Antimatter: פריצת דרך בפיסיקה או איום על כל היצורים החיים?

אלקטרונים ופוזיטרונים - זוג החלקיקים הראשון שנמצא על ידי מדענים

היקום מלא סודות מדהימים. חורים שחורים מפחידים, פרדוקס "החומר האפל", כוכבים כפולים בלתי צפויים. אחד החידות המפורסמות והמסקרנות ביותר, כמובן, הוא אנטי-חומר, המורכב מחומר "מבפנים-החוצה". גילוי תופעה זו הוא אחד ההישגים החשובים ביותר של הפיזיקה במאה האחרונה.

עד כאן, המדענים היו משוכנעים כי חלקיקים יסודיים הם אבני היסוד היסודיות והבלתי ניתנות לשינוי של היקום, שאינן נולדות שוב ולא נעלמות לעולם. תמונה משעממת ובלתי מסובכת זו היא דבר של העבר, כאשר התברר כי האלקטרון הטעון שלילי ומקבילו מן הפוזיטרונים האנטי-עולמיים נהרסים זה בזה, ומייצרים אנרגיה קוואנטית. ומאוחר יותר התברר כי חלקיקים בסיסיים ככלל אוהבים להפוך זה לזה, ובדרך המוזרה ביותר. גילוי האנטי-מטרי היה תחילתו של טרנספורמציה רדיקלית של רעיונות על תכונות היקום.

Antimatter מזה זמן רב נושא מועדף של מדע בדיוני. ספינת הארגון מפולחן "מסע בין כוכבים" משתמשת במנוע antimatter לכבוש את הגלקסיה. בספרו של דן בראון מלאכים ושדים, הדמות הראשית מצילה את רומא מפצצה שנוצרה על בסיס חומר זה. הכניעה של כמויות האנרגיה הבלתי פוסקות, המתקבלת על ידי האינטראקציה של החומר עם האנטי-חומר, האנושות תצבור כוח, עדיפה על התחזיות של סופרי המדע הבדיוני הנועזים ביותר. כמה קילוגרמים של antimatter מספיק כדי לחצות את הגלקסיה.

אבל לפני יצירת כלי נשק חללית הוא עדיין רחוק מאוד. כיום, המדע עוסק בהוכחה התיאורטית של קיומו של חומר אנטי-חקר ובחקר תכונותיו, ומדענים משתמשים בעשרות מקרים, במקרים קיצוניים, מאות אטומים בניסויים שלהם. זמן חייהם מחושב בשברי שניות, ועלות הניסויים היא עשרות מיליוני דולרים. פיסיקאים מאמינים כי הידע של antimatter יעזור לנו להבין טוב יותר את התפתחות היקום ואת האירועים שהתרחשו בו מיד לאחר המפץ הגדול.

ספינה מסדרת הטלוויזיה "מסע בין כוכבים". כדי לכבוש את הגלקסיה, הוא משתמש antimatter

מהו antimatter ומה הם המאפיינים שלו?

Antimatter הוא סוג מיוחד של חומר המורכב של antiparticles. יש להם את הספין ואת המסה כמו פרוטונים רגילים ואלקטרונים, אבל נבדלים מהם על ידי סימן של מטען חשמלי צבע, בריון מספר הקוונטים לפטון. במילים פשוטות, אם האטומים של החומר הרגיל מורכבים גרעינים טעונים חיובי ואלקטרונים שליליים, אז antimatter הוא ההפך.

באינטראקציה של החומר והאנטימטר, מתרחשת השמדה עם שחרור של פוטונים או חלקיקים אחרים. האנרגיה המתקבלת בעת ובעונה אחת היא עצומה: גרם אחד של חומר אנטי-מספיק מספיק לפיצוץ של כמה קילוטונים.

על פי מושגים מודרניים, החומר והאנטימטר בעלי אותו מבנה, משום שהכוח והאינטראקציות האלקטרומגנטיות הקובעות אותו פועלות באופן זהה לחלוטין הן על החלקיקים והן על "התאומים" שלהם.

הוא האמין כי antimatter יכול גם ליצור כוח gravitational, אבל עובדה זו עדיין לא הוכח באופן סופי. תיאורטית, כוח הכבידה צריך לפעול על החומר ועל antimatter באותו אופן, אבל זה עדיין לא נקבע באופן ניסיוני. עכשיו הם עובדים על בעיה זו ALPHA, AEGIS ו GBAR פרויקטים.

בסוף שנת 2015, באמצעות קולומטר RHIC, מדענים הצליחו למדוד את כוח האינטראקציה בין אנטי פרוטונים. התברר שהוא שווה למאפיין דומה של פרוטונים.

נכון לעכשיו, "תאומים" של כמעט כל חלקיקי היסוד הקיימים ידועים, למעט אלה שנקרא "ניטרלי באמת", אשר הצמד אחראי להפוך את עצמם. חלקיקים אלה כוללים:

  • פוטון;
  • היגס בוזון;
  • pi meson ניטרלי;
  • ETA מסון;
  • gravitron (טרם התגלה).

Antimatter הוא הרבה יותר קרוב ממה שאתה חושב. מקור האנטי-חמצן, לעומת זאת, אינו חזק מדי, הוא בננות רגילות. הם מכילים את איזוטופ אשלגן 40, אשר decays כדי ליצור positron. זה קורה בערך כל 75 דקות. אלמנט זה הוא גם חלק של גוף האדם, כך שכל אחד מאיתנו יכול להיקרא גנרטור של חלקיקים.

מן הרקע

לראשונה הודה המדען הבריטי ארתור שוסטר ברעיון של קיומו של החומר "עם סימן אחר" בסוף המאה ה -19. הפרסום שלו בנושא זה היה מעורפל למדי ולא הכיל שום ראיות, סביר להניח, ההשערה של המדען היה מונע על ידי גילוי האחרונות של האלקטרון. הוא היה הראשון להציג את המונחים "antimatter" ו "antatom" לשימוש מדעי.

בניסוי, האנטי אלקטרון הושג לפני גילוי הרשמי שלה. זה נעשה על ידי הפיזיקאי הסובייטי דמיטרי Skobeltsinu בשנות ה -20 של המאה הקודמת. הוא השפיע בצורה מוזרה כאשר בחן קרני גמא בחדרו של וילסון, אך לא היה מסוגל להסביר זאת. עכשיו אנו יודעים כי התופעה נגרמה על ידי הופעתו של חלקיק ו antiparticle - אלקטרון ו פוזיטרון.

בשנת 1930, הפיזיקאי הבריטי המפורסם פול דיראק, שעבד על המשוואה היחסית של תנועה לאלקטרון, ניבא את קיומו של חלקיק חדש עם אותה מסה, אך מטען הפוך. באותו זמן, מדענים ידעו רק חלקיק אחד חיובי - פרוטון, אבל זה היה אלפי פעמים כבד יותר מאשר אלקטרון, ולכן הם לא יכלו לפרש את הנתונים שהושגו על ידי דיראק. שנתיים לאחר מכן, אמריקן אנדרסון גילה את "תאום" של אלקטרון בחקר הקרינה מהחלל. הוא קרא לפוזיטרונים.

באמצע המאה הקודמת, פיסיקאים היה זמן טוב ללמוד את זה חלקיק, כמה דרכים להכנת שלה פותחו. בשנות החמישים, מדענים סובייטים גילו אנטיפרוטון ואנטי-נויטרונים, בשנת 1965 התקבל אנטי-דוטרון, ובשנת 1974 הצליחו החוקרים הסובייטים לסנתז אנטי-גרעין של הליום וטריטיום.

בשנות ה -60 וה -70 של המאה העשרים, חיפשו חלקיקים באטמוספירה העליונה באמצעות בלונים עם ציוד מדעי. קבוצה זו הובלה על ידי חתן פרס נובל לואיס אלווארטס. בסך הכל, כ 40,000 חלקיקים היו "נתפס", אבל לאף אחד מהם לא היה שום קשר עם antimatter. בשנת 2002, פיסיקאים אמריקנים ויפנים עשו מחקר דומה. הם השיקו בלון BESS ענק (כ -1.1 מיליון מ"ק) לגובה של 23 ק"מ. אבל גם ב 22 שעות של הניסוי הם לא הצליחו לזהות אפילו את החלקיקים הפשוטים ביותר. מאוחר יותר בוצעו ניסויים דומים באנטארקטיקה.

באמצע שנות ה -90 הצליחו מדענים אירופאים להשיג אטום של אטום-הידרוגן המורכב משני חלקים: פוזיטרון ואנטי-פרוטון. בשנים האחרונות ניתן היה לסנתז כמות גדולה בהרבה של אלמנט זה, דבר שאפשר להתקדם בחקר תכונותיו.

עבור "לתפוס" של אנטי חלקיקים, אפילו חללית משמשים.

בשנת 2005, גלאי אנטי-רגיש הותקן בתחנת החלל הבינלאומית (ISS).

Antimatter בחלל

מגלה פוזיטרון פול דיראק האמין כי ביקום יש אזורים שלמים המורכבים לחלוטין antimatter. הוא דיבר על כך בהרצאתו של נובל. אבל עד כה המדענים לא הצליחו למצוא דבר כזה.

כמובן, אנטי-חלקיקים נמצאים בחלל. הם נולדים בשל תהליכים רבים של אנרגיה גבוהה: פיצוצים בסופרנובה או שריפת דלק תרמו-גרעיני, מתרחשים בענני פלזמה סביב חורים שחורים או כוכבי נויטרונים, נולדים בהתנגשויות של חלקיקי אנרגיה גבוהה בחלל הבין כוכבי. יתר על כן, כמות קטנה של antiparticles הוא כל הזמן "לשפוך" על ידי גשם על הפלנטה שלנו. ריקבון של רדיונוקלידים מסוימים מלווה גם היווצרות של positrons. אבל כל האמור לעיל הוא רק antiparticles, אבל לא antimatter. עד כה, החוקרים לא הצליחו למצוא אפילו אנטי הליום בחלל, מה לדבר על אלמנטים כבדים יותר. כישלון החיפוש אחר קרינה גמא ספציפית, המלווה את תהליך ההשמדה בהתנגשות החומר והאנטי.

אם לשפוט לפי הנתונים הקיימים כיום, אין אנטיגלקסיה, אנטי כוכבים או אובייקטים גדולים אחרים antimatter. וזה מוזר מאוד: על פי תיאוריית המפץ הגדול, בזמן לידתו של היקום שלנו, כמות זהה של חומר antimatter הופיע, והיכן האחרון הלך לא ברור. נכון להיום, ישנם שני הסברים לתופעה זו: או שנעלם האנטי-וירוס מיד לאחר הפיצוץ, או שהוא קיים בחלקים נידחים של היקום, ופשוט לא גילינו אותו עדיין. א-סימטריה כזו היא אחת הבעיות החשובות ביותר של הפיזיקה המודרנית.

קיימת השערה כי בשלבים המוקדמים של חיי היקום שלנו, כמות החומר והאנטי-מטרי כמעט התנגשה: עבור כל מיליארד אנטי-פרוטונים ופוזיטרונים, היו בדיוק כמותם של עמיתיהם, בתוספת פרוטון ואקסטרון אחד נוסף. במשך הזמן נעלם חלק הארי של החומר והאנטי-אימנט בתהליך ההשמדה, וכל מה שסובב אותנו היום נבע מן העודף. נכון, לא לגמרי ברור איפה ומדוע הופיעו "תוספת" חלקיקים.

קבלת antimatter ואת הקשיים של תהליך זה

בשנת 1995 הצליחו המדענים ליצור רק תשעה אטומים של אנטי-הידרוגן. הם היו קיימים במשך כמה עשרות ננו שניות, ואז הושמדו. בשנת 2002, מספר החלקיקים היה כבר מאות, ואת תוחלת החיים שלהם גדל מספר פעמים.

החלקיקים, ככלל, נולדים יחד עם "הכפיל" הרגיל. לדוגמה, כדי להשיג זוג electron-electron, האינטראקציה של קוונטית גמא עם שדה חשמלי של הגרעין האטומי הוא הכרחי.

איך antimatter - מאוד בעייתי. תהליך זה מתרחש במאיצים, ואנטי-חלקיקים מאוחסנים בטבעות אחסון מיוחדות בתנאי ואקום גבוהים. בשנת 2010, פיסיקאים הצליחו בפעם הראשונה ללכוד 38 אטומי מימן למלכודת מיוחדת להחזיק אותם עבור 172 אלפיות השנייה. לשם כך, המדענים נאלצו לצנן 30 אלף אנטיפרוטונים לטמפרטורות מתחת ל -70 מעלות צלזיוס ושני מיליון פוזיטרונים ל -230 מעלות צלזיוס.

כדי להשיג antimatter צריך את המכשירים המורכבים ביותר

בשנה שלאחר מכן, החוקרים הצליחו לשפר באופן משמעותי את התוצאות: כדי להגדיל את חייהם של חלקיקים עד אלף שניות. בעתיד אנו מתכננים לגלות את היעדר או נוכחות של אפקט antigravity עבור antimatter.

סוגיית האחסון של החומר האנטי-מטרי הוא כאב ראש אמיתי עבור פיסיקאים, משום שהאנטי-פרוטונים והפוזיטרונים מתמוססים מיד כאשר הם נפגשים עם חלקיקים של חומר רגיל. כדי לשמור עליהם, המדענים נאלצו להמציא מכשירים חכמים שיכולים למנוע אסון. החלקיקים טעונים מאוחסנים במלכודת שנקרא פנינג, אשר דומה מאיץ מיניאטורי. שדות מגנטיים וחשמליים חזקים למנוע פוזיטרונים antiprotons מלהתנגש עם קירות המכשיר. עם זאת, מכשיר כזה לא עובד עם אובייקטים נייטרליים, כמו אטום אטום הידרוגן. במקרה זה, מלכודת יופה פותחה. השמירה של אנטי אטומים בו מתרחשת בשל השדה המגנטי.

עלות antimatter ואת יעילות האנרגיה שלה

בהתחשב בקושי בהשגת ואחסון של חומרים אנטי-סרטניים, אין זה מפתיע שמחירו גבוה מאוד. על פי חישובי נאס"א, בשנת 2006, מיליגרם אחד של פוזיטרונים עולה כ -25 מיליון דולר. על פי נתונים קודמים, גרם של אנטי-מימן נאמד ב -62 טריליון דולר. בערך אותם נתונים ניתנים על ידי פיסיקאים אירופאים מ CERN.

פוטנציאל antimatter הוא אידיאלי דלק, אולטרה יעיל וידידותי לסביבה. הבעיה היא כי כל antimatter שנוצרו על ידי אנשים עד כה הוא בקושי מספיק כדי להרתיח לפחות כוס קפה.

סינתזה של גרם אחד של antimatter דורש 25 מיליון קילוואט שעות של אנרגיה, מה שהופך כל שימוש מעשי של חומר זה פשוט אבסורדי. אולי יום אחד נוכל לתדלק עם ספינות חלליות, אבל בשביל זה אתה צריך לבוא עם שיטות פשוטות וזולות יותר של קבלת אחסון לטווח ארוך.

יישומים קיימים ומבטיחים

נכון לעכשיו, antimatter משמש ברפואה, במהלך טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים. שיטה זו מאפשרת לך לקבל תמונה של האיברים הפנימיים ברזולוציה גבוהה. איזוטופים רדיואקטיביים כמו אשלגן -40 משולבים בחומרים אורגניים כמו גלוקוז ומוזרקים למערכת הדם של המטופל. שם הם פולטים פוזיטרונים, אשר הושמדו כאשר הם נפגשים עם אלקטרונים בגוף שלנו. קרינת גמא, המתקבלת בתהליך זה, יוצרת תמונה של האיבר או הרקמה הנחקרת.

Antimatter הוא גם נלמד כתרופה אפשרית עבור סרטן.

השימוש של antimatter, כמובן, יש הבטחה גדולה. זה יכול להוביל למהפכה אנרגיה אמיתית ולאפשר לאנשים להגיע לכוכבים. בדיוני הרומנים האהובים הם ספינות חלל עם מה שנקרא מנועי עיוות, אשר מאפשרים להם לנסוע במהירות סופר. כיום יש כמה מודלים מתמטיים של מתקנים כאלה, ורובם משתמשים antimatter בעבודתם.

ישנן הצעות מציאותיות יותר ללא טיסות superper ו hyperspace. לדוגמה, מוצע לזרוק כמוסה של אורניום -238 עם דאוטריום והליום -3 בתוך ענן אנטי פרוטון. מפתחי הפרוייקט סבורים כי האינטראקציה של רכיבים אלה תוביל לתחילת תגובה תרמו-גרעינית, שתוצריה, אשר יופנו על-ידי שדה מגנטי לתוך זרבובית המנוע, יספקו את הספינה לתנופה משמעותית.

עבור טיסות למאדים בחודש אחד, מהנדסים אמריקאים מציעים להשתמש בבקעה גרעינית המופעלת על ידי אנטי-פרוטונים. לפי החישובים שלהם, רק 140 nanograms של חלקיקים אלה נחוצים למסע כזה.

בהינתן כמות האנרגיה הגבוהה שהשתחררה במהלך ההשמדה האנטי-חומרית, חומר זה הוא מועמד מצוין למילוי פצצות וחפצים נפץ אחרים. אפילו כמות קטנה של חומר אנטי-דינמי מספיקה כדי ליצור תחמושת דומה לכוח גרעיני. אבל למרות שזה מוקדם מדי לדאוג לגבי זה, כי הטכנולוגיה הזו היא בשלב מוקדם מאוד של הפיתוח שלה. אין זה סביר כי פרויקטים כאלה יתממשו בעשורים הקרובים.

בינתיים, antimatter הוא, קודם כל, את הנושא של המחקר של המדע התיאורטי, אשר יכול לספר הרבה על המבנה של העולם שלנו. מצב זה לא ישתנה עד שנלמד לקבל אותו בקנה מידה תעשייתי ולשמור בצורה אמינה. רק אז נוכל לדבר על השימוש המעשי בחומר זה.

צפה בסרטון: This Is The Only Place Antimatter Can Survive In The Universe (מרץ 2024).