Vi lever i et univers, hvor der er meget stof, og stort set er der ikke noget antimaterie overhovedet. To af vores læsere vil gerne vide, hvad antimaterie er, og en fysiker giver dem et svar på dette spørgsmål.
Antistof. Fra dette ord indånder fascinerende bøger og film, hvor skurke får sprængstoffer fra antimaterie eller rumskibe rejser med sådan brændstof.
Men hvad er dette stof - hvad er i det væsentlige antimateriale?
Læserne af Wiedenskub vil gerne vide dette meget. De har læst nogle af de mange artikler, vi har offentliggjort om fysikernes eksperimenter med antimaterie, men de vil meget gerne vide mere.
Først må vi præcisere, at fysikernes antimaterie ikke bør forveksles med de antistoffer, der er kendt for os fra biologi og medicin. Der antistoffer (også kaldet immunoglobuliner) er specielle proteinforbindelser, der er en del af kroppens forsvar mod sygdomme. De kan binde til fremmede molekyler og dermed beskytte kroppen mod mikroorganismer og vira.
Men her vil vi ikke tale om dem. Vi kontaktede en videnskabsmand fra fysikens verden: Nikolaj Zinner, lærer ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet, vil med glæde fortælle os om antimateriale.
Stof med modsat ladning
Salgsfremmende video:
”Alle de partikler, som vi ved, er i naturen, alt, hvad vores verden består af, findes i varianter med den modsatte ladning. Dette er antimaterie,”siger Nikolai Sinner.
”Antimatter ser nøjagtigt den samme og har den samme masse som almindeligt stof, men det har nøjagtigt den modsatte ladning. For eksempel har positivt ladede positroner negativt ladede elektroner. Positroner er antipartikler af elektroner."
Så der er intet fundamentalt usædvanligt ved antimaterie. Det er bare et stof med en modsat ladning i forhold til stoffet i det miljø, som vi normalt findes i. Men hvorfor der er så lidt af det, er bare et mysterium, og vi vil vende tilbage til dette senere.
”I hverdagen støder vi ikke på antimaterie, men det forekommer i mange situationer, for eksempel under radioaktivt henfald, under påvirkning af kosmisk stråling og i acceleratorer. Det forsvinder bare meget hurtigt igen. Når en positron møder et elektron, er resultatet ren energi i form af to højenergi-lyspartikler - kvanta.
Forsvinder med et blinklys
”Her er en elektron og en positron, de har modsatte ladninger, så de tiltrækker. De kan komme meget tæt på hinanden, og når dette sker, smelter de sammen og danner to fotoner. Dette er en konsekvens af naturlovene - siger Nikolai Sinner. "Massen af to partikler omdannes til energi i form af to partikler - kvanta af gammastråling."
”Hvis du havde meget antimaterie, og du lod det komme i kontakt med almindeligt stof, ville du få en meget kraftig reaktion. Og vice versa: energi kan omdannes til stof og antimaterie, og dette sker i partikelacceleratorer."
Brugt i medicinske scannere
Det er dette fænomen, når mødet mellem stof og antimaterie fører til deres forsvinden og frigørelse af energi, er sandsynligvis den første ting, der fascinerer forfatterne af science fiction.
For eksempel spiller antimaterie en vigtig rolle i Dan Browns engle og dæmoner, og i Star Trek kører interstellare skibe på antimaterie.
Men i den virkelige verden har antimaterie en mere fredelig anvendelse.
Antimaterialet i form af positroner fra forfaldet af radioaktive materialer bruges på hospitaler i PET (positron emission tomography) scannere, som kan tage billeder af indre organer og opdage usunde processer i dem.
”Så antimaterie er ikke så mystisk. Dette er en del af naturen, som vi nyder at bruge,”siger Nikolai Sinner.
Vi udsætter os også for antimaterie ved at spise bananer. De indeholder kalium, som er let radioaktiv og frigiver positroner, når det forfalder. Cirka hvert 75 minut udsender en banan en positron, der hurtigt kolliderer med et elektron, og de bliver til to gammafotoner.
Men alt dette er absolut ikke farligt. For at få en dosis stråling, der svarer til hvad vi får, når vi tager et røntgenbillede, bliver vi nødt til at forbruge flere hundrede bananer.
Det blev forudsagt allerede før opdagelsen
Du kan bedre forstå, hvad antimaterie er, hvis du ser på historien om dens opdagelse. Interessant nok blev antistoffer forudsagt, allerede før det blev opdaget.
I 1920'erne viste det sig, at en ny teori kaldet kvantemekanik var perfekt til at beskrive de mindste partikler af stof - atomer og elementære partikler. Men det var ikke så let at kombinere kvantemekanik med det andet store teori i det 20. århundrede, relativitetsteorien.
Den unge britiske fysiker Paul Dirac skyndte sig at løse dette problem og formåede at udlede en ligning, der kombinerer kvantemekanik med særlig relativitet.
Ved hjælp af denne ligning blev det muligt at beskrive en elektron bevægelse, selvom dens hastighed nærmet sig lysets hastighed.
Men ligningen forberedte en overraskelse. Han havde to løsninger, ligesom ligningen "x² = 4": x = 2 og x = -2 ". Det vil sige, det kunne ikke kun beskrive det velkendte elektron, men også en anden partikel - en elektron med negativ energi.
Opdaget i Wilsons celle
Derefter vidste de intet om partikler med negativ energi, og Paul Dirac fortolkede hans opdagelse som følger: der kan være en partikel, der er nøjagtigt den samme som et elektron, med undtagelse af den modsatte ladning.
Hvis elektronet har en negativ ladning, skal der være en tilsvarende partikel med en positiv ladning. I henhold til beregninger skal den samme regel gælde for alle elementære partikler, det vil sige generelt alle de partikler, der udgør verden.
Og så begyndte jagten på anti-elektron. Den amerikanske fysiker Carl Anderson brugte et tåge kamera (alias Wilsons kamera) til at registrere spor af partikler fra rummet, der har den samme masse som et elektron, men med den modsatte ladning.
Sådan blev Diracs antielektron opdaget, der blev benævnt positron - kort for "positiv elektron". Fra det øjeblik blev trin for trin nye antipartikler opdaget.
Universet var ren energi i begyndelsen
Dirac foreslog, at fjerne stjerner - måske halvdelen af alt, hvad vi ser på himlen - kan være sammensat af antimaterie, ligegyldigt. Dette følger for eksempel fra hans tale, som han holdt, mens han accepterede Nobelprisen i fysik i 1933.
Men i dag ved vi, at alt i universet kun består af materie og ikke af antimaterie. Og dette er virkelig mystisk, for i begyndelsen af universets eksistens skulle der have været omtrent den samme mængde af begge, forklarer Nikolai Sinner.
”Hvis vi begynder at spole tilbage til universets udvikling, vil energien blive mere og mere. Tætheden vil stige, temperaturen stige. Endelig vil alt blive til ren energi - energibærende eller tvinge partikler som fotoner. Dette var begyndelsen på universet i henhold til vores mest almindelige kosmologiske teorier."
”Og hvis vi igen går videre fra dette referencepunkt, bliver energien på et tidspunkt nødt til at begynde at omdanne sig til stof. Det er perfekt muligt at skabe stof ud fra ren energi, men i dette tilfælde får du lige så meget antimaterie som stof. Det er problemet - du ville forvente den samme mængde af begge."
”Der skal være nogen naturlov, der er ansvarlig for det faktum, at der i dag er mere stof end antimaterie. Og intet mere kan siges om denne ubalance. Og så denne asymmetri kunne forklares."
Neutrinos vil hjælpe med at løse gåden
Det store spørgsmål er, hvor man i naturlovene skal kigge efter årsagen til sejr af materie over antimaterie. Fysikere forsøger at finde ud af dette gennem eksperimenter.
På CERN Research Center i Schweiz produceres og indfanges antimaterie i magnetiske felter, og gennem en række eksperimenter med antihydrogen forsøger fysikere at finde et svar på spørgsmålet om stof og antimateriale er nøjagtige spejlbilleder af hinanden.
Der er måske stadig en lille forskel mellem dem, med undtagelse af ladningen, og denne forskel vil hjælpe med at forklare, hvorfor der er så meget stof i universet i forhold til antimaterie.
Det lykkedes at skabe antihelium
Da antimateriale er meget sjældent og hurtigt forsvinder, når det støder på et stof, er der ingen antimateriale molekyler i naturen, og kun dets mindste molekyler kan oprettes.
I 2011 lykkedes det amerikanske forskere at skabe antihelium. Der var ikke større atomer.
Vi i Wiedenskab skrev meget om disse eksperimenter, som indtil videre viser, at antimaterie opfører sig på nøjagtig den samme måde som stof, som for eksempel er beskrevet i artiklen”Aarhus Scientist udførte de mest nøjagtige antihydrogenmålinger i historien”. Og måske vil løsning af denne gåte hjælpe os med at finde elementære partikler kaldet neutrinoer. Vi skrev om dette i artiklen "Iseksperiment vil afsløre stoffets hemmelighed."
”Vi kan håbe, at vi finder svaret i neutrinoen, fordi vi allerede ved, at det opfører sig underligt. Der er mange huller i fysik her, så det ville være klogt at begynde at grave her,”siger Nikolai Sinner.
Antimatter i sig selv er ikke så mystisk, men fysikere har endnu ikke fundet ud af, hvorfor der er så meget mere stof end antimaterie i universet i dag. De arbejder med dette spørgsmål.
Henrik Bendix