Antimaterie

Din ce este făcut?

În fizică, toate particulele elementare, sau elementele de bază ale lucrurilor pe care le putem atinge, sunt în perechi. Fiecare particulă are ceea ce se numește o antiparticulă. Aceasta poate arăta și acționa la fel ca particula obișnuită, cu excepția unei diferențe majore. Un exemplu este electronul și pozitronul.

Alte particule de antimaterie sunt la fel, având aceeași greutate și având același aspect și acțiune ca și particulele obișnuite, dar sarcina lor electrică este opusă celei a particulelor obișnuite. Antihidrogenul, de exemplu, are pozitronul, care este încărcat pozitiv, care orbitează în jurul unui antiproton, care este încărcat negativ, ceea ce este opusul modului în care arată hidrogenul obișnuit, care are electronul (sarcină negativă), care orbitează în jurul unui proton (sarcină pozitivă).

Anihilare

Albert Einstein a găsit o formulă care poate arăta câtă energie are o anumită cantitate de ceva, fie că este vorba de materie sau antimaterie. Această formulă este E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. , și este una dintre cele mai cunoscute ecuații. În termeni simpli, dacă se ia masa unui obiect și se înmulțește cu viteza luminii, apoi se înmulțește din nou cu viteza luminii, se obține cantitatea de energie pură pe care o are o anumită cantitate de obiect. Deoarece viteza luminii este un număr atât de mare, acest lucru înseamnă că chiar și o cantitate mică de materie poate avea o cantitate mare de energie (s-a estimat că este de 4 ori mai eficientă per masă decât fisiunea nucleară).

În 1928, fizicianul Paul Dirac căuta o ecuație care să prezică modul în care ar trebui să se comporte particulele foarte rapide. Exista deja o altă ecuație care putea descrie particulele lente, ecuația lui Schrödinger, dar teoria relativității speciale a lui Einstein spunea că particulele rapide ar putea fi foarte diferite de cele lente. Dirac știa că particule precum electronii se mișcau de obicei foarte repede. El și-a dat seama că vechea ecuație nu ar fi făcut predicții bune pentru particulele rapide. Așa că a creat o nouă ecuație care ar putea descrie particulele care se mișcă aproape de viteza luminii.

Pentru particulele rapide, nu mai este adevărat că energia este E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. . În schimb, noua ecuație a lui Dirac funcționa pentru particule în care energia era dată de E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}}}^{2}c^{2}}}. . În noua ecuație pentru energie, simbolul p → {\displaystyle {\vec {p}}} se numește impuls și măsoară viteza cu care se deplasează particula și cât de greu se poate opri. Această ecuație spune că particulele foarte rapide au mai multă energie, deci sunt diferite de particulele lente. Puteți lua rădăcina pătrată a fiecărei părți a acestei ecuații, deoarece ambele părți sunt egale. Cu toate acestea, orice rădăcină pătrată reală are două răspunsuri, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} și E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Puteți considera răspunsul cu energie negativă ca fiind antimaterie.

Motivul pentru care acest lucru este important pentru a înțelege antimateria este acela că oamenii de știință au descoperit că atunci când materia și antimateria se ating una pe cealaltă, cantitatea de energie eliberată se apropie foarte mult de cantitatea de energie E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} spune că ar trebui să se afle în acele două bucăți. Motivul este că fiecare particulă de materie, atunci când își atinge antiparticula în lumea antimateriei, ambele se transformă în energie pură sau se anihilează reciproc. Această eliberare a unei cantități atât de mari de energie este motivul pentru care o mulțime de scriitori de science-fiction folosesc antimateria drept combustibil în poveștile lor. De exemplu, autorul Dan Brown folosește antimateria în "Îngeri și demoni" ca o armă foarte puternică. De asemenea, aceasta este privită ca sursă de combustibil pentru misiuni reale în spațiul cosmic în viitor.

Unde este toată antimateria?

Mulți oameni de știință cred că în primele momente de după Big Bang, care a creat universul cu foarte mult timp în urmă, atât materia, cât și antimateria s-au amestecat. Dacă Big Bang-ul a creat cantități egale de materie și antimaterie, atunci cele două s-ar fi anihilat și ar fi devenit energie. După foarte mult timp, nu ar mai exista nici materie, nici antimaterie, ci doar energie. Dar universul nostru de astăzi pare să fie format aproape numai din materie și aproape deloc din antimaterie. Fizicienii nu știu încă sigur că au fost create cantități egale de materie și antimaterie și, din acest motiv, se întreabă unde a dispărut antimateria și dacă a rămas ceva de la începutul universului.

Una dintre explicații este că la început a existat doar puțin mai multă materie decât antimaterie, astfel încât ceea ce a rămas după ce majoritatea materiei și antimateriei s-au anihilat în energie a devenit universul format în mare parte din materie pe care îl vedem astăzi. O altă teorie este că există o mulțime de antimaterie în cealaltă parte a universului, ascunsă mult dincolo de vederea noastră. Acestea ar fi putut să își formeze propriile galaxii și sisteme solare.

Utilizează

Deoarece antimateria poate produce atât de multă energie, ea poate fi folosită pentru o mulțime de lucruri, cum ar fi combustibil pentru a merge în spațiul cosmic sau în mașinile noastre. Problema este că antimateria este foarte costisitoare pentru a o produce și aproape la fel de costisitoare pentru a o stoca, deoarece nu poate atinge materia obișnuită. Este nevoie de câteva sute de milioane de dolari pentru a produce mai puțin de o milionime de gram de antimaterie. De fapt, este cea mai scumpă și cea mai rară substanță de pe Pământ. Deoarece este atât de scumpă, antimateria nu poate fi folosită ca armă sau ca sursă de energie, deoarece se poate obține o cantitate foarte mică.

Recent, însă, oamenii de știință au prins antimaterie timp de peste 16 minute (1000 de secunde în total).

Are o utilizare în medicină, deoarece un tip special de scaner numit PET, care înseamnă tomografie cu emisie de pozitroni, folosește pozitroni pentru a intra în corpul uman. Medicii pot observa modul în care pozitronii se transformă în energie în interiorul corpului unei persoane și pot spune dacă ceva nu este în regulă în interiorul unei persoane. Acest tip de aparat funcționează diferit de un aparat cu raze X sau de un aparat de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN) și îi poate ajuta pe medici să vadă lucruri pe care aceste alte aparate nu le pot vedea.