შინაარსზე გადასვლა

ანტიმატერია

სტატიის შეუმოწმებელი ვერსია
მასალა ვიკიპედიიდან — თავისუფალი ენციკლოპედია

ანტიმატერია — თანამედროვე ფიზიკაში ანტიმატერია განისაზღვრება, როგორც მატერია, რომელიც შედგება „ჩვეულებრივ“ მატერიაში შესაბამისი ნაწილაკების ანტინაწილაკებისგან (ან „პარტნიორებისგან“) და შეიძლება განვიხილოთ, როგორც მატერია შებრუნებული მუხტითა და პარიტეტით, ან დროში უკან მოძრაობით. ანტიმატერია წარმოიქმნება ბუნებრივ პროცესებში, როგორიცაა კოსმოსური სხივების შეჯახება და რადიოაქტიური დაშლის ზოგიერთი ტიპი, მაგრამ მათგან მხოლოდ მცირე ნაწილია წარმატებით დაკავშირებული ექსპერიმენტებში ანტიატომების წარმოსაქმნელად. ნაწილაკების ამაჩქარებლებზე შესაძლებელია ანტინაწილაკების მცირე რაოდენობის გენერირება, მაგრამ ხელოვნური წარმოების მთლიანი მოცულობა მხოლოდ რამდენიმე ნანოგრამია.[1] ანტიმატერიის მაკროსკოპული რაოდენობა არასდროს შექმნილა წარმოებისა და დამუშავების უკიდურესი ღირებულებისა და სირთულის გამო. მიუხედავად ამისა, ანტიმატერია ბეტა დაშლასთან დაკავშირებული ფართოდ ხელმისაწვდომი აპლიკაციების აუცილებელი კომპონენტია, როგორიცაა პოზიტრონულ-ემისიური ტომოგრაფია, სხივური თერაპია[2] და სამრეწველო ვიზუალიზაცია.

თეორიულად, ნაწილაკს და მის ანტინაწილაკს (მაგალითად, პროტონს და ანტიპროტონს) აქვთ ერთი და იგივე მასა, მაგრამ საპირისპირო ელექტრული მუხტი და სხვა განსხვავებები კვანტურ რიცხვებში.

ნებისმიერ ნაწილაკსა და მის ანტინაწილაკ პარტნიორს შორის შეჯახება იწვევს მათ ურთიერთანთიშვას, რაც იწვევს ინტენსიური ფოტონების (გამა სხივების), ნეიტრინოების და ზოგჯერ ნაკლებად მასიური ნაწილაკ-ანტინაწილაკების წყვილების სხვადასხვა პროპორციებს. ანიჰილაციის მთლიანი ენერგიის უმეტესი ნაწილი იონიზირებული გამოსხივების სახით გამოიყოფა. თუ მიმდებარე მატერია არსებობს, ამ გამოსხივების ენერგეტიკული შემცველობა შეიწოვება და გარდაიქმნება ენერგიის სხვა ფორმებად, როგორიცაა სითბო ან სინათლე. გამოყოფილი ენერგიის რაოდენობა, როგორც წესი, პროპორციულია შეჯახებული მატერიისა და ანტიმატერიის მთლიანი მასისა, მასა-ენერგიის ექვივალენტობის ცნობილი განტოლების, E = mc2- ის შესაბამისად.[3]

ანტინაწილაკები ერთმანეთთან უკავშირდება ანტიმატერიის წარმოსაქმნელად, ისევე როგორც ჩვეულებრივი ნაწილაკები უკავშირდება ნორმალური მატერიის წარმოსაქმნელად. მაგალითად, პოზიტრონს ( ელექტრონის ანტინაწილაკი ) და ანტიპროტონს (პროტონის ანტინაწილაკი) შეუძლიათ ანტიწყალბადის ატომი წარმოქმნან. ანტიჰელიუმის ბირთვები ხელოვნურად იქნა წარმოებული, თუმცა სირთულეებით, და ისინი დღემდე დაფიქსირებულ ყველაზე რთულ ანტიბირთვებს წარმოადგენენ.[4] ფიზიკური პრინციპები მიუთითებს, რომ შესაძლებელია კომპლექსური ანტიმატერიის ატომური ბირთვები, ისევე როგორც ცნობილი ქიმიური ელემენტების შესაბამისი ანტიატომები.

არსებობს ძლიერი მტკიცებულება იმისა, რომ დაკვირვებადი სამყარო თითქმის მთლიანად ჩვეულებრივი მატერიისგან შედგება და არა მატერიისა და ანტიმატერიის თანაბარი ნარევისგან.[5] ხილულ სამყაროში მატერიისა და ანტიმატერიის ეს ასიმეტრია ფიზიკის ერთ-ერთ უდიდეს გადაუჭრელ პრობლემას წარმოადგენს.[6] პროცესს, რომლის დროსაც ჰიპოთეზურად ხდება ეს უთანასწორობა მატერიასა და ანტიმატერიის ნაწილაკებს შორის, ბარიოგენეზი ეწოდება.

განმარტებები

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]

ანტიმატერიის ნაწილაკებს იგივე მუხტი აქვთ, რაც მატერიის ნაწილაკებს, მაგრამ საპირისპირო ნიშნით. ანუ, ანტიპროტონი უარყოფითად დამუხტულია, ხოლო ანტიელექტრონი ( პოზიტრონი ) დადებითად დამუხტული. ნეიტრონებს არ აქვთ წმინდა მუხტი, მაგრამ მათ შემადგენელ კვარკებს აქვთ. პროტონებსა და ნეიტრონებს აქვთ +1 ბარიონული რიცხვი, ხოლო ანტიპროტონებსა და ანტინეიტრონებს - -1. ანალოგიურად, ელექტრონებს აქვთ +1 ლეპტონური რიცხვი, ხოლო პოზიტრონებს - -1. როდესაც ნაწილაკი და მისი შესაბამისი ანტინაწილაკი ეჯახება ერთმანეთს, ორივე გარდაიქმნება ენერგიად.[7][8][9]

ფრანგული ტერმინი „ანტიმატერიისგან დამზადებული ან მასთან დაკავშირებული“, contraterrene, განაპირობებდა ინიციალიზმს „CT“ და სამეცნიერო ფანტასტიკის ტერმინს seetee,[10] რომელიც გამოიყენება ისეთ რომანებში, როგორიცაა Seetee Ship.[11]

კონცეპტუალური ისტორია

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]

უარყოფითი მატერიის იდეა მატერიის შესახებ წარსულ თეორიებში ჩნდება, რომლებიც ამჟამად მიტოვებულია. გრავიტაციის ოდესღაც პოპულარული მორევის თეორიის გამოყენებით, უარყოფითი გრავიტაციის მქონე მატერიის არსებობის შესაძლებლობა უილიამ ჰიქსმა 1880-იან წლებში განიხილა. 1880-იან და 1890-იან წლებს შორის კარლ პირსონმა ეთერის ნაკადის „ჭავლების“ [12] და ნიჟარების არსებობა წამოაყენა. ჭავლები ნორმალურ მატერიას წარმოადგენდა, ხოლო ნიჟარები - უარყოფით მატერიას. პირსონის თეორიას ეთერის ნაკადიდან და შიგნით შესაღწევად მეოთხე განზომილება სჭირდებოდა.[13]

ტერმინი „ანტიმატერია“ პირველად არტურ შუსტერმა გამოიყენა ჟურნალ „ბუნების“ ადმი მიწერილ ორ საკმაოდ უცნაურ წერილში 1898 წელს,[14] სადაც მან შემოიღო ეს ტერმინი. მან გამოთქვა ჰიპოთეზა ანტიატომების, ასევე მთლიანი ანტიმატერიის მზის სისტემების შესახებ და განიხილა მატერიისა და ანტიმატერიის ერთმანეთის განადგურების შესაძლებლობა. შუსტერის იდეები არ იყო სერიოზული თეორიული წინადადება, უბრალოდ სპეკულაცია და წინა იდეების მსგავსად, განსხვავდებოდა ანტიმატერიის თანამედროვე კონცეფციისგან იმით, რომ მას ჰქონდა უარყოფითი გრავიტაცია.[15]

ანტიმატერიის თანამედროვე თეორია 1928 წელს დაიწყო, პოლ დირაკის ნაშრომით.[16] დირაკმა გააცნობიერა, რომ ელექტრონებისთვის შროდინგერის ტალღური განტოლების მისეული რელატივისტური ვერსია ანტიელექტრონების არსებობის შესაძლებლობას წინასწარმეტყველებდა. მიუხედავად იმისა, რომ დირაკმა ამ „ანტიელექტრონების“ არსებობის საფუძველი ჩაუყარა, თავდაპირველად ვერ შეძლო საკუთარი განტოლების შედეგების გააზრება. მან ეს აღმოჩენა თავისუფლად მიაწერა ჯ. რობერტ ოპენჰაიმერს, რომლის ფუნდამენტური ნაშრომი „ელექტრონებისა და პროტონების თეორიის შესახებ“ (1930 წლის 14 თებერვალი) დირაკის განტოლებას ეყრდნობოდა და ამტკიცებდა დადებითად დამუხტული ელექტრონის (პოზიტრონის) არსებობას, რომელსაც, როგორც ელექტრონის ანალოგს, იგივე მასა უნდა ჰქონდეს, რაც თავად ელექტრონს. ეს ნიშნავდა, რომ ის არ შეიძლებოდა ყოფილიყო, როგორც დირაკმა სინამდვილეში ივარაუდა, პროტონი. დირაკმა ანტიმატერიის არსებობა 1931 წელს გამოქვეყნებულ ნაშრომშიც წამოაყენა, სადაც პოზიტრონს „ანტიელექტრონს“ უწოდებდა.[17][18] ესენი აღმოაჩინა კარლ დ. ანდერსონმა 1932 წელს და მათ „დადებითი ელექტრონის“ ფრაზიდან პოზიტრონები უწოდა. მიუხედავად იმისა, რომ თავად დირაკმა ტერმინი „ანტიმატერია“ არ გამოიყენა, მისი გამოყენება ბუნებრივად მომდინარეობს ანტიელექტრონებიდან, ანტიპროტონებიდან და ა.შ.[19] ანტიმატერიის სრული პერიოდული ცხრილი ჩარლზ ჯანეტმა 1929 წელს წარმოიდგინა.[20]

ფეინმან -შტუკელბერგის ინტერპრეტაცია ამტკიცებს, რომ ანტიმატერია და ანტინაწილაკები იქცევიან ზუსტად ისე, როგორც ჩვეულებრივი ნაწილაკები, მაგრამ დროში უკან მოძრაობენ.[21] ეს კონცეფცია დღესდღეობით გამოიყენება თანამედროვე ნაწილაკების ფიზიკაში, ფეინმანის დიაგრამებში.[22]

ნოტაცია

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]

ანტინაწილაკის აღნიშვნის ერთ-ერთი გზაა ნაწილაკის სიმბოლოზე ზოლის დამატება. მაგალითად, პროტონი და ანტიპროტონი აღინიშნება შესაბამისად p-თი. იგივე წესი მოქმედებს ნაწილაკის მისი შემადგენელი კომპონენტებით აღნიშვნის შემთხვევაში. პროტონი შედგება u ± d კვარკებისგან, ამიტომ ანტიპროტონი უნდა წარმოიქმნას u ± d ანტიკვარკებისგან. კიდევ ერთი კონვენციაა ნაწილაკების გარჩევა დადებითი და უარყოფითი ელექტრული მუხტის მიხედვით. ამრიგად, ელექტრონი და პოზიტრონი აღინიშნება უბრალოდ e-თი.− და e+ შესაბამისად. თუმცა, დაბნეულობის თავიდან ასაცილებლად, ეს ორი კონვენცია არასდროს არ უნდა იყოს შერეული შესაბამისად. თუმცა, დაბნეულობის თავიდან ასაცილებლად, ეს ორი კონვენცია არასდროს არ უნდა იყოს შერეული.

თვისებები

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]

მატერიისა და ანტიმატერიის გრავიტაციულ ქცევაში განსხვავება არ არის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ანტიმატერია დაცემისას ქვევით ვარდება და არა ზევით. ეს დადასტურდა ათასობით ანტიწყალბადის ატომისგან შემდგარი თხელი, ძალიან ცივი აირით, რომლებიც ვერტიკალურ ლილვში იყო შემოფარგლული, რომელიც გარშემორტყმული იყო ზეგამტარი ელექტრომაგნიტური ხვეულებით. ამან შეიძლება შექმნას მაგნიტური ბოთლი, რათა ანტიმატერია მატერიასთან კონტაქტში არ შევიდეს და არ განადგურდეს. შემდეგ მკვლევარებმა თანდათანობით შეასუსტეს მაგნიტური ველები და ანტიატომები ორი სენსორის გამოყენებით აღმოაჩინეს, როდესაც ისინი გაქრნენ და განადგურდნენ. ანტიატომების უმეტესობა ქვედა ღიობიდან გამოდიოდა და მხოლოდ ერთი მეოთხედი - ზემოდან.[23]

არსებობს დამაჯერებელი თეორიული მიზეზები იმის დასაჯერებლად, რომ გარდა იმისა, რომ ანტინაწილაკებს აქვთ სხვადასხვა ნიშნები ყველა მუხტზე (მაგალითად, ელექტრული და ბარიონული მუხტები), მატერიასა და ანტიმატერიას აქვთ ზუსტად ერთნაირი თვისებები.[24][25] ეს ნიშნავს, რომ ნაწილაკს და მის შესაბამის ანტინაწილაკს უნდა ჰქონდეთ იდენტური მასები და დაშლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა (თუ არასტაბილურია). ეს ასევე გულისხმობს, რომ, მაგალითად, ანტიმატერიისგან შემდგარი ვარსკვლავი („ანტივარსკვლავი“) ისევე ანათებს, როგორც ჩვეულებრივი ვარსკვლავი.[26] ეს იდეა ექსპერიმენტულად შემოწმდა 2016 წელს ALPHA ექსპერიმენტით, რომელმაც გაზომა გადასვლა ანტიწყალბადის ორ ყველაზე დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობას შორის. შედეგებმა, რომლებიც იდენტურია წყალბადის შედეგებთან, დაადასტურა კვანტური მექანიკის ვალიდურობა ანტიმატერიისთვის.[27][28]

წარმოშობა და ასიმეტრია

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]

დედამიწიდან დაკვირვებადი ობიექტების უმეტესობა, როგორც ჩანს, მატერიისგან შედგება და არა ანტიმატერიისგან. თუ კოსმოსში ანტიმატერიით დომინირებული რეგიონები არსებობდა, მატერიისა და ანტიმატერიის რეგიონებს შორის საზღვარზე ანიჰილაციის რეაქციების შედეგად წარმოქმნილი გამა სხივები დაფიქსირებადი იქნებოდა.[29]

ლიტერატურა

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]
  • ფრეიზერი, გ. (2000). ანტიმატერია: საბოლოო სარკე. კემბრიჯი; ნიუ-იორკი: კემბრიჯის უნივერსიტეტის გამომცემლობა.

სქოლიო

[რედაქტირება | წყაროს რედაქტირება]
  1. ↑ "Ten things you might not know about antimatter". symmetry magazine. Archived from the original on 8 November 2018. Retrieved 8 November 2018.
  2. ↑ Bittner, Martin-Immanuel; Grosu, Anca-Ligia; Wiedenmann, Nicole; Wilkens, Jan J. (16 January 2014). "A systematic review of antiproton radiotherapy". Frontiers in Physics. 1. doi:10.3389/fphy.2013.00037. ISSN 2296-424X.
  3. ↑ "Smidgen of Antimatter Surrounds Earth". Discovery News. 11 August 2011. Archived from the original on 26 September 2011.
  4. ↑ Agakishiev, H.; et al. (STAR Collaboration) (2011). "Observation of the antimatter helium-4 nucleus". Nature. 473 (7347): 353–356. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Natur.473..353S. doi:10.1038/nature10079. PMID 21516103. S2CID 118484566.
  5. ↑ Canetti, L.; et al. (2012). "Matter and Antimatter in the Universe". New J. Phys. 14 (9): 095012. arXiv:1204.4186. Bibcode:2012NJPh...14i5012C. doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012. S2CID 119233888.
  6. ↑ Tenenbaum, David (28 December 2012). "One step closer: UW-Madison scientists help explain scarcity of antimatter". University of Wisconsin–Madison News. Archived from the original on 28 December 2012.
  7. ↑ Tsan, Ung Chan (2013). "Mass, Matter, Materialization, Mattergenesis and Conservation of Charge". International Journal of Modern Physics E. 22 (5): 1350027. Bibcode:2013IJMPE..2250027T. doi:10.1142/S0218301313500274. Matter conservation means conservation of baryonic number A and leptonic number L, A and L being algebraic numbers. Positive A and L are associated to matter particles, negative A and L are associated to antimatter particles. All known interactions do conserve matter.
  8. ↑ Tsan, U. C. (2012). "Negative Numbers And Antimatter Particles". International Journal of Modern Physics E. 21 (1): 1250005-1–1250005-23. Bibcode:2012IJMPE..2150005T. doi:10.1142/S021830131250005X. Antimatter particles are characterized by negative baryonic number A or/and negative leptonic number L. Materialization and annihilation obey conservation of A and L (associated to all known interactions).
  9. ↑ Dirac, Paul A. M. (1965). Physics Nobel Lectures (PDF). Vol. 12. Amsterdam-London-New York: Elsevier. pp. 320–325. Archived (PDF) from the original on 10 October 2019. Retrieved 10 October 2019.
  10. ↑ "Antimatter". Science Fiction Encyclopedia. Archived from the original on 28 July 2019. Retrieved 10 October 2019.
  11. ↑ McCaffery, Larry (July 1991). "An Interview with Jack Williamson". Science Fiction Studies. 18 (54). Archived from the original on 12 September 2006.
  12. ↑ Pearson, K. (1891). "Ether Squirts". American Journal of Mathematics. 13 (4): 309–72. doi:10.2307/2369570. JSTOR 2369570.
  13. ↑ Kragh, H. (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press. pp. 5–6. ISBN 978-0-691-09552-3.
  14. ↑ Schuster, A. (1898). "Potential Matter – A Holiday Dream". Nature. 58 (1503): 367. Bibcode:1898Natur..58..367S. doi:10.1038/058367a0. S2CID 4046342. Archived from the original on 10 October 2021. Retrieved 31 August 2020.
  15. ↑ Harrison, E. R. (16 March 2000). Cosmology: The Science of the Universe (2nd ed.). Cambridge University Press. pp. 266, 433. ISBN 978-0-521-66148-5. Archived from the original on 10 October 2021. Retrieved 31 August 2020.
  16. ↑ Dirac, P. A. M. (1928). "The Quantum Theory of the Electron". Proceedings of the Royal Society A. 117 (778): 610–624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. doi:10.1098/rspa.1928.0023. JSTOR 94981.
  17. ↑ Dirac, Paul (1931). "Quantised singularities in the electromagnetic field". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. 133 (821): 60–72. Bibcode:1931RSPSA.133...60D. doi:10.1098/rspa.1931.0130. ISSN 0950-1207.
  18. ↑ "Discovering the positron". timeline.web.cern.ch. Retrieved 23 October 2023.
  19. ↑ Kaku, M.; Thompson, J. T. (1997). Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe. Oxford University Press. pp. 179–180. ISBN 978-0-19-286196-2.
  20. ↑ Stewart, P. J. (2010). "Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system". Foundations of Chemistry. 12 (1): 5–15. doi:10.1007/s10698-008-9062-5. S2CID 171000209.
  21. ↑ Canetti, L.; Drewes, M.; Shaposhnikov, M. (2012). "Matter and antimatter in the universe". New Journal of Physics. 14 (9): 095012. arXiv:1204.4186. Bibcode:2012NJPh...14i5012C. doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012. S2CID 119233888.
  22. ↑ Griffiths, D.J. (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. p. 61. ISBN 978-3-527-40601-2.
  23. ↑ Castelvecchi, D. (5 October 2023). "Antimatter falls down, not up". Nature. 622 (7981): 14–15. doi:10.1038/d41586-023-03043-0. PMID 37759123. S2CID 263121330.
  24. ↑ Dolgov, A. D. (2002). "Cosmological Matter-Antimatter Asymmetry and Antimatter in the Universe". arXiv:hep-ph/0211260.
  25. ↑ This is a consequence of the CPT theorem
  26. ↑ As Dirac said in 1933 It is quite possible that for some of the stars it is the other way about, these stars being built up mainly of positrons and negative protons. In fact, there may be half the stars of each kind. The two kinds of stars would both show exactly the same spectra, and there would be no way of distinguishing them by present astronomical methods. Dirac 1965, p. 325
  27. ↑ Castelvecchi, D. (19 December 2016). "Ephemeral antimatter atoms pinned down in milestone laser test". Nature. doi:10.1038/nature.2016.21193. S2CID 125464517.
  28. ↑ Ahmadi, M; et al. (19 December 2016). "Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen". Nature. 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Natur.541..506A. doi:10.1038/nature21040. hdl:1828/11655. PMID 28005057.
  29. ↑ Citation Close Sather, E. (1999). "The Mystery of the Matter Asymmetry" (PDF). Beam Line [d]. 26 (1): 31–37. Archived (PDF) from the original on 12 October 2008. Retrieved 22 June 2008.
მოძიებულია „https://ka.wikipedia.org/w/index.php?title=ანტიმატერია&oldid=5349368“-დან