Evren inanılmaz sırlarla doludur. Kara delikler ürkütücü, "karanlık madde" paradoksu, öngörülemeyen çift yıldızlar. Elbette en meşhur ve merak uyandıran bulmacalardan biri, “içeriden” maddeden oluşan antimaddedir. Bu fenomenin keşfi, geçen yüzyılda fiziğin en önemli başarılarından biridir.
Bu noktaya kadar, bilim adamları, temel parçacıkların, evrenin yeniden doğmayan ve bir daha asla kaybolmayan temel ve değişmez yapı taşları olduğuna ikna oldular. Bu sıkıcı ve karmaşık olmayan resim, negatif yüklü elektronun ve dünya karşıtı pozitrondan muadili ile karşılıklı olarak imha edildiklerinde, enerji kuvveti doğurdukları ortaya çıktığında geçmişte kaldı. Ve daha sonra, genel olarak temel parçacıkların birbirine dönüşmek ve en tuhaf şekillerde olmak istediği ortaya çıktı. Antimaddenin keşfi, evrenin özellikleri hakkındaki fikirlerin radikal bir dönüşümünün başlangıcıydı.
Antimadde uzun zamandır bilim kurguların en çok sevdiği bir konu olmuştur. Star Trek kültünden gelen Enterprise gemisi, galaksiyi ele geçirmek için bir anti-madde motoru kullanıyor. Dan Brown'ın Angels and Demons adlı kitabında ana karakter Roma'yı bu maddeye dayanarak yarattığı bombadan kurtarıyor. Maddenin antimadde ile etkileşimi ile elde edilen tükenmez enerji miktarını zedeleyen insanlık, en cesur bilim kurgu yazarlarının tahminlerinden daha üstün bir güç kazanacaktır. Galaksiyi geçmek için birkaç kilogram karşıtı madde yeterlidir.
Ancak silah ve uzay aracının yaratılmasından önce hala çok uzak. Halen, bilim, antimaddenin varlığının ve özelliklerinin çalışmasının teorik olarak doğrulanması ile ilgilidir ve bilim adamları, aşırı durumlarda düzinelerce deneylerinde yüzlerce atom kullanırlar. Yaşamlarının süresi saniyeler içinde hesaplanır ve deneylerin maliyeti on milyonlarca dolardır. Fizikçiler, antimadde bilgisinin Evrenin evrimini ve Büyük Patlama'dan hemen sonra meydana gelen olayları daha iyi anlamamıza yardımcı olacağına inanıyor.
Anti madde nedir ve özellikleri nelerdir?
Antimadde, anti parçacıklardan oluşan özel bir maddedir. Sıradan protonlar ve elektronlar ile aynı sıkma ve kütleye sahiptirler, ancak elektrik ve renk yükünün, baryon ve lepton kuantum sayısının işareti ile onlardan farklıdırlar. Basit bir ifadeyle, sıradan madde atomları, pozitif yüklü çekirdeklerden ve negatif elektronlardan oluşuyorsa, karşıt madde tam tersidir.
Maddenin ve antimaddenin etkileşmesinde, imha, fotonların veya diğer partiküllerin serbest bırakılmasıyla oluşur. Aynı zamanda alınan enerji çok büyük: birkaç gramlık bir patlama için bir gram antimadde yeterli.
Modern kavramlara göre, madde ve antimadde aynı yapıya sahiptir, çünkü onu belirleyen kuvvet ve elektromanyetik etkileşimler hem parçacıklar hem de "ikizler" üzerinde kesinlikle aynı şekilde hareket eder.
Antimaddenin bir çekim kuvveti yaratabileceğine inanılmaktadır, ancak bu gerçek henüz kesin olarak kanıtlanmamıştır. Teorik olarak, yerçekimi madde ve antimadde üzerinde aynı şekilde etki etmelidir, ancak bu henüz deneysel olarak belirlenmemiştir. Şimdi bu konuda ALPHA, AEGIS ve GBAR projelerinde çalışıyorlar.
2015'in sonunda, RHIC çarpıştırıcısını kullanarak, bilim adamları antiprotonlar arasındaki etkileşimin gücünü ölçebildiler. Protonların benzer özelliklerine eşit olduğu ortaya çıktı.
Şu anda, mevcut tüm temel parçacıkların "ikizleri", şarj konjugasyonu sırasında kendilerine dönüşen "gerçek anlamda nötr" olanlar hariç, bilinmektedir. Bu parçacıklar şunları içerir:
- foton;
- Higgs bozonu;
- nötr pi meson;
- bu meson;
- gravitron (henüz keşfedilmedi).
Antimadde sandığınızdan çok daha yakın. Bununla birlikte, antimaddenin kaynağı çok da güçlü olmayan sıradan muzlardır. Pozitron oluşturmak için çürüyen izotop potasyum-40'ı içerirler. Bu yaklaşık 75 dakikada bir olur. Bu element aynı zamanda insan vücudunun bir parçasıdır, böylece her birimize bir anti-partikül jeneratörü denebilir.
Arka plandan
İngiliz bilimci Arthur Schuster, ilk kez, 19. yüzyılın sonunda "farklı bir işaret ile" maddenin var olduğu fikrini itiraf etti. Bu konuyla ilgili yayınlanması oldukça belirsizdi ve herhangi bir kanıt içermiyordu, büyük olasılıkla, bilim adamının hipotezi bir elektronun son keşfi tarafından tetiklenmişti. “Antimadde” ve “antiatom” terimlerini bilimsel kullanıma sokan ilk kişi oldu.
Deneysel olarak, anti-elektron resmi keşfedilmeden önce elde edildi. Bu, Sovyet fizikçi Dmitry Skobeltsinu tarafından geçen yüzyılın 20'li yıllarında yapıldı. Wilson'ın odasındaki gama ışınlarını incelerken garip bir etkisi oldu, ancak açıklayamadı. Şimdi fenomenin bir partikül ve bir anti-partikül ortaya çıkmasından kaynaklandığını biliyoruz - bir elektron ve bir pozitron.
1930'da, bir elektronun göreceli hareket denklemi üzerine çalışan ünlü İngiliz fizikçi Paul Dirac, aynı kütleye sahip, ancak tam tersi bir yükle yeni bir parçacık varlığını öngördü. O zaman, bilim adamları sadece bir pozitif parçacık tanıyorlardı - bir proton, ancak bir elektrondan binlerce kez daha ağırdı, bu yüzden Dirac tarafından elde edilen verileri yorumlayamadılar. İki yıl sonra, Amerikan Anderson uzaydan gelen radyasyon çalışmasında bir elektronun “ikizini” keşfetti. Pozitron çağırdı.
Geçen yüzyılın ortalarında, fizikçiler bu antipartikülü incelemek için iyi zaman geçirdiler, hazırlanmalarının birkaç yolu geliştirildi. 1950'lerde, bilim adamları bir antiproton ve bir anti-nötron keşfettiler, 1965'te bir anti-deuteron elde edildi ve 1974'te Sovyet araştırmacıları helyum ve trityumun bir anti-çekirdeğini sentezlemeyi başardılar.
60'lı ve 70'li yıllarda, üst atmosferdeki antipartiküller, balonları bilimsel ekipmanlarla kullanmak için arandı. Bu grup Nobel ödüllü Luis Alvarets tarafından yönetildi. Toplamda, yaklaşık 40 bin parçacık “yakalandı”, ancak hiçbirinin antimadde ile ilgisi yoktu. 2002'de, Amerikalı ve Japon fizikçiler benzer bir araştırmaya başladılar. 23 kilometreye kadar devasa bir BESS balonu (hacim 1.1 milyon m3) başlattılar. Ancak, deneyin 22 saatinde bile, en basit parçacıkları bile tespit edemediler. Daha sonra benzer deneyler Antarktika'da yapıldı.
90'lı yılların ortalarında Avrupalı bilim adamları iki parçacıktan oluşan bir antihidrojen atomu elde etmeyi başardılar: bir pozitron ve bir antiproton. Son yıllarda, bu elementin çok daha büyük bir miktarını sentezlemek mümkün olmuş, bu da özelliklerinin çalışılmasında ilerlemeyi mümkün kılmıştır.
2005 yılında, Uluslararası Uzay İstasyonu'na (ISS) hassas bir anti madde dedektörü kuruldu.
Uzayda Antimadde
Pozitron Paul Dirac'ın keşfi, evrende tamamen antimaddeden oluşan tüm alanların olduğuna inanıyordu. Bu konuda Nobel konferansında konuştu. Fakat şimdiye kadar bilim adamları böyle bir şey bulamadı.
Elbette, uzayda anti parçacıklar var. Pek çok yüksek enerjili işlem nedeniyle doğarlar: süpernova patlamaları veya termonükleer yakıtın yanması, kara delikler veya nötron yıldızlarının etrafındaki plazma bulutlarında meydana gelir, yıldızlararası uzayda yüksek enerjili parçacıkların çarpışmalarında doğar. Dahası, küçük bir miktar antipartikül gezegenimizde yağmurla sürekli "akar". Bazı radyonüklidlerin çürümesine de pozitron oluşumu eşlik eder. Fakat yukarıdakilerin hepsi sadece antipartiküllerdir, fakat antimadde değildir. Şimdiye kadar, araştırmacılar uzayda helyum karşıtı bile olsa, daha ağır elemanlardan ne söyleyebileceklerini bulamadılar. Madde ve antimaddelerin çarpışmasındaki yok etme sürecine eşlik eden belirli gama ışınımı arayışının başarısızlığı.
Bugün mevcut olan verilere bakıldığında, antigalaxies, anti-stars veya diğer büyük antimadde nesneleri yoktur. Ve bu çok garip: Big Bang teorisine göre, Evrenimizin doğumunda, aynı miktarda madde ve antimadde ortaya çıktı ve sonuncusunun nereye gittiği belirsizdi. Şu anda, bu fenomen için iki açıklama var: ya anti-madde patlamadan hemen sonra ortadan kayboldu ya da evrenin uzak bölgelerinde var oldu ve henüz henüz keşfetmedik. Bu asimetri, modern fiziğin en önemli çözülmemiş problemlerinden biridir.
Evrenimizin yaşamının ilk evrelerinde, madde ve anti madde miktarının neredeyse çakıştığına dair bir hipotez var: her milyar antiproton ve pozitron için, emsallerinin çoğunun yanı sıra bir "ekstra" proton ve elektron vardı. Zaman içinde, yok etme sürecinde madde ve antimadde kütlesi yok oldu ve bugün bizi çevreleyen her şey fazlasıyla ortaya çıktı. Doğru, "ekstra" parçacıkların nerede ve neden ortaya çıktığı tamamen belli değil.
Anti madde almak ve bu işlemin zorlukları
1995 yılında bilim insanları sadece dokuz atom antihidrojen oluşturmayı başardılar. Birkaç düzine nanosaniye için var oldular ve sonra yok edildi. 2002 yılında, partikül sayısı zaten yüzlerce idi ve yaşamları birkaç kez arttı.
Antiparticle, bir kural olarak, olağan “ikili” ile birlikte doğar. Örneğin, bir pozitron-elektron çifti elde etmek için, bir gama-kuantumun atom çekirdeğinin elektrik alanı ile etkileşimi gereklidir.
Anti madde almak - çok zahmetli. Bu işlem hızlandırıcılarda meydana gelir ve antipartiküller yüksek vakum koşulları altında özel depolama halkalarında depolanır. 2010 yılında, fizikçiler ilk defa 38 anti-hidrojen atomunu özel bir tuzağa düşürmeyi ve 172 milisaniye boyunca tutmayı başardılar. Bunu yapmak için, bilim adamları 30 bin antiprotonu -70 ° C'nin altındaki sıcaklıklara ve iki milyon pozitronu -230 ° C'ye soğutmak zorunda kaldılar.
Ertesi yıl, araştırmacılar sonuçları önemli ölçüde iyileştirebildi: antipartiküllerin ömrünü bin saniyeye çıkarmak. Gelecekte, antimadde için anti yerçekimi etkisinin yokluğu veya varlığını bulmayı planlıyoruz.
Antimadde depolaması sorunu fizikçiler için gerçek bir baş ağrısıdır, çünkü antiprotonlar ve pozitronlar herhangi bir sıradan madde parçacığı ile karşılaştıklarında anında yok olurlar. Onları korumak için, bilim adamları bir felaketi önleyebilecek akıllı cihazlar icat etmek zorunda kaldılar. Yüklü antipartiküller, minyatür bir hızlandırıcıya benzeyen Penning tuzağı olarak adlandırılır. Güçlü manyetik ve elektrik alanları, pozitronların ve antiprotonların cihazın duvarlarıyla çarpışmasını önler. Bununla birlikte, böyle bir cihaz, bir antihidrojen atomu gibi nötr nesnelerle çalışmaz. Bu durumda, Joffe tuzağı geliştirilmiştir. Anti-atomların içinde tutulması manyetik alan nedeniyle oluşur.
Antimaddenin maliyeti ve enerji verimliliği
Antimadde edinme ve depolama zorluğu göz önüne alındığında, fiyatının çok yüksek olması şaşırtıcı değildir. NASA hesaplamalarına göre, 2006 yılında bir miligram pozitron yaklaşık 25 milyon dolara mal oldu. Daha önceki verilere göre, bir gram anti-hidrojen 62 trilyon dolar olarak tahmin edildi. Yaklaşık olarak aynı rakamlar, CERN’li Avrupalı fizikçiler tarafından da verilmektedir.
Potansiyel olarak anti madde, ultra verimli ve çevre dostu ideal bir yakıttır. Sorun şu ana kadar insanlar tarafından yaratılan tüm antimaddelerin en az bir fincan kahveyi kaynatmaya yetecek kadar olmaması.
Bir gram antimaddenin sentezi, 25 milyon milyar kilowatt-saat enerji gerektirir; bu, bu maddenin herhangi bir pratik kullanımını basitçe saçma yapar. Belki bir gün onunla yıldız gemilerine yakıt ikmali yaparız, ancak bunun için daha basit ve daha ucuz alma ve uzun süreli depolama yöntemleri bulmanız gerekir.
Mevcut ve gelecek vaat eden uygulamalar
Günümüzde antimadde, pozitron emisyon tomografisi sırasında tıpta kullanılmaktadır. Bu yöntem, iç organların görüntülerini yüksek çözünürlükte elde etmenizi sağlar. Potasyum-40 gibi radyoaktif izotoplar, glikoz gibi organik maddelerle birleştirilir ve hastanın dolaşım sistemine enjekte edilir. Orada vücudumuzdaki elektronlarla buluştuğunda yok olan pozitronları yayarlar. Bu işlem sırasında elde edilen gama radyasyonu, araştırılan organ veya dokunun bir görüntüsünü oluşturur.
Antimadde, kanser için olası bir çare olarak da incelenmektedir.
Antimadde kullanımı, elbette, büyük bir söz verdi. Gerçek bir enerji devrimine yol açabilir ve insanların yıldızlara ulaşmasına izin verebilir. Kurgu romanlarının en sevdiği paten, süper hızlarla seyahat etmelerini sağlayan çözgü motorları olan yıldız gemileridir. Bugün bu tür kurulumların matematiksel modelleri var ve çoğu çalışmalarında anti madde kullanıyor.
Superlight uçuşları ve hiper-uzay olmadan daha gerçekçi öneriler var. Örneğin, antiproton bulutunun içine bir kapsül uranyum-238'in döteryum ve helyum-3 ile atılması önerilmektedir. Projenin geliştiricileri, bu bileşenlerin etkileşiminin, ürünleri manyetik bir alan tarafından motor ağızlığına yönlendirilen bir termonükleer reaksiyonun başlamasına yol açacağına ve gemiye önemli bir çekiş sağlayacağına inanıyor.
Amerikalı mühendisler bir ay içinde Mars'a olan uçuşlar için antiprotonlar tarafından tetiklenen nükleer fisyonu kullanmayı öneriyorlar. Hesaplarına göre, böyle bir yolculuk için bu parçacıkların yalnızca 140 nanogramı gereklidir.
Madde yok etme işlemi sırasında salınan enerji miktarı dikkate alındığında, bu madde, bombaları ve diğer patlayıcı nesneleri doldurmak için mükemmel bir adaydır. Küçük bir miktar antimadde bile, nükleer bombaya eşdeğer bir mühimmat oluşturmak için yeterlidir. Ancak bu konuda endişelenmek için erken olsa da, çünkü bu teknoloji gelişiminin ilk aşamasındadır. Önümüzdeki yıllarda bu tür projelerin gerçekleştirilmesi muhtemel değildir.
Bu arada, anti madde, her şeyden önce, dünyamızın yapısı hakkında çok şey söyleyebilecek olan teorik bilim çalışmasının konusudur. Bu durumun endüstriyel ölçekte elde edilmesini ve güvenilir bir şekilde tasarruf edilmesini öğrenene kadar değişmesi muhtemel değildir. Ancak o zaman bu maddenin pratik kullanımı hakkında konuşabiliriz.
