W filmach, czy literaturze z gatunku SF, dość często przewija się motyw czegoś takiego jak antymateria. Pewna tajemnicza substancja, nadająca się praktycznie do wszystkiego: silniki na antymaterię, broń opartą o antymaterię, podróże w czasie dzięki antymaterii, obieranie ziemniaków antymaterią… to wszystko, jeśli wierzyć filmom, można zrobić z jej pomocą. Krótko mówiąc, stanowi ona słowo - wytrych, dla wszystkiego czego nie da się w normalny sposób wytłumaczyć.

Zadziwiające jest to jak wiele tych przymiotów jest prawdziwych, bo antymateria rzeczywiście istnieje, i teoretycznie możliwe jest jej zastosowanie do budowy powyższych urządzeń, no może poza podróżami w czasie.

Ale po kolei.

Właściwości antymaterii

Czym właściwie ta antymateria jest? Najprościej opisać ją jako przeciwieństwo zwykłej materii. Coś co stoi po drugiej stronie skali. Niemal lustrzane odbicie zwykłej materii, prezentujące przeciwne właściwości.

Rozważmy przykładowo zwykły elektron, jego antycząstką jest antyelektron, zwany czasami pozytonem. Jest to cząstka o takiej samej masie co elektron, jednak obdarzona przeciwnym ładunkiem elektrycznym. Elektron ma ładunek ujemny, podczas gdy jego antybrat dodatni.

Prawie każda cząstka elementarna ma swojego anty-odpowiednika. Zwykły proton zbudowany jest z kwarków, można się domyślić, że antyproton zbudowany jest antykwarków. Dołóżmy do antyprotonu antyelektron (pozyton) i otrzymamy atom antywodoru. Jeśli uzbieramy odpowiednio dużo różnych antyatomów możemy teoretycznie zbudować wszystko. Antykomputer, antyczłowieka, antymieszkanie… antylopę…

Na razie wszystko wydaje się proste, i takie rzeczywiście jest. Istnieje materia i antymateria, dwa przeciwieństwa. Żeby nie było zbyt łatwo, niektóre cząstki, takie jak foton – nie mają swoich antyodpowiedników, a właściwie to same nimi są. Nie istnieje antyfoton, jest tylko zwykły foton który jest jednocześnie swoją antycząstką. To jeden z nielicznych wyjątków, przeważająca ilość cząstek elementarnych ma swojego antyodpowiednika, który jest samodzielnym bytem.

Ok, antycząstka ma przeciwny ładunek elektryczny, czy coś jeszcze? Tak, ma jeszcze przeciwne liczby barionowe i leptonowe. Pozwólcie, że nie będę się zagłębiał bardzo co to jest. Ciekawa kwestia jest z grawitacją. Czy antymateria unosi się „do góry” czy ma coś wspólnego z antygrawitacją? Jest to jedna z kwestii która nie znalazła eksperymentalnego potwierdzenia. Ale, wszystko wskazuje na to, że antymateria oddziałuje grawitacyjnie tak samo jak zwykła materia.

Anihilacja

Co się stanie gdy połączymy materię z antymaterią? Następuje wtedy coś co nazywamy anihilacją. Materia i antymateria ulegają unicestwieniu, a cała energia w nich zawarta zostaje wyzwolona pod postacią promieniowania elektromagnetycznego (zwykle). A mówiąc po ludzku: połączenie antymaterii z materią powoduje wybuch, potężny wybuch. Jest to najwydajniejsza reakcja z możliwych, całkowita energia spoczynkowa jaką posiadały cząstki uczestniczące w reakcji zamieniana jest na energię wybuchu, zwykle pod postacią promieniowania elektromagnetycznego, czyli najbardziej podstawowej formy energii (promieniowanie elektromagnetyczne to fotony).

W przybliżeniu można wyliczyć ile energii jest wydzielanej podczas takiego wybuchu. Mówi nam to bardzo popularny wzór E=mc2. Masa spoczynkowa cząstek biorących udział w reakcji przemnożona przez prędkość światła podniesioną do kwadratu, daje nam ilość energii jaka się wydzieli. Mówiąc bardziej obrazowo: zderzenie 0,5 grama materii i antymaterii miałoby gorsze skutki niż wybuch bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę.

Anihilacja występuje w parach. Tzn. cząstka anihiluje tylko ze swoją antybliźniaczką. Na przykład elektron z pozytonem. Kwark górny z antykwarkiem górnym. Natomiast elektron nie anihiluje z antykwarkiem itp.

Mowa tu o cząstkach elementarnych, bo na przykład proton czy neutron takimi nie są. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, z kolei neutron z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Jak łatwo się domyślić proton może anihilować z antyneutronem częściowo, kwark dolny z antykwarkiem dolnym i kwark górny z antykwarkiem górnym, reszta zostaje. Trochę to zamieszane…

Na rysunku poniżej widzimy przykładową reakcję anihilacji. Elektron łączy się pozytonem (antyelektron) w wyniku czego cząstki te zamieniają się w promieniowanie elektromagnetyczne, czyli po prostu w fotony.

Anihilacja elektronu i pozytonu

Anihilacja elektronu i pozytonu

Jak już wspomniałem jest najwydajniejsza reakcja z możliwych. Antymateria jest najlepszym paliwem jakie tylko może istnieć. Niestety nie jest prosto ją wytworzyć, a jeszcze trudniej przechować. Ale o tym później. Na razie zastanówmy się jak powstaje.

Powstawanie antymaterii

Wiemy już, że połączenie materii i antymaterii powoduje wydzielenie się dużej ilości energii. A co jeśli odwrócimy ten proces? Czy z energii może powstać antymateria? Tak, i nie tylko ona.

Rozważmy proces odwrotny do anihilacji. Nie mamy teraz materii i antymaterii, tylko dużą ilość energii (na przykład pod postacią wysokoenergetycznych fotonów). Przy minimalnej pomocy z zewnątrz, możliwa jest spontaniczna zamiana naszego przykładowego fotonu w cząstkę i antycząstkę. Proces ten nazywa się kreacją par. Cząstki zawsze powstają w parach, nie da się wytworzyć samej antymaterii, jak i samej materii. Jeśli powołamy do życia jakąś cząstkę, to zawsze musi jej towarzyszyć jej antysiostra. Wydaje się to zrozumiałe, reakcja anihilacji to zamiana dwóch cząstek w energię, to reakcja przeciwna do niej musi oznaczać wykreowanie także dwóch cząstek, przeciwnych do siebie.

Kreacja elektronu i pozytonu

Kreacja elektronu i pozytonu

Ale zaraz, fotony to przecież światło, czy to oznacza że światło może się zamienić w materię?

Jak najbardziej, ale nie takie zwykłe światło. Aby cząstki powstały, foton, który je tworzy musi mieć dostatecznie wysoką energię, większą od energii cząstek które wytworzy. Nie ma cudów, prawo zachowania energii jest rzeczą świętą. Czyli przykładowo: chcemy wytworzyć elektron i pozyton jak na rysunku poniżej. Elektron i pozyton mają takie same masy, w przybliżeniu 9,1 x 10-31 kg (podałem w kilogramach, ale pamiętajcie, że masa i energia to praktycznie to samo, można je przeliczać nawzajem, zgodnie ze wzorem E=mc2 (chociaż energię fotonu oblicza się z nieco innego wzoru :)), czyli foton który chce je wytworzyć musi posiadać co najmniej taką samą energię jak zsumowana energia (masa) tych cząstek. Nie ma nic za darmo, energia musi się zgadzać.

Foton o takiej energii, to już nie światło widzialne, tylko wysokoenergetyczne promieniowanie gamma. A takie jest dość rzadkie. Dlatego żarówki w waszych pokojach nie wytwarzają par cząstek, ponieważ energia fotonów które taka żarówka emituje jest zbyt niska.

A gdzie taka energia występuje?

Na przykład w akceleratorach cząstek elementarnych, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów.

Zderzane tam cząstki wytwarzają ogromną energię, która następnie przekazywana jest najczęściej na fotony pośredniczące, które wytwarzają kolejne cząstki. W ten sposób powołuje się do życia cząsteczki, które następnie poddawane są badaniom.

Na podobnych zasadach, pary materii i antymaterii mogą powstać w górnych warstwach atmosfery. Wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne zderza się cząsteczkami występującymi w atmosferze, powodując kreacje par.

A teraz kilka zastrzeżeń, co by nie było za łatwo.

Foton, nawet o bardzo wysokiej energii nie jest w stanie samoistnie wytworzyć pary cząstek, musi być jeszcze coś, o co taki foton może zahaczyć (by przekazać nadmiar pędu). W praktyce chodzi tylko o to, że kreacja par nie może powstawać w absolutnej próżni. Musi być jeszcze coś oprócz samego fotonu. Najczęściej cząstki powstają w polu elektromagnetycznym jakiegoś atomu, które walają się wszędzie.

I kolejna sprawa o której już trochę wspomniałem. Aby wytworzyć cząstki masywniejsze, energia cząstki inicjującej reakcje kreacji par musi być odpowiednio duża. Omawialiśmy przykład fotonu który zamienia się w pozyton i elektron, jednak nic nie stoi na przeszkodzie by powstały inne cząsteczki na przykład mion (taki cięższy elektron) i antymion. Wszystko zależy od energii inicjatora reakcji, im jest większa tym masywniejsze cząstki ma szanse wytworzyć. Ale, zawsze najbardziej prawdopodobne jest powstanie cząstek najlżejszych. Inne cząstki mogą powstać, ale rzadko. Po prostu natura tak ma, że woli powoływać do życia to co najlżejsze. A nawet jeśli wytworzy się coś ciężkiego, to po chwili się rozpada na składniki o mniejszej masie.

Jeszcze coś. Cały czas reakcję kreacji par inicjował foton. Jest to najpowszechniejszy nośnik energii, dlatego rozważaliśmy jego przykład. Istnieją także inne cząstki które to potrafią, np. bozon Z (zeton), jednak są one dość rzadko spotykane, dlatego spokojnie możemy się nimi nie przejmować.

Nieliczne cząstki antymaterii powstają też podczas rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Przykładem jest rozpad beta plus, któremu ulegają niektóre izotopy pierwiastków. Poniżej przedstawiony jest rozpad izotopu węgla. W wyniku reakcji powstaje izotop boru, pozyton i neutrino elektronowe. Pozyton jest cząstką antymaterii.

Reakcja rozpadu izotopu węgla

Wirtualna materia i antymateria - Fluktuacje kwantowe próżni

Wszystkie powyższe przykłady odnosiły się do materii i antymaterii rzeczywistej. A to jest jakaś inna? Jak się okazuje tak, „istnieje” jeszcze coś takiego jak materia i antymateria wirtualna. Na co to komu? Cóż, chociaż cząstki wirtualne nie istnieją, to niektóre efekty ich działania można zaobserwować. Brzmi to trochę jak wyznania chorego. Jak coś, co tak naprawdę nie istnieje, może na wpływać na rzeczywisty świat? No cóż… taka jest fizyka.

Wyobraźmy sobie idealną próżnie, usuwamy stamtąd wszystkie cząstki i mamy coś co z czystym sumieniem można nazwać próżnią. Czy coś tam się dzieje? Okazuje się że nieustannie powstają tam pary cząstek wirtualnych, które po chwili znikają. Pary, czyli cząstka i antycząstka. Powstają z nicości po czym po chwili anihilują. W przeciwieństwie do realnej materii i antymaterii, cząstki wirtualne obowiązują trochę inne zasady. Jedna z nich ma np. ujemną energię. Skoro powstały z niczego, to energia jednej musi równoważyć energię drugiej, czyli jedna może mieć energię dodatnią, druga ujemną. Powstawanie cząstek wirtualnych wynika z zasady nieoznaczoności Heisenberga.

No dobra, ale na co one?

Cząstki wirtualne, mają pewien wpływ na realny świat. Rozważmy ładunek dodatni umieszczony gdzieś w próżni. Dookoła niego powstają nieustannie cząstki wirtualne w parach cząstka/antycząstka. Jedna z nich ma ładunek dodatni, druga ujemny. Ta o ładunku ujemnym zanim zniknie zostanie przyciągnięta przez nasz dodatni ładunek umieszczony centralnie (jak na rysunku), cząstka o ładunku dodatnim zostanie odepchnięta nieco dalej. Efekt tego jest taki, że wirtualne cząsteczki ujemne osłabią nieco działanie centralnego dodatniego ładunku. Natomiast znajdujące się dalej cząsteczki dodatnie nie będą wstanie zrównoważyć tego negatywnego wpływu, gdyż znajdują się w dalszej odległości, a siła ładunku maleje wraz ze wzrostem odległości maleje. Mówimy, że cząstki wirtualne ekranują ładunek elektryczny.

Ekranowanie ładunku dodatniego przez wirtualne cząstki

Ekranowanie dodatniego ładunku przez chmurę wirtualnych cząstek

W efekcie siła pola ładunku elektrycznego nie maleje wraz z kwadratem odległości, jak uczą nas w szkołach, tylko minimalnie, minimalnie szybciej.

To jest jeden z efektów działania cząstek wirtualnych. Są jeszcze inne: promieniowanie Hawkinga, efekt Casimira. Wiele zjawisk fizycznych to efekt działania cząstek wirtualnych, które chociaż nie istnieją, to mają pewien wpływ na realny świat.

Co więcej, cząstki wirtualne mogą zaistnieć. Wystarczy dostarczyć im odpowiednią ilość energii, która opłaci „dług” jak został zaciągnięty na ich wytworzenie. Pojawienie się realnej pary cząstka/antycząstka (np. w akceleratorach), można interpretować jak dostarczenie energii cząstkom wirtualnym. By te mogły zaistnieć.

Z tego akapitu warto zapamiętać, istnieje takie coś jak cząstki wirtualne, które powstają spontanicznie z niczego, w parach cząstka/antycząstka. Mają one pewien wpływ na realny świat.

Zastosowanie antymaterii

Po tym dziwnym rozdziale przejdźmy do trochę bardziej przyziemnych spraw. W końcu to tekst o antymaterii. Do czego ona może się przydać.

W teorii - to do wszystkiego. W praktyce – prawie do niczego. W teorii idealny magazyn energii, w praktyce…

Jak już wspomniałem wcześniej, antymateria w połączeniu z materią daje duży wybuch. Czyli wspaniałe paliwo do dalekich misji kosmicznych. Zamiast dźwigać tony konwencjonalnego paliwa, można wziąć niewielką ilość antymaterii i materii. Anihilacja 1 grama materii i antymaterii powoduje wydzielenie energii porównywalną z tą, jaką daje spalenie całego paliwa promu kosmicznego.

Wszystko wygląda świetnie, antymateria jest idealnym paliwem na loty międzygwiezdne. Niestety praktyce nie jest tak różowo. Aby rozpędzić statek kosmiczny do połowy prędkości światła, potrzeba dwa razy więcej materii/antymaterii niż wynosi masa statku. Czyli nasze idealne paliwo będzie ważyć dwa razy więcej niż statek. To i tak niewiele, dla porównania, najwydajniejsza dostępna dla człowieka obecnie reakcja - fuzja wodoru (taka jak w bombach wodorowych), wymaga 81 razy więcej paliwa niż wynosi masa statku. I to wszystko tylko dla rozpędzenia statku do prędkości o połowę mniejszej niż prędkość światła. Co pozwoli na dotarcie do najbliższej gwiazdy innej niż Słońce w 9 lat. A właściwie to na przelecenie obok takiej gwiazdy. Nie uwzględniliśmy tutaj energii wymaganej na hamowanie, a potrzeba jej tyle samo co na rozpędzenie.

Z drugiej strony, dwukrotna masa statku to jeszcze nie jest taka tragedia. Paliwo stanowiło 83% masy startowej rakiety Saturn V, a mimo to lądowanie na Księżycu się odbyło. Problemy są inne:

Całą tą energię trzeba jakoś ujarzmić, skierować ją w tył statku i dbać o to by go nie zniszczyła, to jeszcze pół biedy, może jakoś to się będzie dało zrobić, chociaż duże straty energii są nieuniknione.

Tragedią jest przechowywane antymaterii. Trzeba ją trzymać z dala od zwykłej materii, a przecież cały statek jest z niej zbudowany! W praktyce, antymaterię łapie się w pułapkę elektromagnetyczną. Pole elektromagnetyczne utrzymuje niewielką jej ilość w pewnej odległości od zwykłej materii. Niestety dotyczy to tylko antymaterii posiadającej ładunek elektryczny. Z cząstkami neutralnymi, takimi jak antyneutron jest większy problem.

Ale nawet cząstki naładowane ciężko wyizolować. Jeśli nagromadzimy sporą ilość jednakowo naładowanych cząsteczek, te będę się od siebie oddalać, bo przecież ładunki jednoimienne się odpychają. Gdy będzie ich zbyt wiele w jednym miejscu, siła odpychania będzie tak duża, że w końcu pokonają pole elektromagnetyczne naszej pułapki, po czym wylądują na jej ściankach – zrobionych ze zwykłej materii.

Szacuje się, że jednej pułapce można zmieścić 1000000000000 cząstek (1012), co odpowiada 0,000000000000001672 (1,672 x 10-15) kilograma protonów.

Jeszcze gorzej jest z wytwarzaniem antymaterii. Obecnie robi się to głównie w akceleratorach, jednak jest to proces wybitnie nieekonomiczny.

Z jednego grama antymaterii, można otrzymać olbrzymią ilość energii. Ale co z tego, skoro na wyprodukowanie tego grama trzeba zużyć 10 miliardów (!) razy więcej energii, niż tej którą chcemy z niego uzyskać.

Teoretycznie, możliwe jest zrobienie bomby z antymaterii, która zniszczy Mount Everest, jednak bardziej ekonomiczna będzie próba rozwalenia jej głową, „z byka”.

Wszystko to powoduje, że cena antymaterii jest astronomiczna. Według CERN to 1017 (1 z siedemnastoma zerami!) dolarów za gram… NASA szacuje, że jest "trochę" taniej, tylko kilkadziesiąt bilionów dolarów za gram antymaterii

Co by całkowicie zniszczyć wszystkie marzenia. Antymateria jest produkowana w śladowych ilościach. W największej obecnej fabryce antymaterii, czyli w CERN (to tam gdzie jest Wielki Zderzacz Hadronów) potrafią wyprodukować 107 antyprotonów na sekundę. Wydaje się to dużo, ale jeśli dokładnie przeliczymy… w tym tempie jeden gram antymaterii powstanie w ciągu dwóch miliardów lat… Pomijamy problem przechowywania.

Roczna produkcja antymaterii we wszystkich ziemskich akceleratorach pozwoliłaby na zasilenie 100W żarówki przez 15 minut.

Same złe wiadomości. A czy do czegoś ta antymateria będzie się nadawać? W praktyce?

Tak, już od kilkudziesięciu lat antymateria służy medycynie. Używa się jej do pozytonowej emisyjnej tomografii komputerowej. Jest to technika obrazowania pozwalająca „prześwietlić” pacjenta, przez co można zobaczyć, czy w organizmie dzieje się coś złego.

Cząstki antymaterii (pozytony) są emitowane przez promieniotwórcze izotopy o krótkim czasie życia, na przykład węgla czy azotu. Emitują one pozytony, które anihilują z elektronami w ciele pacjenta. Powstają fotony, które następnie są wyłapywane przez detektory. Na tej podstawie można w dość dokładny sposób określić miejsce anihilacji. A wierzcie lub nie, to już wystarcza do wygenerowania obrazu organu pacjenta, który właśnie jest badany.

Zastosowanie antymaterii może iść jeszcze dalej. Naukowcy pracują, nad metodą niszczenia komórek nowotworowych z jej pomocą. Nie jest to wcale taka odległa przyszłość.

Dlaczego antymaterii jest tak mało?

No właśnie. Antymateria jest bardzo perspektywicznym materiałem, mającym teoretycznie wspaniałe zastosowania: idealne paliwo, świetny magazyn energii, niszczenie nowotworów itp. Fajnie by było, gdyby zamiast wytwarzać antymaterię, można by ją było skądś wziąć. Pójść w jakieś miejsce i nakopać pięć kilo do wiaderka.

Niestety antymateria występuje w naturze bardzo rzadko. Dlaczego tak jest?

Zastanówmy się. Obecnie głównym sposobem na wytworzenie antymaterii jest jej produkcja w akceleratorach. Czasami mówi się, że warunki w akceleratorze bardzo przypominają te z pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu - bardzo dużo energii nagromadzonej w niewielkiej przestrzeni.

Z wcześniejszych akapitów, powinniście już wiedzieć, że tam gdzie dużo energii (np. pod postacią fotonów) to tam powstają pary cząstka/antycząstka. Dzieje się tak w akceleratorach, działo się też tak zaraz po Wielkim Wybuchu. Prawie cała materia we Wszechświecie, powstała właśnie w taki sposób. Coś co początkowo było wysokoenergetyczną „zupą” wytworzyło kwarki, elektrony i inne tego typu rzeczy, doprowadzając w końcu do powstania atomów.

Do czego zmierzam. Kreowane cząstki zawsze powstają w parach – cząstka materialna i antymaterialna. Skoro powstawały one w równych ilościach, podczas Wielkiego Wybuchu… to gdzie do cholery znajduje się cała antymateria? Powinno być jej tyle co zwykłej materii. A nie jest.

A może jednak jest, tylko jej nie widzimy? Może gdzieś daleko w kosmosie znajdują się planety zbudowane z antymaterii i antyufoludki?

Niestety to by było za proste. Jeśli we Wszechświecie znajdowałyby się duże skupiska antymaterii, to po pewnym czasie w końcu trafiłyby na zwykłą materię i anihilowały. W efekcie moglibyśmy obserwować na niebie dziwne, potężne wybuchu niewiadomego pochodzenia. A nic takiego nie widać.

Antymaterii raczej jest bardzo mało i jest produkowana „na bieżąco” w małych ilościach, po czym anihiluje. W sumie to dobrze, świat jest nieco spokojniejszy.

Ale pytanie zostaje, dlaczego antymaterii jest tak mało?

Nie wiadomo. Jeśli macie jakieś przekonujące, udokumentowane rozwiązanie, to już możecie kupować bilet do Szwecji, po odbiór nagrody Nobla. Jest to jedna z większych zagadek fizyki, która nie jest jeszcze na 100% wyjaśniona.

Wiadomo tyle, że istnieją procesy fizyczne które nie są idealnie symetryczne. W mechanice kwantowej czasami powstaje czegoś więcej/mniej niż mogłoby się wydawać.

Mówiąc baaaadzo ogólnie i pomijając wiele ważnych spraw:

Istnieją pewne cząstki, takie jak np. kaony, które:

W specyficznych warunkach, czasami, nie zawsze, mają niewielką tendencje, do bycia cząstką bardziej materialną niż antymaterialną.

To tylko tak by zarysować pewną idee. Istnieją procesy, które są w stanie, w minimalnym stopniu złamać symetrie między materią i antymaterią. I prawdopodobnie to jest właśnie przyczyną niedoboru antymaterii we Wszechświecie.

Jeśli zaraz po Wielkim Wybuchu, na każdy miliard cząstek antymaterii przypadała jedna dodatkowa cząstka to materii, to wystarczy już to wytłumaczenia ilości materii i antymaterii w dzisiejszym Wszechświecie. Miliard cząstek i antycząstek uległo anihilacji, a ta jedna z nielicznych została by tworzyć dzisiejszy świat. Następował efekt kuli śniegowej. Cząstki anihilowały wytwarzając fotony produkujące kolejne cząstki, cały czas z tą minimalną nadwyżką zwykłej materii. W efekcie prawie cała antymateria znikła. A to umożliwiło spokojne powstanie gwiazd, planet, a potem życia.

Ilustracja tytułowa, detektor ATLAS w CERN podczas montażu. CERN