Antymateria, czyli moc jest z nami

Antymateria jeszcze do nie dawna mogła kojarzyć się głównie z gatunkiem science-fiction. Wiemy jednak, że ona naprawdę istnieje, można ją wytwarzać, a w dalekiej przyszłości, być może, stanie się podstawowym paliwem naszej cywilizacji.

Brzmi groźnie, kojarzy się z dużymi wybuchami. Słusznie. Co powinniśmy wiedzieć o antymaterii?

1. Wytwór pięknej matematyki

Paul Dirac w roli głównej

Odkrycie antymaterii po dziś dzień jest uważane za sztandarowy przykład triumfu fizyki teoretycznej. Brytyjski badacz mechaniki kwantowej, Paul Dirac, z pomocą kartki i ołówka ukuł wiele koncepcji, które zmieniły spojrzenie na świat małych obiektów. Jego najważniejsze rozważania dotyczyły elektronu – drobnej, ujemnie naładowanej cząstki obecnej w każdym atomie materii.

Przedzierając się przez skomplikowane równania, niejako przy okazji, Dirac wpadł na kontrowersyjny pomysł istnienia czegoś na kształt lustrzanego odbicia elektronu. Oczywiście nikt wtedy o takim tworze nie słyszał, a przyszły noblista wywiódł swoje rozumowanie wyłącznie na podstawie matematyki i wiary w symetrię wszechświata. – Bóg zastosował piękną matematykę przy stworzeniu świata. Toteż każda cząstka powinna posiadać własnego brata bliźniaka – twierdził.

Zamysł teoretyka podchwycił fizyk eksperymentalny, Carl Anderson i ku zaskoczeniu naukowej społeczności osiągnął sukces już w 1932 roku, cztery lata po opublikowaniu prac Diraca. Anderson odnalazł cząstki wyglądające i zachowujące się dokładnie jak elektron; mające identyczną masę i spin, ale… o przeciwnym ładunku elektrycznym. Podczas gdy elektrony znajdujące się w naszych ciałach posiadają ładunek ujemny, antyelektrony (nazywane częściej pozytonami) noszą ładunek dodatni. Uczonych dzielił już tylko krok od dowiedzenia istnienia lustrzanych odbić wszystkich znanych cząstek elementarnych.

2. Energia z antymaterii?

Einsteinowski wzór E=mc^2 obił się o uszy każdemu. Częstokroć za praktyczny przejaw działania zasady przemienności masy na energię, podaje się procesy nuklearne bądź termojądrowe. To prawda, ale tylko do pewnego stopnia, bowiem ani reakcja łańcuchowa ani synteza nie wyczerpują potencjału drzemiącego w swoim paliwie. Konkretniej, podczas niby-wydajnego wybuchu termojądrowego, przekształcamy w energię mniej niż promil dostępnej masy. Nawet potężne gwiazdy, na każdy kilogram przemielonego wodoru, zaledwie 7 gramów wypromieniowują pod postacią światła i ciepła.

Najbardziej efektywnym zastosowaniem formuły Einsteina wydaje się anihilacja. Krótko mówiąc polega ona na tym, iż każda cząstka wpadając na swoje lustrzane odbicie zamienia się w fontannę fotonów. W zasadzie 100% masy zostaje przekształcone w czystą energię (to delikatna przesada – jakiś ułamek ucieka jeszcze pod postacią neutrin).

Potencjalna bomba zawierająca grudkę antymaterii spowodowałaby zniszczenia setki razy większe od legendarnej rosyjskiej Car Bomby. Aż trudno wyobrazić sobie spotkanie dwóch ciał niebieskich – np. dwóch gwiazd – złożonych z materii i antymaterii. Takie zdarzenie nieźle wstrząsnęłoby niebiosami: eksplozja byłaby jaśniejsza niż kilka milionów galaktyk razem wziętych!

Czy zatem czeka nas era energetyki opartej o antycząstki? Niewykluczone, choć nasze pokolenie raczej nie ma co liczyć na nowatorskie napędy statków kosmicznych. Pomijając kwestie techniczne, wytwarzanie antymaterii oraz jej przechowywanie odbywa się współcześnie na bardzo małą skalę. Produkcja przemysłowa wymagałaby niewyobrażalnych nakładów finansowych idących w grube biliony dolarów.

3. Antymaterii i materii było tyle samo

Był okres w historii wszechświata, w którym wypełniała go gigantyczna ilość antymaterii. Ten moment miał miejsce około jednej kwintylionowej sekundy po wielkim wybuchu, gdy w przestrzeni rozgrzanej do białości wysokoenergetycznymi fotonami gamma, spontanicznie wytrącały się siostrzane pary cząstek elektron-pozyton. Pod koniec sekundy nastąpił jednak nie do końca jasny proces, podczas którego niemal wszystkie antycząstki zniknęły. Naukowcy są pewni, że musiało dojść do wielkiej kosmicznej batalii: niemal równe ilości materii i antymaterii wchodziły ze sobą w burzliwe interakcje, na powrót anihilując w czystą energię. Innymi słowy – dochodziło do permanentnych eksplozji.

Bitwę wygrała materia, czego jesteśmy żywym dowodem. Jakiś czynnik musiał przechylić szalę zwycięstwa, powodując niewielką nadwyżkę cząstek nad antycząstkami. Tutaj jednak warto zwrócić uwagę, że mówienie o materii „zwykłej” i antymaterii to tylko nasza konwencja. Prawdopodobnie, równie dobrze mógłby istnieć świat oparty o pozytony i antykwarki. Według uczonych zamieszkujących taki hipotetyczny (anty)świat, to Ziemia i nasze ciała byłyby złożone z egzotycznej i niebezpiecznej antymaterii.

4. Antyatom antywodoru

Wielki Zderzacz Hadronów… robi wrażenie

Antycząstki wytwarza się dość łatwo, lecz jedynie w śladowej ilości. Właściwie za każdym razem, gdy fizycy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów lub innym akceleratorze rozkwaszają cząstki, wśród otrzymanych w wyniku kolizji pozostałości, mogą natrafić na pojedyncze pozytony, antyprotony i tak dalej. Obecna technika pozwala również na złapanie tych cząstek w pułapkę silnego pola magnetycznego. Niestety z wiązki kilkudziesięciu miliardów cząstek elementarnych, możemy wyodrębnić zaledwie kilka tuzinów antycząstek – nie jest to więc metoda zbyt praktyczna.

Naukowcy nie dają jednak za wygraną i wciąż pogłębiają swoją wiedzę. Dzięki temu już od dwudziestu lat potrafimy wytwarzać nie tylko pojedyncze antycząstki, ale również otrzymywać całe… antyatomy! Na razie najlepiej idzie nam konstruowanie najprostszego antypierwiastka, tj. antywodoru. Analogicznie do zwykłego wodoru złożonego z jednego protonu okrążanego przez jeden elektron, antywodór jest zbudowany z jednego, ujemnie naładowanego antyprotonu i okrążającego go pozytonu o dodatnim ładunku elektrycznym. Obecnie fizycy pracują nad tym aby wydłużyć czas życia antywodoru (który najczęściej anihiluje po kilku nanosekundach) oraz złożeniem odpowiedników bardziej skomplikowanych pierwiastków.

5. Zagubieni w czasie

Cząstki i antycząstki są identyczne, a całe rozróżnienie wprowadzamy na podstawie odwrotności jednej cechy. Czy powinniśmy przyjąć świat jaki jest i uznać, że nie występuje jakiś powód istnienia tej zdumiewającej symetrii? Wielu mądrych ludzi długo zastanawiało się nad interpretacją natury antymaterii, dochodząc do różnorakich wniosków. Chyba najciekawszą wizję naszkicowali dwaj wybitni amerykańscy uczeni: John Wheeler i noblista Richard Feynman.

Nanosząc elektrony i pozytony na układ współrzędnych, jako poruszające się zarówno w czasie jak i przestrzeni strzałki, badacze doznali olśnienia. Zauważyli, że nic nie stoi na przeszkodzie aby uznać antycząstki za drobiny materii… cofające się w czasie! Tym samym elektron i pozyton byliby bliźniakami stojącymi po przeciwnych stronach osi czasu.

Spotkanie osobliwego rodzeństwa owocuje jedynym sensownym zdarzeniem: anihilacją, czyli zamianą przeciwnych cząstek w „neutralne” względem czasu fotony. To tylko interpretacja i nie ma większego znaczenia praktycznego, ale nawet same filozoficzne konsekwencje tego pomysłu, należy uznać za co najmniej intrygujące!

Bibliografia:

  • D. Goldsmith, N. deGrasse Tyson, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, tłum. P. Rączka, Warszawa 2007;
  • M. Kaku, Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku, tłum. K. Pesz, Warszawa 2010;
  • Antymateria – gdzie ona jest?, http://www.polsl.pl/LHC/Strony/Antymateria%E2%80%93gdzieonajest.aspx.
  • Elektron i pozyton, czyli bliźniacy zagubieni w czasie, http://www.kwantowo.pl/2014/02/elektron-i-pozyton-czyli-blizniacy-zagubieni-w-czasie/
Udostępnij: