īpašu uzmanību pievērš Saturnam, kuram, pēc viņu domām, vajadzētu radīt lielu skaitu antiprotonu, kas rodas uzlādētu kosmisko daļiņu mijiedarbības rezultātā ar planētas ledus gredzeniem.
Tāpat notiek darbs ekonomiskākas antimateriālas uzglabāšanas virzienā. Tādējādi profesors Masaki Gori (Masaki Hori) paziņoja par izstrādāto metodi antiprotonu ierobežošanai, izmantojot radiofrekvences, kas, pēc viņa teiktā, ievērojami samazinās antimatērijas konteinera izmēru.
Antimatērija jau sen ir bijusi zinātniskās fantastikas priekšmets. Grāmatā un filmā Eņģeļi un dēmoni profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Star Trek kosmosa kuģis Enterprise izmanto iznīcinošu antimateriālu dzinēju, lai pārvietotos ātrāk par gaismas ātrumu. Bet antimatērija ir arī mūsu realitātes priekšmets. Antimateriālas daļiņas ir praktiski identiskas to materiālajām partnerēm, izņemot to, ka tām ir pretējs lādiņš un griešanās. Kad antimatērija satiekas ar matēriju, tā acumirklī iznīcinās enerģijā, un tā vairs nav izdomājums.
Lai gan praksē vēl nav iespējamas antimatērijas bumbas un kuģi, kuru pamatā ir viena un tā pati degviela, ir daudz faktu par antimateriālu, kas jūs pārsteigs vai ļaus papildināt to, ko jau zinājāt.
Pēc Lielā sprādziena antimatērijai bija jāiznīcina visa Visuma matērija
Saskaņā ar teoriju Lielais sprādziens radīja matēriju un antimateriālu vienādos daudzumos. Kad viņi satiekas, notiek savstarpēja iznīcība, iznīcināšana, un paliek tikai tīra enerģija. Pamatojoties uz to, mums nevajadzētu pastāvēt.
Bet mēs eksistējam. Un, cik fiziķi zina, tas ir tāpēc, ka uz katriem miljards matērijas-antimatērijas pāru bija viena papildu matērijas daļiņa. Fiziķi cenšas visu iespējamo, lai izskaidrotu šo asimetriju.
Antimatērija jums ir tuvāk, nekā jūs domājat
Nelieli daudzumi antimatērijas pastāvīgi līst uz Zemes kosmisko staru veidā, enerģētiskas daļiņas no kosmosa. Šīs antimatērijas daļiņas sasniedz mūsu atmosfēru līmenī, kas svārstās no viena līdz vairāk nekā simtam uz kvadrātmetru. Zinātniekiem ir arī pierādījumi, ka pērkona negaisa laikā veidojas antimateriāls.
Ir arī citi antimatērijas avoti, kas mums ir tuvāki. Piemēram, banāni rada antimateriālu, aptuveni reizi 75 minūtēs izstarojot vienu pozitronu - elektrona antimatērijas ekvivalentu. Tas ir tāpēc, ka banāni satur nelielu daudzumu kālija-40, kas ir dabiski sastopams kālija izotops. Kālija-40 sabrukšanas rezultātā dažkārt rodas pozitrons.
Mūsu ķermeņi satur arī kāliju-40, kas nozīmē, ka jūs izstaro arī pozitronus. Saskaroties ar matēriju, antimateriāls iznīcinās uzreiz, tāpēc šīs antimatērijas daļiņas nedzīvo ļoti ilgi.
Cilvēkiem ir izdevies radīt diezgan daudz antimatērijas
Antimatērijas un matērijas iznīcināšana var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Grams antimatērijas var radīt sprādzienu kodolbumbas lielumā. Taču cilvēki nav radījuši daudz antimatērijas, tāpēc nav no kā baidīties.
Visi Fermi laboratorijas Tevatron daļiņu paātrinātājā radītie antiprotoni ir knapi 15 nanogrami. CERN līdz šim ir saražots tikai aptuveni 1 nanograms. DESY Vācijā - ne vairāk kā 2 nanogrami pozitronu.
Ja visa cilvēku radītā antimaterija acumirklī iznīcinās, tās enerģijas nepietiks pat tējas tases uzvārīšanai.
Problēma slēpjas antimateriāla ražošanas un uzglabāšanas efektivitātē un izmaksās. Lai izveidotu 1 gramu antimatērijas, ir nepieciešami aptuveni 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas un tas maksā vairāk nekā miljonu miljardu dolāru. Nav pārsteidzoši, ka antimateriāls dažkārt ir iekļauts desmit dārgāko vielu sarakstā mūsu pasaulē.
Ir tāda lieta kā antimatērijas lamatas.
Lai pētītu antimatēriju, jums ir jānovērš tās iznīcināšana ar matēriju. Zinātnieki ir atraduši vairākus veidus, kā to izdarīt.
Uzlādētas antimatērijas daļiņas, piemēram, pozitroni un antiprotoni, var uzglabāt tā sauktajos Peninga slazdos. Tie ir kā sīki daļiņu paātrinātāji. To iekšpusē daļiņas pārvietojas pa spirāli, savukārt magnētiskie un elektriskie lauki neļauj tām sadurties ar slazda sienām.
Tomēr Penninga slazdi nedarbojas neitrālām daļiņām, piemēram, antiūdeņradim. Tā kā tām nav lādiņa, šīs daļiņas nevar ierobežot ar elektriskiem laukiem. Tie tiek turēti Ioffe slazdos, kas darbojas, izveidojot telpas reģionu, kurā magnētiskais lauks kļūst spēcīgāks visos virzienos. Antimatērijas daļiņas iestrēgst reģionā ar vājāko magnētisko lauku.
Zemes magnētiskais lauks var darboties kā antimatērijas lamatas. Antiprotoni ir atrasti noteiktās zonās ap Zemi - Van Alena starojuma joslās.
Antimatērija var nokrist (burtiski)
Vielas un antimateriālas daļiņām ir vienāda masa, taču tās atšķiras pēc īpašībām, piemēram, elektriskā lādiņa un griešanās. prognozē, ka gravitācijai vajadzētu būt tādai pašai ietekmei uz vielu un antimateriālu, taču tas vēl ir skaidrs. Pie tā strādā tādi eksperimenti kā AEGIS, ALPHA un GBAR.
Novērot gravitācijas efektu antimatērijā nav tik vienkārši, kā skatīties, kā ābols nokrīt no koka. Šie eksperimenti prasa noturēt antimateriālu vai palēnināt to, atdzesējot līdz temperatūrai, kas ir nedaudz virs absolūtās nulles. Un tā kā gravitācija ir vājākais no pamatspēkiem, fiziķiem šajos eksperimentos ir jāizmanto neitrālas antimateriālas daļiņas, lai novērstu mijiedarbību ar jaudīgāko elektrības spēku.
Antimateriāls tiek pētīts daļiņu moderatoros
Vai esat dzirdējuši par daļiņu paātrinātājiem, bet vai esat dzirdējuši par daļiņu moderatoriem? CERN ir iekārta ar nosaukumu Antiproton Decelerator, kurā antiprotoni tiek notverti un palēnināti, lai pētītu to īpašības un uzvedību.
Daļiņu paātrinātāja gredzenos, piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā, daļiņas saņem enerģisku stimulu katru reizi, kad tās veic apli. Moderatori strādā pretēji: tā vietā, lai izkliedētu daļiņas, tās tiek stumtas pretējā virzienā.
Neitrīni var būt paši savas antidaļiņas
Vielas daļiņai un tās pretmateriālajam partnerim ir pretējs lādiņš, kas ļauj tos viegli atšķirt. Neitrīniem, gandrīz bezmasas daļiņām, kas reti mijiedarbojas ar vielu, nav lādiņa. Zinātnieki uzskata, ka tās varētu būt hipotētiska daļiņu klase, kas ir viņu pašu antidaļiņas.
Tādu projektu kā Majorana Demonstrator un EXO-200 mērķis ir noteikt, vai neitrīno patiešām ir Majorana daļiņas, novērojot tā saukto bez neitrīno dubultās beta sabrukšanas uzvedību.
Daži radioaktīvie kodoli sadalās vienlaicīgi, izstarojot divus elektronus un divus neitrīno. Ja neitrīno būtu viņu pašu antidaļiņas, tie iznīcinātos pēc binārās sabrukšanas, un zinātniekiem atliek tikai novērot elektronus.
Majoranas neitrīno meklēšana varētu palīdzēt izskaidrot, kāpēc pastāv matērijas un antimatērijas asimetrija. Fiziķi norāda, ka Majorana neitrīno var būt gan smagi, gan viegli. Plaušas pastāv mūsu laikos, un smagās pastāvēja tūlīt pēc Lielā sprādziena. Smagie Majorānas neitrīno sadalījās asimetriski, kā rezultātā radās neliels daudzums vielas, kas piepildīja mūsu Visumu.
Antimateriālu izmanto medicīnā
PET, PET (pozitronu emisijas topogrāfija) izmanto pozitronus, lai iegūtu augstas izšķirtspējas ķermeņa attēlus. Pozitronus izstarojošie radioaktīvie izotopi (piemēram, tie, kas atrodami banānos) saistās ar tādām ķīmiskām vielām kā glikoze, kas atrodas organismā. Tie tiek ievadīti asinsritē, kur tie dabiski sadalās, izdalot pozitronus. Tie savukārt sastopas ar ķermeņa elektroniem un iznīcina. Iznīcināšana rada gamma starus, kas tiek izmantoti attēla veidošanai.
CERN ACE projekta zinātnieki pēta antimateriālu kā potenciālu vēža ārstēšanas kandidātu. Ārsti jau ir izdomājuši, ka daļiņu starus var novirzīt uz audzējiem, kas izstaro savu enerģiju tikai pēc tam, kad tie ir droši izgājuši cauri veseliem audiem. Izmantojot antiprotonus, tiks pievienots papildu enerģijas uzliesmojums. Šis paņēmiens ir atzīts par efektīvu kāmju ārstēšanā, taču tas vēl nav pārbaudīts ar cilvēkiem.
Antimatērija var slēpties kosmosā
Viens no veidiem, kā zinātnieki mēģina atrisināt matērijas-antimatērijas asimetrijas problēmu, ir meklēt antimateriālu, kas palikusi pāri no Lielā sprādziena.
Alfa magnētiskais spektrometrs (AMS) ir daļiņu detektors, kas atrodas Starptautiskajā kosmosa stacijā un meklē šādas daļiņas. AMS satur magnētiskos laukus, kas izliek kosmisko daļiņu ceļu un atdala vielu no antimatērijas. Tās detektoriem ir jāatklāj un jāidentificē šādas daļiņas, tām ejot garām.
Kosmisko staru sadursmes parasti rada pozitronus un antiprotonus, taču iespējamība izveidot antihēlija atomu joprojām ir ārkārtīgi maza, jo šim procesam ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums. Tas nozīmē, ka tikai viena antihēlija kodola novērošana būtu spēcīgs pierādījums tam, ka citur Visumā pastāv milzīgs daudzums antimateriālu.
Cilvēki faktiski mācās, kā darbināt kosmosa kuģus ar antimateriālu
Tikai nedaudz antimatērijas var radīt milzīgu enerģijas daudzumu, padarot to par populāru degvielu futūristiskiem zinātniskās fantastikas kuģiem.
Hipotētiski ir iespējama raķešu piedziņa ar antimateriālu; galvenais ierobežojums ir savākt pietiekami daudz antimateriāla, lai tas notiktu.
Pagaidām nav tehnoloģijas, lai masveidā ražotu vai savāktu antimateriālu tādos apjomos, kādi nepieciešami šādam lietojumam. Tomēr zinātnieki strādā pie šādas kustības imitācijas un šīs pašas antimatērijas uzglabāšanas. Kādu dienu, ja mēs atradīsim veidu, kā ražot lielu daudzumu antimatērijas, viņu pētījumi varētu palīdzēt padarīt starpzvaigžņu ceļojumus par realitāti.
Iegūts no symmetrymagazine.org
) gan daļiņām, gan antidaļiņām. Tas nozīmē, ka antimatērijas struktūrai jābūt identiskai parastajai matērijai.
Atšķirība starp vielu un antimateriālu ir iespējama tikai vājās mijiedarbības dēļ, taču parastā temperatūrā vāja ietekme ir niecīga.
Kad matērija un antimateriāls mijiedarbojas, tās iznīcinās, un veidojas augstas enerģijas fotoni vai daļiņu un pretdaļiņu pāri. Aprēķināts, ka, mijiedarbojoties 1 kg antimateriālas un 1 kg vielas, izdalīsies aptuveni 1,8·10 17 džouli enerģijas, kas ir līdzvērtīga enerģijai, kas izdalās 42,96 megatonu TNT sprādziena laikā. Visjaudīgākā kodolierīce, kas jebkad eksplodējusi uz planētas, "cara bumba" (masa ~ 20 tonnas), atbilda 57 megatonnām. Jāpiebilst, ka aptuveni 50% enerģijas nukleona-antinukleona pāra iznīcināšanas laikā izdalās neitrīno veidā, kas praktiski nesadarbojas ar vielu.
Diezgan daudz tiek diskutēts par to, kāpēc novērojamā Visuma daļa sastāv gandrīz tikai no matērijas un vai ir vēl citas vietas, kas ir piepildītas, gluži pretēji, gandrīz pilnībā ar antimateriālu; bet līdz šim novērotā matērijas un antimatērijas asimetrija Visumā ir viena no lielākajām neatrisinātajām fizikas problēmām (sk. Visuma Bariona asimetrija). Tiek pieņemts, ka tik spēcīga asimetrija radās pirmajās sekundes daļās pēc Lielā sprādziena.
Kvīts
Pirmais objekts, kas pilnībā sastāvēja no antidaļiņām, bija 1965. gadā sintezētais anti-deuterons; tad tika iegūti arī smagāki antikodoli. 1995. gadā CERN tika sintezēts antiūdeņraža atoms, kas sastāv no pozitrona un antiprotona. Pēdējos gados antiūdeņradis iegūts ievērojamos daudzumos un uzsākta tā īpašību detalizēta izpēte.
Cena
Ir zināms, ka antimateriāls ir visdārgākā viela uz Zemes — saskaņā ar NASA 2006. gada aplēsēm miligrama pozitronu ražošana izmaksāja aptuveni 25 miljonus ASV dolāru. Saskaņā ar 1999. gada aplēsēm viens grams antiūdeņraža būtu 62,5 triljonu dolāru vērts. Saskaņā ar CERN 2001. gada aplēsi, miljardās daļas grama antimateriāla (apjoms, ko CERN izmanto daļiņu un pretdaļiņu sadursmēs desmit gadu laikā) ražošana izmaksāja vairākus simtus miljonu Šveices franku.
Skatīt arī
Piezīmes
Saites
Wikimedia fonds. 2010 .
Sinonīmi:Skatiet, kas ir "Antimatter" citās vārdnīcās:
Antimatērija... Pareizrakstības vārdnīca
antimatērija- antimatērija/, a/… apvienoti. Atsevišķi. Caur defisi.
BET; sk. Fizik. No antidaļiņām veidota viela. ◁ Antimateriāls, ak, ak. * * * Antimateriāls ir matērija, kas veidota no antidaļiņām. Antimateriālu atomu kodoli sastāv no antiprotoniem un antineutroniem, un atomu apvalki ir veidoti no pozitroniem. enciklopēdiskā vārdnīca
ANTIMATERIA Matērija sastāv no antidaļiņām. Antimateriālu atomu kodoli sastāv no antiprotoniem un antineutroniem, un elektronu lomu spēlē pozitroni. Tiek pieņemts, ka pirmajos Visuma veidošanās brīžos antimatērija un matērija ... ... Mūsdienu enciklopēdija
No antidaļiņām veidota viela. Antimateriālu atomu kodoli sastāv no antiprotoniem un antineutroniem, un atomu apvalki ir veidoti no pozitroniem. Antimatērijas uzkrāšanās Visumā vēl nav atklātas. Uz uzlādētiem daļiņu paātrinātājiem iegūti ...... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca
ANTIMATERIA, viela, kas sastāv no antidaļiņām, kas visos aspektos ir identiskas parastajām daļiņām, izņemot ELEKTRISKĀ LĀDĒ, GROZĪBU UN MAGNĒTISKO MOMENTU, kam tiem ir pretēja zīme. Kad antidaļiņa, piemēram, pozitrons...... Zinātniskā un tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca
Tr Viela, kas veidojas no antidaļiņām (fizikā). Efremovas skaidrojošā vārdnīca. T. F. Efremova. 2000... Mūsdienu Efremova krievu valodas skaidrojošā vārdnīca
No antidaļiņām veidota viela. Atomu kodoli va sastāv no protoniem un neitroniem, un elektroni veido atomu čaulas. A. kodoli sastāv no antiprotoniem un antineutroniem, un elektronu vietu to apvalkos aizņem pozitroni. Saskaņā ar mūsdienu teorijas, inde... Fiziskā enciklopēdija
Eksist., sinonīmu skaits: 1 antimatērija (2) ASIS Sinonīmu vārdnīca. V.N. Trišins. 2013... Sinonīmu vārdnīca
ANTIMATERIJA- matērija, kas sastāv no (sk.). Jautājums par A. izplatību Visumā joprojām ir atklāts ... Lielā Politehniskā enciklopēdija
Grāmatas
- Visums atpakaļskata spogulī. Vai Dievs bija ar labo roku? Vai slēptā simetrija, antimatērija un Higsa bozons, Deivs Goldbergs. Nepatīk fizika? Jūs vienkārši neesat lasījis Deiva Goldberga grāmatas! Šī grāmata iepazīstinās jūs ar vienu no intriģējošākajām tēmām mūsdienu fizikā, fundamentālajām simetrijām. Patiešām, mūsu skaistajā ...
- Visums atpakaļskata spogulī. Vai Dievs bija ar labo roku? Vai slēptā simetrija, antimatērija un bozons, Deivs Goldbergs. Nepatīk fizika? Jūs vienkārši neesat lasījis Deiva Goldberga grāmatas! Šī grāmata iepazīstinās jūs ar vienu no intriģējošākajām tēmām mūsdienu fizikā – fundamentālajām simetrijām. Galu galā mūsu…
Izziņas ekoloģija: antimateriāls jau sen ir bijis zinātniskās fantastikas priekšmets. Grāmatā un filmā Eņģeļi un dēmoni profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Kosmosa kuģis Star Trek Enterprise izmanto dzinēju, kura pamatā ir
Antimatērija jau sen ir bijusi zinātniskās fantastikas priekšmets. Grāmatā un filmā Eņģeļi un dēmoni profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Star Trek kosmosa kuģis Enterprise izmanto iznīcinošu antimateriālu dzinēju, lai pārvietotos ātrāk par gaismas ātrumu. Bet antimatērija ir arī mūsu realitātes priekšmets. Antimateriālas daļiņas ir praktiski identiskas to materiālajām partnerēm, izņemot to, ka tām ir pretējs lādiņš un griešanās. Kad antimatērija satiekas ar matēriju, tā acumirklī iznīcinās enerģijā, un tā vairs nav izdomājums.
Lai gan praksē vēl nav iespējamas antimatērijas bumbas un kuģi, kuru pamatā ir viena un tā pati degviela, ir daudz faktu par antimateriālu, kas jūs pārsteigs vai ļaus papildināt to, ko jau zinājāt.
1 Antimatērijai pēc Lielā sprādziena vajadzēja iznīcināt visu matēriju Visumā
Saskaņā ar teoriju Lielais sprādziens radīja matēriju un antimateriālu vienādos daudzumos. Kad viņi satiekas, notiek savstarpēja iznīcība, iznīcināšana, un paliek tikai tīra enerģija. Pamatojoties uz to, mums nevajadzētu pastāvēt.
Bet mēs eksistējam. Un, cik fiziķi zina, tas ir tāpēc, ka uz katriem miljards matērijas-antimatērijas pāru bija viena papildu matērijas daļiņa. Fiziķi cenšas visu iespējamo, lai izskaidrotu šo asimetriju.
2 Antimateriāls jums ir tuvāk, nekā jūs domājat
Nelieli daudzumi antimatērijas pastāvīgi līst uz Zemes kosmisko staru veidā, enerģētiskas daļiņas no kosmosa. Šīs antimatērijas daļiņas sasniedz mūsu atmosfēru līmenī, kas svārstās no viena līdz vairāk nekā simtam uz kvadrātmetru. Zinātniekiem ir arī pierādījumi, ka pērkona negaisa laikā veidojas antimateriāls.
Ir arī citi antimatērijas avoti, kas mums ir tuvāki. Piemēram, banāni rada antimateriālu, aptuveni reizi 75 minūtēs izstarojot vienu pozitronu - elektrona antimatērijas ekvivalentu. Tas ir tāpēc, ka banāni satur nelielu daudzumu kālija-40, kas ir dabiski sastopams kālija izotops. Kālija-40 sabrukšanas rezultātā dažkārt rodas pozitrons.
Mūsu ķermeņi satur arī kāliju-40, kas nozīmē, ka jūs izstaro arī pozitronus. Saskaroties ar matēriju, antimateriāls iznīcinās uzreiz, tāpēc šīs antimatērijas daļiņas nedzīvo ļoti ilgi.
3 cilvēki ir radījuši ļoti maz antimatērijas
Antimatērijas un matērijas iznīcināšana var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Grams antimatērijas var radīt sprādzienu kodolbumbas lielumā. Taču cilvēki nav radījuši daudz antimatērijas, tāpēc nav no kā baidīties.
Visi Fermi laboratorijas Tevatron daļiņu paātrinātājā radītie antiprotoni ir knapi 15 nanogrami. CERN līdz šim ir saražots tikai aptuveni 1 nanograms. DESY Vācijā - ne vairāk kā 2 nanogrami pozitronu.
Ja visa cilvēku radītā antimaterija acumirklī iznīcinās, tās enerģijas nepietiks pat tējas tases uzvārīšanai.
Problēma slēpjas antimateriāla ražošanas un uzglabāšanas efektivitātē un izmaksās. Lai izveidotu 1 gramu antimatērijas, ir nepieciešami aptuveni 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas un tas maksā vairāk nekā miljonu miljardu dolāru. Nav pārsteidzoši, ka antimateriāls dažkārt ir iekļauts desmit dārgāko vielu sarakstā mūsu pasaulē.
4. Ir tāda lieta kā antimatērijas slazds.
Lai pētītu antimatēriju, jums ir jānovērš tās iznīcināšana ar matēriju. Zinātnieki ir atraduši vairākus veidus, kā to izdarīt.
Uzlādētas antimatērijas daļiņas, piemēram, pozitroni un antiprotoni, var uzglabāt tā sauktajos Peninga slazdos. Tie ir kā sīki daļiņu paātrinātāji. To iekšpusē daļiņas pārvietojas pa spirāli, savukārt magnētiskie un elektriskie lauki neļauj tām sadurties ar slazda sienām.
Tomēr Penninga slazdi nedarbojas neitrālām daļiņām, piemēram, antiūdeņradim. Tā kā tām nav lādiņa, šīs daļiņas nevar ierobežot ar elektriskiem laukiem. Tie tiek turēti Ioffe slazdos, kas darbojas, izveidojot telpas reģionu, kurā magnētiskais lauks kļūst spēcīgāks visos virzienos. Antimatērijas daļiņas iestrēgst reģionā ar vājāko magnētisko lauku.
Zemes magnētiskais lauks var darboties kā antimatērijas lamatas. Antiprotoni ir atrasti noteiktās zonās ap Zemi - Van Alena starojuma joslās.
5. Antimatērija var nokrist (burtiski)
Vielas un antimateriālas daļiņām ir vienāda masa, taču tās atšķiras pēc īpašībām, piemēram, elektriskā lādiņa un griešanās. Standarta modelis paredz, ka gravitācijai vajadzētu būt tādai pašai ietekmei uz matēriju un antimateriālu, taču tas vēl ir skaidri redzams. Pie tā strādā tādi eksperimenti kā AEGIS, ALPHA un GBAR.
Novērot gravitācijas efektu antimatērijā nav tik vienkārši, kā skatīties, kā ābols nokrīt no koka. Šie eksperimenti prasa noturēt antimateriālu vai palēnināt to, atdzesējot līdz temperatūrai, kas ir nedaudz virs absolūtās nulles. Un tā kā gravitācija ir vājākais no pamatspēkiem, fiziķiem šajos eksperimentos ir jāizmanto neitrālas antimateriālas daļiņas, lai novērstu mijiedarbību ar jaudīgāko elektrības spēku.
6. Antimateriāls tiek pētīts daļiņu moderatoros
Vai esat dzirdējuši par daļiņu paātrinātājiem, bet vai esat dzirdējuši par daļiņu moderatoriem? CERN ir iekārta ar nosaukumu Antiproton Decelerator, kurā antiprotoni tiek notverti un palēnināti, lai pētītu to īpašības un uzvedību.
Daļiņu paātrinātāja gredzenos, piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā, daļiņas saņem enerģisku stimulu katru reizi, kad tās veic apli. Moderatori strādā pretēji: tā vietā, lai izkliedētu daļiņas, tās tiek stumtas pretējā virzienā.
7 neitrīni var būt viņu pašu antidaļiņas
Vielas daļiņai un tās pretmateriālajam partnerim ir pretējs lādiņš, kas ļauj tos viegli atšķirt. Neitrīniem, gandrīz bezmasas daļiņām, kas reti mijiedarbojas ar vielu, nav lādiņa. Zinātnieki uzskata, ka tās varētu būt Majorana daļiņas, hipotētiska daļiņu klase, kas ir viņu pašu antidaļiņas.
Tādu projektu kā Majorana Demonstrator un EXO-200 mērķis ir noteikt, vai neitrīno patiešām ir Majorana daļiņas, novērojot tā saukto bez neitrīno dubultās beta sabrukšanas uzvedību.
Daži radioaktīvie kodoli sadalās vienlaicīgi, izstarojot divus elektronus un divus neitrīno. Ja neitrīno būtu viņu pašu antidaļiņas, tie iznīcinātos pēc binārās sabrukšanas, un zinātniekiem atliek tikai novērot elektronus.
Majoranas neitrīno meklēšana varētu palīdzēt izskaidrot, kāpēc pastāv matērijas un antimatērijas asimetrija. Fiziķi norāda, ka Majorana neitrīno var būt gan smagi, gan viegli. Plaušas pastāv mūsu laikos, un smagās pastāvēja tūlīt pēc Lielā sprādziena. Smagie Majorānas neitrīno sadalījās asimetriski, kā rezultātā radās neliels daudzums vielas, kas piepildīja mūsu Visumu.
8 Antimateriālu izmanto medicīnā
PET, PET (pozitronu emisijas topogrāfija) izmanto pozitronus, lai iegūtu augstas izšķirtspējas ķermeņa attēlus. Pozitronus izstarojošie radioaktīvie izotopi (piemēram, tie, kas atrodami banānos) saistās ar tādām ķīmiskām vielām kā glikoze, kas atrodas organismā. Tie tiek ievadīti asinsritē, kur tie dabiski sadalās, izdalot pozitronus. Tie savukārt sastopas ar ķermeņa elektroniem un iznīcina. Iznīcināšana rada gamma starus, kas tiek izmantoti attēla veidošanai.
CERN ACE projekta zinātnieki pēta antimateriālu kā potenciālu vēža ārstēšanas kandidātu. Ārsti jau ir izdomājuši, ka daļiņu starus var novirzīt uz audzējiem, kas izstaro savu enerģiju tikai pēc tam, kad tie ir droši izgājuši cauri veseliem audiem. Izmantojot antiprotonus, tiks pievienots papildu enerģijas uzliesmojums. Šis paņēmiens ir atzīts par efektīvu kāmju ārstēšanā, taču tas vēl nav pārbaudīts ar cilvēkiem.
9 Antimatērija varētu slēpties kosmosā
Viens no veidiem, kā zinātnieki mēģina atrisināt matērijas-antimatērijas asimetrijas problēmu, ir meklēt antimateriālu, kas palikusi pāri no Lielā sprādziena.
Alfa magnētiskais spektrometrs (AMS) ir daļiņu detektors, kas atrodas Starptautiskajā kosmosa stacijā un meklē šādas daļiņas. AMS satur magnētiskos laukus, kas izliek kosmisko daļiņu ceļu un atdala vielu no antimatērijas. Tās detektoriem ir jāatklāj un jāidentificē šādas daļiņas, tām ejot garām.
Kosmisko staru sadursmes parasti rada pozitronus un antiprotonus, taču iespējamība izveidot antihēlija atomu joprojām ir ārkārtīgi maza, jo šim procesam ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums. Tas nozīmē, ka tikai viena antihēlija kodola novērošana būtu spēcīgs pierādījums tam, ka citur Visumā pastāv milzīgs daudzums antimateriālu.
10 cilvēki patiesībā mācās, kā darbināt kosmosa kuģi ar antimatērijas degvielu
Tikai nedaudz antimatērijas var radīt milzīgu enerģijas daudzumu, padarot to par populāru degvielu futūristiskiem zinātniskās fantastikas kuģiem.
Hipotētiski ir iespējama raķešu piedziņa ar antimateriālu; galvenais ierobežojums ir savākt pietiekami daudz antimateriāla, lai tas notiktu.
Pagaidām nav tehnoloģijas, lai masveidā ražotu vai savāktu antimateriālu tādos apjomos, kādi nepieciešami šādam lietojumam. Tomēr zinātnieki strādā pie šādas kustības imitācijas un šīs pašas antimatērijas uzglabāšanas. Kādu dienu, ja mēs atradīsim veidu, kā ražot lielu daudzumu antimatērijas, viņu pētījumi varētu palīdzēt padarīt starpzvaigžņu ceļojumus par realitāti. publicēts