Τι είναι η Αντιύλη; Ορισμός και Παραδείγματα

Η αντιύλη είναι μια πραγματική ουσία και όχι απλώς ένα θέμα επιστημονικής φαντασίας. Η αντιύλη είναι ύλη που αποτελείται από αντισωματίδια με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο από τα συνηθισμένα σωματίδια και διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς.

Ένα κανονικό άτομο έχει έναν πυρήνα θετικά φορτισμένων πρωτονίων και νετρονίων που περιβάλλεται από ένα νέφος αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Ένα άτομο αντιύλης έχει έναν πυρήνα από αρνητικά φορτισμένα αντιπρωτόνια και ουδέτερα (αλλά διαφορετικά) νετρόνια που περιβάλλονται από θετικά φορτισμένα αντιηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται ποζιτρόνια. Τα άτομα και τα ιόντα ύλης και αντιύλης συμπεριφέρονται ακριβώς το ίδιο με το άλλο. Η αντιύλη σχηματίζει χημικούς δεσμούς και πιθανώς μόρια, ακριβώς τα ίδια με την ύλη. Αν ξαφνικά όλα στο σύμπαν άλλαζαν από ύλη σε αντιύλη, δεν θα ξέραμε τη διαφορά.

Όταν η ύλη και η αντιύλη συγκρούονται, το αποτέλεσμα είναι ο αφανισμός. Η μάζα των σωματιδίων μετατρέπεται σε ενέργεια, η οποία απελευθερώνεται ως γάμμα φωτόνια, νετρίνα και άλλα σωματίδια. Η απελευθέρωση ενέργειας είναι τεράστια. Για παράδειγμα, η ενέργεια που απελευθερώνεται από την αντίδραση ενός κιλού ύλης με ένα κιλό αντιύλης θα ήταν 1,8×10 Joules, που είναι ελαφρώς μικρότερη από την απόδοση του μεγαλύτερου θερμοπυρηνικού όπλου που πυροδοτήθηκε ποτέ, του Tsar Bomba.

Παραδείγματα Αντιύλης

Τρεις συνθήκες σχηματίζουν τακτικά αντιύλη:ραδιενεργή διάσπαση, εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Οι επιταχυντές σωματιδίων έχουν δημιουργήσει ποζιτρόνια, αντιπρωτόνια, αντινετρόνια, αντιπυρήνες, αντιυδρογόνο και αντιήλιο.

Ωστόσο, μπορείτε να συναντήσετε αντιύλη χωρίς να επισκεφτείτε μια εγκατάσταση φυσικής υψηλής ενέργειας. Οι μπανάνες, το ανθρώπινο σώμα και άλλες φυσικές πηγές καλίου-40 απελευθερώνουν ποζιτρόνια από τη διάσπαση β. Αυτά τα ποζιτρόνια αντιδρούν με ηλεκτρόνια και απελευθερώνουν ενέργεια από τον αφανισμό, αλλά η αντίδραση δεν αποτελεί απειλή για την υγεία. Ο κεραυνός παράγει επίσης ποζιτρόνια, τα οποία αντιδρούν με την ύλη για να δημιουργήσουν κάποια ακτινοβολία γάμμα. Οι κοσμικές ακτίνες περιέχουν ποζιτρόνια και μερικά αντιπρωτόνια. Οι σαρώσεις PET περιλαμβάνουν ποζιτρόνια. Οι ηλιακές εκλάμψεις μπορεί να απελευθερώσουν αντιπρωτόνια, τα οποία παγιδεύονται στη ζώνη ακτινοβολίας Van Allen και μπορεί να προκαλέσουν σέλας. Τα αστέρια νετρονίων και οι μαύρες τρύπες παράγουν πλάσμα ποζιτρονίων-ηλεκτρονίων.

Χρήσεις Αντιύλης

Εκτός από την έρευνα, η αντιύλη χρησιμοποιείται στην πυρηνική ιατρική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο ή όπλο.

Η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) χρησιμοποιεί ραδιενεργά ισότοπα που εκπέμπουν ποζιτρόνια. Τα ποζιτρόνια εκπέμπουν ακτίνες γάμμα όταν εκμηδενίζουν τα ηλεκτρόνια. Ένας ανιχνευτής χαρτογραφεί την εκπομπή ακτίνων γάμμα για να σχηματίσει μια τρισδιάστατη εικόνα του σώματος. Τα αντιπρωτόνια μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως θεραπεία για τη θανάτωση καρκινικών κυττάρων.

Η αντιύλη μπορεί να είναι καύσιμο για διαπλανητικά και διαστρικά ταξίδια, επειδή οι αντιδράσεις αντιύλης-ύλης έχουν υψηλότερη αναλογία ώθησης προς βάρος από άλλα καύσιμα. Η δυσκολία είναι η κατεύθυνση της ώθησης, καθώς τα προϊόντα εκμηδένισης περιλαμβάνουν ακτινοβολία γάμμα (για αντιδράσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων) και πιόνια (για αντιδράσεις πρωτονίου-αντιπρωτονίου). Οι μαγνήτες μπορεί να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της κατεύθυνσης των φορτισμένων σωματιδίων, αλλά η τεχνολογία έχει ακόμη πολύ δρόμο μπροστά σας για να μπορέσετε να πάτε στον Άρη με έναν πύραυλο αντιύλης.

Θεωρητικά, η αντιύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έναυσμα για ένα πυρηνικό όπλο ή μια αντίδραση ύλης-αντιύλης μπορεί να είναι εκρηκτικό. Τα δύο μειονεκτήματα είναι η δυσκολία παραγωγής αρκετής αντιύλης και αποθήκευσης.

Πώς αποθηκεύεται η αντιύλη;

Δεν μπορείτε να αποθηκεύσετε την αντιύλη σε ένα συνηθισμένο δοχείο γιατί θα αντιδρούσε και θα εξαφάνιζε ίση ποσότητα ύλης. Αντίθετα, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια συσκευή που ονομάζεται παγίδα Penning για να συγκρατούν την αντιύλη. Μια παγίδα Penning χρησιμοποιεί ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία για να κρατήσει τα φορτισμένα σωματίδια στη θέση τους, αλλά δεν μπορεί να κρατήσει ουδέτερα άτομα αντιύλης. Τα άτομα ύλης και αντιύλης συγκρατούνται από ατομικές παγίδες (με βάση ηλεκτρικά ή μαγνητικά δίπολα) και από λέιζερ (μαγνητο-οπτικές παγίδες και οπτικές λαβίδες).

Ασυμμετρία ύλης και αντιύλης

Το παρατηρήσιμο σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από συνηθισμένη ύλη, με πολύ λίγη αντιύλη. Με άλλα λόγια, είναι ασύμμετρη ως προς την ύλη και την αντιύλη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η Μεγάλη Έκρηξη παρήγαγε ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, επομένως αυτή η ασυμμετρία είναι ένα μυστήριο. Είναι πιθανό η ποσότητα της ύλης και της αντιύλης να μην ήταν ομοιογενής, έτσι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης και της αντιύλης εξολοθρεύτηκαν μεταξύ τους. Αν συνέβαινε αυτό, παρήγαγε πολλή ενέργεια και είτε επέζησε μια (σχετικά) μικρή ποσότητα συνηθισμένης ύλης είτε το σύμπαν αποτελείται από θύλακες ύλης και αντιύλης. Εάν συνέβαινε το τελευταίο γεγονός, θα μπορούσαμε να βρούμε μακρινούς γαλαξίες αντιύλης. Οι γαλαξίες αντιύλης, εάν υπάρχουν, θα ήταν δύσκολο να ανιχνευθούν επειδή θα είχαν την ίδια χημική σύνθεση, φάσματα απορρόφησης και φάσματα εκπομπής με τους κανονικούς γαλαξίες. Το κλειδί για την εύρεση τους θα ήταν να αναζητήσετε γεγονότα εκμηδένισης στα σύνορα μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Ιστορικό

Ο Άρθουρ Σούστερ επινόησε τον όρο «αντιύλη» το 1898 σε επιστολές προς τη Φύση. Ο Σούστερ πρότεινε τις ιδέες των αντιατόμων και των εκμηδενισμών ύλης-αντιύλης. Η επιστημονική βάση για την αντιύλη ξεκίνησε με τον Paul Dirac. Το 1928, ο Dirac έγραψε ότι το σχετικιστικό ισοδύναμο με την κυματική εξίσωση Schrödinger του ηλεκτρονίου προέβλεπε τα αντιηλεκτρόνια. Το 1932, ο Carl D. Anderson ανακάλυψε το αντιηλεκτρόνιο, το οποίο ονόμασε ποζιτρόνιο (για «θετικό ηλεκτρόνιο»). Ο Ντιράκ μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής του 1933 με τον Έρβιν Σρέντινγκερ «για την ανακάλυψη νέων παραγωγικών μορφών ατομικής θεωρίας». Ο Άντερσον έλαβε το Νόμπελ Φυσικής το 1936 για την ανακάλυψη του ποζιτρονίου.

Αναφορές

• Agakishiev, H.; et al. (Συνεργασία STAR) (2011). «Παρατήρηση του πυρήνα της αντιύλης ηλίου-4». Φύση . 473 (7347):353–356. doi:10.1038/nature10079
• Amoretti, M.; et al. (2002). «Παραγωγή και ανίχνευση ψυχρών ατόμων αντιυδρογόνου». Φύση . 419 (6906):456–459. doi:10.1038/nature01096
• Canetti, L.; et al. (2012). «Ύλη και Αντιύλη στο Σύμπαν». Νέο J. Phys . 14 (9):095012. doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012
• Dirac, Paul A. M. (1965). Διαλέξεις Νόμπελ Φυσικής . 12. Άμστερνταμ-Λονδίνο-Νέα Υόρκη:Elsevier. σελ. 320–325.