مضاد المادة: اختراق في الفيزياء أو تهديد لجميع الكائنات الحية؟

الإلكترون والبوزترون - أول جسيم مضاد للجسيمات تم اكتشافه بواسطة العلماء

الكون مليء بأسرار مدهشة. الثقوب السوداء المخيفة ، مفارقة "المادة المظلمة" ، النجوم المزدوجة غير المتوقعة. واحدة من أكثر الألغاز شهرة وإثارة للاهتمام ، بطبيعة الحال ، هي المادة المضادة ، وتتألف من مادة "من الداخل والخارج". اكتشاف هذه الظاهرة هو واحد من أهم إنجازات الفيزياء في القرن الماضي.

حتى هذه اللحظة ، كان العلماء مقتنعين بأن الجسيمات الأولية هي اللبنات الأساسية وغير القابلة للتغيير في الكون ، والتي لم تولد من جديد ولا تختفي أبداً. هذه الصورة المملة وغير المعقدة هي شيء من الماضي عندما اتضح أن الإلكترون المشحون سلبياً ونظيره من البوزيترون المضاد للعالم قد تم تدميرهما بشكل متبادل ، مما أدى إلى ارتفاع الكميات. وفي وقت لاحق أصبح من الواضح أن الجسيمات الأولية بشكل عام تتحول إلى بعضها البعض ، وفي أكثر الطرق غرابة. كان اكتشاف المادة المضادة بداية التحول الجذري للأفكار حول خصائص الكون.

لطالما كان مضاد المادة موضوعًا مفضلاً في الخيال العلمي. سفينة المؤسسة من عبادة ستار تريك تستخدم محرك مضاد لغزو المجرة. في كتاب دان براون الملائكة والشياطين ، ينقذ الشخصية الرئيسية روما من قنبلة تم إنشاؤها على أساس هذه المادة. بإخضاع كميات الطاقة التي لا تنضب ، والتي يتم الحصول عليها من خلال تفاعل المادة مع المادة المضادة ، ستكتسب البشرية القوة ، متفوقة على تنبؤات أكثر كتاب الخيال العلمي جرأة. يكفي بضعة كيلوغرامات من المادة المضادة لعبور المجرة.

ولكن قبل إنشاء الأسلحة والمركبات الفضائية لا يزال بعيدا جدا. في الوقت الحاضر ، يشارك العلم في الدليل النظري لوجود المادة المضادة ودراسة خصائصه ، ويستخدم العلماء العشرات في الحالات القصوى ، مئات الذرات في تجاربهم. يتم حساب وقت حياتهم في كسور من الثواني ، وتكلفة التجارب هي عشرات الملايين من الدولارات. يعتقد الفيزيائيون أن معرفة المادة المضادة ستساعدنا في فهم تطور الكون والأحداث التي حدثت فيه مباشرة بعد الانفجار الكبير.

سفينة من مسلسل Star Trek TV. لغزو المجرة ، يستخدم مضاد المادة

ما هي المادة المضادة وما هي خصائصها؟

مضاد المادة هو نوع خاص من المادة يتكون من جسيمات مضادة. لديهم نفس السبين والكتلة مثل البروتونات والإلكترونات العادية ، ولكن تختلف عنهم من خلال علامة على الشحنة الكهربائية واللون ، وعدد الكمون باريون و lepton. بعبارات بسيطة ، إذا كانت ذرات المادة العادية تتكون من نوى موجبة الشحنة والإلكترونات السالبة ، فإن مضاد المادة هو عكس ذلك.

في تفاعل المادة والمادة المضادة ، يحدث الفناء مع إطلاق الفوتونات أو الجسيمات الأخرى. الطاقة المتلقاة في نفس الوقت ضخمة: واحد جرام من المادة المضادة يكفي لتفجير عدة كيلوطن.

ووفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن المادة والمادة المضادة لها نفس البنية ، لأن القوة والتفاعلات الكهرومغناطيسية التي تحدد أنها تعمل متطابقة تمامًا على الجسيمات وعلى "توأماها".

ويعتقد أن المادة المضادة يمكن أن تخلق قوة جاذبية ، ولكن هذه الحقيقة لم تثبت بعد بشكل قاطع. نظريا ، يجب أن تعمل الجاذبية على المادة والمادة المضادة بالطريقة نفسها ، ولكن هذا لم يتحدد بعد على نحو تجريبي. وهم يعملون الآن على هذه المسألة في مشاريع ALPHA و AEGIS و GBAR.

في نهاية عام 2015 ، باستخدام مصادم RHIC ، تمكن العلماء من قياس قوة التفاعل بين ال antروتونات المضادة. اتضح أنها تساوي الخاصية المماثلة للبروتونات.

في الوقت الحاضر ، يعرف "التوأمان" لكل الجسيمات الأولية الموجودة تقريبا ، باستثناء ما يسمى "الجزيئات المحايدة حقا" ، التي تتحول إلى نفسها في سياق الاقتران المسؤول. هذه الجسيمات تشمل:

  • الفوتون.
  • بوزون هيجز
  • pi ميزون محايد؛
  • هذا الميزون
  • gravitron (لم يكتشف بعد).

مضاد المادة أقرب بكثير مما تعتقد. إن مصدر المادة المضادة ، ومع ذلك ، ليس شديد القوة ، هو الموز العادي. وهي تحتوي على نظير البوتاسيوم -40 ، الذي يتحلل لتشكيل البوزيترون. يحدث هذا مرة واحدة كل 75 دقيقة. هذا العنصر هو أيضا جزء من جسم الإنسان ، بحيث يمكن أن يسمى كل واحد منا مولد للجسيمات المضادة.

من الخلفية

لأول مرة ، اعترف العالم البريطاني آرثر شوستر بفكرة وجود المادة "بعلامة مختلفة" في نهاية القرن التاسع عشر. كان نشره حول هذا الموضوع غامضًا إلى حدٍّ ما ، ولم يتضمن أي دليل ، على الأرجح ، كانت فرضية العلماء مدفوعة بالاكتشاف الأخير للإلكترون. كان أول من أدخل المصطلحات "مضاد المادة" و "antiatom" في الاستخدام العلمي.

تجريبيًا ، تم الحصول على مضاد الإلكترون قبل اكتشافه الرسمي. قام بذلك الفيزيائي السوفييتي دميتري سكوبيلتسينو في العشرينات من القرن الماضي. حصل على تأثير غريب عند فحص أشعة جاما في غرفة ويلسون ، لكنه لم يتمكن من تفسير ذلك. الآن نحن نعلم أن الظاهرة ناجمة عن ظهور جسيم ومضاد جسيم مضاد - إلكترون وبوزيترون.

في عام 1930 ، تنبأ عالم الفيزياء البريطاني الشهير بول ديراك ، الذي يعمل على المعادلة النسبية للحركة للإلكترون ، بوجود جسيم جديد بنفس الكتلة ، لكن الشحنة المعاكسة. في ذلك الوقت ، عرف العلماء جسيمًا إيجابيًا واحدًا فقط - وهو بروتون ، ولكنه كان أثقل بألف مرة من الإلكترون ، لذلك لم يتمكنوا من تفسير البيانات التي حصل عليها ديراك. بعد عامين ، اكتشف الأمريكي أندرسون "التوأم" للإلكترون في دراسة الإشعاع من الفضاء. دعا البوزيترون.

بحلول منتصف القرن الماضي ، كان للفيزيائيين وقت جيد لدراسة هذا الجسيم المضاد ، وطورت عدة طرق لإعداده. اكتشف العلماء في الخمسينات وجود بروتون مضاد ومضاد للنيوترون ، وفي عام 1965 تم الحصول على مضاد للدوتيرون ، وفي عام 1974 ، تمكن الباحثون السوفييتون من تخليق نواة من الهيليوم والتريتيوم.

في 60s و 70s ، تم البحث في الجسيمات المضادة في الجو العلوي لاستخدام البالونات مع المعدات العلمية. هذه المجموعة كان يقودها الحائز على جائزة نوبل لويس ألفاريتس. إجمالاً ، تم ضبط حوالي 40 ألف جسيم ، ولكن لم يكن لأي منها أي علاقة بالمادة المضادة. في عام 2002 ، تناول الفيزيائيون الأمريكيون واليابانيون أبحاثًا مشابهة. أطلقوا بالون BESS ضخم (حجم 1.1 مليون متر مكعب) إلى ارتفاع 23 كيلومتر. ولكن حتى في 22 ساعة من التجربة ، فشلوا في الكشف حتى عن أبسط الجسيمات المضادة. أجريت تجارب مماثلة لاحقة في أنتاركتيكا.

في منتصف التسعينات ، تمكن العلماء الأوروبيون من الحصول على ذرة الهيدروجين المضاد المكونة من جزيئين: بوزيترون وبروتون مضاد. في السنوات الأخيرة ، كان من الممكن تجميع كمية أكبر بكثير من هذا العنصر ، مما مكن من التقدم في دراسة خصائصه.

ل "اصطياد" من الجسيمات المضادة ، وتستخدم حتى المركبة الفضائية.

في عام 2005 ، تم تركيب جهاز كشف حساس مضاد للمادة على محطة الفضاء الدولية (ISS).

مضاد المادة في الفضاء

يعتقد مكتشف البوزيترون بول ديراك أنه في الكون توجد مناطق كاملة تتكون بالكامل من المادة المضادة. تحدث عن هذا في محاضرته نوبل. لكن العلماء لم يتمكنوا حتى الآن من العثور على شيء مثله.

بالطبع ، توجد جسيمات مضادة في الفضاء. ولدت بسبب العديد من عمليات الطاقة العالية: انفجارات السوبرنوفا أو حرق الوقود الحراري النووي ، تحدث في الغيوم البلازمية حول الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية ، ولدت في تصادمات من جزيئات عالية الطاقة في الفضاء بين النجوم. وعلاوة على ذلك ، فإن كمية صغيرة من الجسيمات المضادة تتساقط باستمرار بسبب الأمطار على كوكبنا. ويرافق تآكل بعض النويدات المشعة أيضا تكوين بوزيترونات. لكن كل ما سبق هو فقط جسيمات مضادة ، ولكن ليس مضادًا للمادة. حتى الآن ، لم يتمكن الباحثون من العثور حتى على مضادات الهليوم في الفضاء ، وماذا يمكن الحديث عن عناصر أثقل. فشل البحث عن أشعة غاما محددة ، والتي تصاحب عملية الإبادة في تصادم المادة والمادة المضادة.

إذا حكمنا من خلال البيانات المتاحة اليوم ، لا توجد أي مضاد ، أو مضادات للنجوم أو غيرها من الأجسام المضادة الكبيرة. وهذا غريب جداً: وفقاً لنظرية الانفجار الكبير ، في وقت ولادة كوننا ، ظهر نفس المقدار من المادة والمادة المضادة ، وحيث ذهب آخرها غير واضح. حالياً ، هناك تفسيران لهذه الظاهرة: إما اختفى المادة المضادة مباشرة بعد الانفجار ، أو أنها موجودة في بعض الأجزاء البعيدة من الكون ، ونحن ببساطة لم نكتشفها بعد. مثل عدم التماثل هو واحد من أهم المشاكل التي لم تحل من الفيزياء الحديثة.

هناك فرضية مفادها أنه في المراحل المبكرة من حياة الكون ، تتطابق كمية المادة والمادة المضادة تقريبا: فبالنسبة لكل مليار من ال antروتونات المضادة وال posوزترونات ، كان هناك بالضبط عدد مماثل من نظرائهم ، بالإضافة إلى بروتون واحد إضافي وإلكترون. مع مرور الوقت ، اختفى الجزء الأكبر من المادة والمادة المضادة في عملية الإبادة ، وكل شيء يحيط بنا اليوم برز من الفائض. صحيح ، ليس من الواضح تماما لماذا ولماذا ظهرت الجسيمات "الزائدة".

الحصول على المادة المضادة وصعوبات هذه العملية

في عام 1995 ، تمكن العلماء من إنتاج تسعة ذرات من الهيدروجين المضاد. كانت موجودة لعدة عشرات من النانوثانية ، ثم أبيدت. في عام 2002 ، كان عدد الجسيمات بالفعل بالمئات ، وزاد عمرها عدة مرات.

والجسيم المضاد ، كقاعدة عامة ، يولد مع "المزدوج" المعتاد. على سبيل المثال ، للحصول على زوج بوزيترون-إلكترون ، يكون تفاعل جاما الكم مع المجال الكهربائي للنواة الذرية أمرًا ضروريًا.

الحصول على المادة المضادة - مزعجة للغاية. تحدث هذه العملية في المسرعات ، ويتم تخزين الجسيمات المضادة في حلقات تخزين خاصة تحت ظروف فراغ عالية. في عام 2010 ، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من احتجاز 38 ذرة مضادة للهيدروجين في فخ خاص وحجزها لمدة 172 مليثانية. للقيام بذلك ، كان على العلماء تبريد 30 ألف من ال antروتونات المضادة إلى درجات حرارة أقل من -70 درجة مئوية ومليوني بوزيترون إلى -230 درجة مئوية.

للحصول على مضاد المادة تحتاج إلى أكثر الأجهزة تعقيدا

في السنة التالية ، تمكن الباحثون من تحسين النتائج بشكل ملحوظ: لزيادة عمر الجسيمات المضادة إلى ألف ثانية كاملة. في المستقبل نخطط لمعرفة غياب أو وجود تأثير مضاد الجاذبية للمادة المضادة.

إن مسألة تخزين المادة المضادة هي صداع حقيقي لعلماء الفيزياء ، لأن البروتونات المضادة والبوزيترونات تقضي على الفور عندما تلاقي أي جزيئات من المادة العادية. للاحتفاظ بها ، كان على العلماء أن يخترعوا أجهزة ذكية يمكن أن تمنع وقوع كارثة. يتم تخزين الجسيمات المشحونة في ما يسمى مصيدة القلم ، والتي تشبه مسرع مصغر. تمنع الحقول المغناطيسية والكهربائية القوية البوزيترونات والبروتونات المضادة من الاصطدام بجدران الجهاز. ومع ذلك ، لا يعمل هذا الجهاز مع الكائنات المحايدة ، مثل ذرة الهيدروجين المضاد. لهذه الحالة ، تم تطوير فخ Joffe. إن احتجاز الذرات المضادة يحدث بسبب المجال المغناطيسي.

تكلفة المادة المضادة وكفاءتها في استخدام الطاقة

ونظراً لصعوبة الحصول على وتخزين المادة المضادة ، فليس من المستغرب أن يكون سعرها مرتفعاً للغاية. ووفقا لحسابات وكالة ناسا ، في عام 2006 ، يكلف واحد من الميجابايت من البوزيترونات حوالي 25 مليون دولار. ووفقًا للبيانات السابقة ، فقد قدر جرام مضاد للهيدروجين بنحو 62 تريليون دولار. يتم إعطاء نفس الأرقام تقريبًا من قبل الفيزيائيين الأوروبيين من CERN.

يمكن أن تكون المادة المضادة هي الوقود المثالي ، والكفاءة العالية ، والصديقة للبيئة. المشكلة هي أن كل المادة المضادة التي صنعها الناس حتى الآن بالكاد تكفي لتغلي فنجانا من القهوة على الأقل.

يتطلب تخليق جرام واحد من المادة المضادة 25 مليون بليون كيلو واط ساعة من الطاقة ، مما يجعل أي استخدام عملي لهذه المادة أمراً سخيفاً. ربما سنقوم في يوم من الأيام بتزويد السفن الحربية بالوقود ، ولكن لهذا تحتاج إلى التوصل إلى أساليب أبسط وأرخص لتلقي وتخزين طويل الأجل.

التطبيقات القائمة والواعدة

حاليا ، يتم استخدام مضاد للمادة في الطب ، خلال التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. تتيح لك هذه الطريقة الحصول على صورة للأعضاء الداخلية بدقة عالية. يتم الجمع بين النظائر المشعة مثل البوتاسيوم -40 مع المواد العضوية مثل الجلوكوز وحقن في نظام الدورة الدموية للمريض. هناك يبعثون بوزيترونات ، والتي يتم إبادة عندما يجتمعون مع الإلكترونات في أجسادنا. إشعاع غاما ، الذي تم الحصول عليه خلال هذه العملية ، يشكل صورة من الجهاز أو الأنسجة التي تم التحقيق فيها.

كما يتم دراسة المادة المضادة كعلاج محتمل للسرطان.

إن استخدام المادة المضادة ، بالطبع ، له وعد كبير. يمكن أن يؤدي إلى ثورة حقيقية في مجال الطاقة والسماح للناس بالوصول إلى النجوم. الروايات الخيالية المفضلة في الروايات الخيالية هي مركبات فضائية مع ما يسمى بمحركات الالتفاف ، والتي تسمح لهم بالسفر بسرعة فائقة. اليوم هناك العديد من النماذج الرياضية لهذه المنشآت ، ومعظمها يستخدم مادة مضادة في عملهم.

هناك اقتراحات أكثر واقعية دون رحلات الطيران superlight و hyperspace. على سبيل المثال ، يقترح رمي كبسولة من اليورانيوم 238 مع الديوتيريوم والهيليوم -3 داخل سحابة البروتون المضاد. يعتقد مطورو المشروع أن تفاعل هذه المكونات سيؤدي إلى بداية تفاعل نووي حراري ، حيث أن منتجاته ، التي يوجهها حقل مغناطيسي إلى فوهة المحرك ، ستوفر للسفينة قوة دفع كبيرة.

بالنسبة لرحلات الطيران إلى المريخ في شهر واحد ، يقترح المهندسون الأمريكيون استخدام الانشطار النووي الذي تسببه ال antروتونات المضادة. ووفقاً لحساباتهم ، لا يلزم سوى 140 نانوغراماً من هذه الجسيمات لمثل هذه الرحلة.

ونظراً لكمية الطاقة الكبيرة التي يتم إطلاقها أثناء عملية إبادة المواد ، فإن هذه المادة تعتبر مرشحًا ممتازًا لتعبئة القنابل والأشياء المتفجرة الأخرى. حتى كمية صغيرة من المادة المضادة تكفي لإنتاج ذخيرة قابلة للمقارنة في صنع قنبلة نووية. لكن في حين أنه من السابق لأوانه القلق حيال ذلك ، لأن هذه التكنولوجيا هي في المراحل الأولى من تطورها. من غير المرجح أن تتحقق مثل هذه المشاريع في العقود القادمة.

في هذه الأثناء ، فإن المادة المضادة هي ، في المقام الأول ، موضوع دراسة العلوم النظرية ، التي يمكن أن تخبر الكثير عن بنية عالمنا. من غير المحتمل أن يتغير هذا الوضع حتى نتعلم الحصول عليه على نطاق صناعي ونوفره بموثوقية. عندها فقط يمكننا التحدث عن الاستخدام العملي لهذه المادة.

شاهد الفيديو: المادة المضادة أغلى مادة في الكون لم أكن أعلم (مارس 2024).