Antymateria – czym jest i co ją cechuje?

Antymateria ma zdecydowanie przerysowany obraz, przynajmniej w świadomości wielu z nas. Wszystko za sprawą popkultury, która uczyniła z niej coś wręcz coś niezwykle niebezpiecznego. Co jednak na temat samej antymaterii mówi nauka?

Fani gatunku science fiction z pewnością spotkali się z pojęciem antymaterii, która w wielu dziełach tego rodzaju jest częstym elementem. Począwszy od broni opartej o antymaterię przez silniki, które korzystając z niej, są w stanie osiągać zawrotne prędkości w kosmosie. Antymateria istnieje, ale jej obraz, jak to bywa w tego rodzaju produkcjach, został wypaczony. Czym zatem jest antymateria?

Co to jest antymateria?

Na początek postarajmy się jednak wyjaśnić to, co kryje się pod pojęciem antymaterii. W najprostszym ujęciu omawiane zagadnienie może być wyjaśnione jako „lustrzane odbicie” materii. Tak jak materię tworzą cząstki, tak antymateria zbudowana jest z antycząstek. Wspomniane antycząstki różnią się od cząstek tym, że mają przeciwny do nich ładunek elektryczny oraz obracają się w przeciwnym kierunku.

Materia zbudowana jest z atomów, które tworzą tzw. cząstki elementarne. Wśród nich wyróżniamy elektrony, protony i neutrony – to, co tworzy antymaterię, jest niejako ich wspomnianym już odbiciem lustrzanym. Rozumieć przez to należy fakt, iż antycząstki tworzą antyatomy. Składniki tworzące antyatomy to pozytony (dodatnio naładowane elektrony), antyprotony (ujemnie naładowane protony) i antyneutrony (mają taką samą masę jak neutrony, są podobnie jak one obojętnie elektryczne, ale różnią się od nich budową).

Pomimo faktu, że ówczesna nauka nie dysponuje pełnym spektrum dowodów, uznaje się, że każda cząstka materii posiada swój odpowiedni w postaci antycząstki. Choć nie zostało to dowiedzione, badacze wskazują, że dotyczy to nawet fotonów. Jedna z teorii, która jest popularna wśród fizyków teoretycznych, mówi, że w momencie Wielkiego Wybuchu i chwilę po nim, liczba cząstek i antycząstek była w niemalże równych proporcjach.

Teoria wskazuje nawet, że spoglądając na układ okresowy pierwiastków, nic nie stoi na przeszkodzie, aby istniał odpowiednik każdego pierwiastka. Poszczególne elementy będą zbudowane z antymaterii, dając takie pierwiastki jak antytlen, antyhel, antyżelazo – słowem, wszystko, co się tam znajduje. Oznacza to, że pierwiastki te byłyby w stanie tworzyć antyzwiązki, jak antywoda lub antybiałko.

Sam antyhel (dokładnie antyhel-3) został już sztucznie stworzony i to stosunkowo dawno. Dokonali tego naukowcy radzieccy w latach 70. XX wieku, jednak sam proces był niezwykle skomplikowany i kosztowny. Jądro atomowe tego antypierwiastka jest po dziś dzień najbardziej skomplikowanym przykładem jądra tego rodzaju. Choć teoria wskazuje na możliwość tworzenia cięższych antypierwiastków, jak dotąd nauka zdolna jest jedynie do „przerabiania” tych najlżejszych, jak wodór i hel.

Jak działa antymateria w kontakcie z materią?

Kontakt materii z antymaterią z pewnością nie mógłby zostać przeoczony. To wręcz namacalny dowód na to, że w naszym otoczeniu nie występuje antymateria. Dlaczego? W momencie wejścia w kontakt cząstek materii i antymaterii ulegają one wzajemnej anihilacji, czyli zniszczeniu. Następstwem tej reakcji jest wyzwolenie się ogromnej ilości energii oraz promieniowania gamma.

To właśnie z tego powodu antymateria jest chętnie wykorzystywanym motywem w filmach oraz literaturze fantastycznonaukowej. Ogromne źródło energii do napędzania zaawansowanych technologii, jakie daje anihilowanie cząstek materii i antymaterii we wzajemnym kontakcie, to coś, co znajduje swoje poparcie w nauce. Jest tutaj jednak pewien sporych rozmiarów haczyk, skrzętnie pomijany w filmach oraz książkach – mianowicie kontrolowanie całej reakcji.

Antymateria we Wszechświecie – czy należy szukać jej w kosmosie?

Antymateria na ziemi dostępna jest jedynie w formie sztucznej, co oznacza, że próżno szukać jej naturalnego odpowiednika. Czy w związku z tym powinniśmy skierować nasz wzrok ku gwiazdom? Wspominaliśmy już, że tuż po Wielkim Wybuchu panowała swoista symetria pod względem proporcji materii oraz antymaterii – co wiemy na ten temat dziś, 13,8 miliardów lat po tym wydarzeniu?

Teorie dotyczące kwestii dystrybucji materii we Wszechświecie sugerują, że samej antymaterii jest jak na lekarstwo. Wszechświat najprawdopodobniej w całości składa się z materii, jednak nie ma co do tego pełnego przekonania. Badacze nie ustają w próbach detekcji antymaterii naturalnego pochodzenia, jednak wciąż większość poszukiwań kończy się porażka. Obecnie mamy pewność co do tego, że Układ Słoneczny wraz ze swoimi okolicami jest pozbawiony antymaterii.

Istnieją jednak dowody na to, że pewne wyizolowane obszary o stosunkowo małej powierzchni, mogą być źródłem antymaterii. Znajdują się one w głębokiej przestrzeni, stąd ich obserwacja pod tym względem jest utrudniona. Naukowcy sugerują jednak, że wysokoenergetyczne reakcje, jakie tam zachodzą, nie są związane np. z kwazarem. Jedną z teorii tłumaczącą to zjawisko jest obecność antymaterii, która następnie ulega anihilacji, manifestując to uwalnianą energią i promieniowaniem.

Co jednak ciekawe, badacze postulują, że wspomniana antymateria nie jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. Oznacza to, że musi być ona w jakiś sposób „produkowana”, jednak natura tego procesu pozostaje nieznana. Biorąc pod uwagę znacznie większą ilość antymaterii po Wielkim Wybuchu, wciąż nierozwiązany pozostaje jej zanik we Wszechświecie.

Ówczesna astronomia skłania się również ku teorii, która mówi, że we Wszechświecie nie ma obszarów zbudowanych z ogromnych ilości antymaterii. Ich wykrycie wiązałoby się z detekcją tzw. obszarów punktu styku. Są to miejsca graniczne, w których materia wchodziłaby w kontakt z antymaterią. Efektem tego byłoby wyzwalanie energii i promieniowania, jednak sama reakcja nie postępowałaby w żadną ze stron. Byłoby tak z uwagi na ilości składników po obu stronach, co uniemożliwiałoby dominację np. materii nad antymaterią. Jak dotąd jednak nie wykryto takich miejsc – w związku z tym uważa się, że mogą one wcale nie istnieć.

Sprawdź też: Prędkość światła – ile wynosi i wszystko inne, co musisz o niej wiedzieć

Antymateria – historia badań

Sama antymateria będzie wkrótce „obchodzić” stulecie prac nad nią. Ma to związek z tym, że formalnie zaproponowane pojęcie antymaterii miało miejsce w 1928 roku. To właśnie wtedy Paul Dirac wprowadził równanie Diraca. Było to relatywistyczne równanie elektronu, które zakładało istnienie jego antycząstki, która posiadałoby dodatni ładunek. Dirac nie był jednak odkrywcą omawianej cząstki, jedynie ją proponując. Korzystając jednak z jego dokonań, tzw. dodatni elektron (pozyton) został zaobserwowany cztery lata później.

Paul Dirac w 1933 roku został uhonorowany nagrodą Nobla z dziedziny fizyki. Wyróżnienie to zostało mu przyznane za całokształt prac związanych z fizyką kwantową. Podczas wykładu związanego z odbiorem nagrody, Dirac nie zapomniał jednak o antymaterii, którą przewidział. Stwierdził on w nim, że istnieć może kompletnie innym Wszechświat, który w całości będzie zbudowany z antymaterii.

Był to więc swoisty asumpt do wyścigu, w którym odkryć należało antycząstki pozostałych cząstek elementarnych. Krzywa poziomu trudności wystrzeliła jednak w górę, ponieważ na rezultat trzeba było zaczekać aż 22 lata po odkryciu pozytonu. W 1954 roku, z wykorzystaniem specjalnego akceleratora cząstek (Bevatronu), odkryty został antyproton. Rok po tym wydarzeniu nastąpił kolejny sukces – ponownie korzystając z mocy Bevatronu odkryto antyneutron. 

Odkryte więc zostały trzy główne odpowiedniki cząstek, które budują atomy. Następne prace mogły się więc skupić na udowodnieniu (lub odrzuceniu) przewidywań Diraca. Wciąż nierozstrzygnięte było to, czy antycząstki są w stanie łączyć się i stworzyć antyatom, podstawową jednostkę antymaterii. Udało się to osiągnąć w 1965 roku, gdy dwa zespoły naukowców zaobserwowały istnienie antydeuteronu (jego jądro atomowe stworzone było z antyprotonu i antyneutronu). Był to pierwszy przypadek sztucznego stworzenia antymaterii, a nie jedynie pojedynczych antycząstek, które ją budują.

Czy w bananach jest antymateria?

Tytuł tego akapitu może brzmieć co najmniej dziwnie i sprzecznie w stosunku do słów, że antymateria nie występuje na Ziemi w naturalnej formie. Prawdą jest jednak to, że te nader pyszne owoce „produkują” jedną z antycząstek cyklicznie. O co tu chodzi?

Wspomnianą antycząstką jest pozyton, który powstaje we wnętrzu banana co około 75 minut. Jak dobrze wiemy, owoce te są cennym źródłem potasu, który stanowi ważny element naszej diety. Tajemnicą może być już jednak to, że banany zawierają radioaktywne izotopy pochodzenia naturalnego – w szczególności potas-40. Izotop ten jest niestabilny i ulega rozpadowi, jednak sam proces trwa długi. I to bardzo, ponieważ okres połowicznego rozpadu dla potasu-40 wynosi około 1,25 miliarda lat!

Rzecz jasna izotop potasu-40 znajduje się w absolutnie śladowych ilościach w ogólnej ilości potasu w bananie. Nie ma tu mowy o tym, by doświadczyć jakichkolwiek skutków promieniowania radioaktywnego. Potas-40 ulegając stałemu rozpadowi, produkuje jeden pozyton co około 75 minut. Ulega on jednak natychmiastowej anihilacji, wchodząc w kontakt z elektronami tła. Możliwe, że w toku tej reakcji produkowane są fotony, jednak obserwacja zjawiska jest niemożliwa przy pomocy gołego oka.

Sięgając po kolejnego banana, nie musisz mieć obaw co do jego wpływu na Twoje zdrowie. Owoce te są cenny źródłem diety człowieka i rezygnacja z nich z powodu produkowanej rzekomo antymaterii będzie złym pomysłem.

Do czego jest wykorzystywana antymateria?

Pomimo faktu, że antymateria może się wydawać niebezpieczna, ludzkość znalazła dla niej zastosowanie. Prawdą jest to, że wykorzystanie antymaterii nie jest rozległe, jednakże układ antycząstek jest ważny np. z punktu widzenia medycyny. Jedna z technik obrazowania ludzkiego ciała, konkretnie pozytonowa tomografia emisyjna, korzysta z antymaterii. 

Technika ta korzysta z radioizotopów, które podobnie jak w przypadku prześwietlenia, służą do przenikania przez ciało pacjenta. Naturalny proces rozpadu izotopów prowadzi do tworzenia się pozytonów, jednej z antycząstek. Wchodzą one w natychmiastowy kontakt z elektronami i ulegają anihilacji. Powstaje promieniowanie gamma, które jest wykrywane przez urządzenie i odpowiednio obrabiane.

Sprawdź też: Czy napęd antygrawitacyjny może stać się faktem? Co wiemy o antygrawitacji?

Pozytonowa tomografia emisyjna jest niezwykle pomocna dla lekarzy podczas stawiania słusznej diagnozy. Pozwala znacznie łatwiej identyfikować różne rodzaje raka oraz inne wszelkie zmiany biologiczne, których właściwa diagnoza byłaby niemożliwa z wykorzystaniem RTG lub MRI.

Antymateria w połączeniu z materią – o jak dużej ilości energii może tu być mowa?

W artykule wspominaliśmy już, że antymateria, wchodząc w kontakt z materią, ulega wzajemnemu unicestwieniu, czego efektem jest emisja ogromnej ilości energii. O jak dużych wartościach jest tu mowa? Naukowcy z NASA przedstawili konkretne liczby w tym przypadku.

Stanley K. Borowski, pracujący na stanowisku inżyniera jądrowego w NASA w pracy z 1987 roku stwierdza, że kilogram materii i kilogram antymaterii wyprodukowałyby 180 petadżuli energii. W przeliczeniu na jednostkę równoważnika trotylowego wynosiłoby to około 43 megatony. Porównajmy to więc do Car-bomby, największej sztucznej eksplozji dokonanej przez człowieka. W przypadku ładunku wodorowego ilość uwolnionej energii wynosiła 58 megaton.

Wartości, o jakich jest tu mowa, są przeogromne. Choć opracowanie napędu wykorzystującego anihilację materii i antymaterii pozostaje wciąż marzeniem, NASA widzi potencjał w tym rozwiązaniu. A gra zdecydowanie jest warta wiele – dwa kilogramy paliwa to zdecydowanie mniej niż niemal 2 miliony litrów, jak miało to miejsce w przypadku rakiet Saturn V (770 tysięcy litrów kerozyny i 1,2 miliona litrów ciekłego tlenu).

Ile kosztuje 1 g antymaterii?

Koszt zakupu antymaterii przyprawia o zawrót głowy – według naukowców jest to obecnie najdroższy materiał do wytworzenia. Samo wytworzenie 10 miligramów pozytonów pochłania około 250 milionów dolarów, co przekłada się na kwotę 25 miliardów za jeden gram pozytonów. Wczesne kalkulacje NASA z 1999 roku przyjęły, że jeden gram antywodoru kosztowałby 62,5 bilionów dolarów.

Sprawdź też: Jak powstały pierścienie Saturna? Z czego się składają?

Te zawrotne ceny spowodowane są koniecznością zastosowania odpowiednich środków oraz narzędzi. W przypadku produkcji z wykorzystaniem akceleratora cząstek jest to proces żmudny. Podczas każdego eksperymentu z jego wykorzystaniem, uzyskiwanych jest zaledwie kilka antyprotonów. Dodajmy do tego fakt, że urządzenia te są kosztowne w utrzymaniu i znacznie bardziej potrzebne do innych zastosowań.

Europejski CERN wypowiedział się oficjalnie na temat kosztów związanych z produkcją jednej miliardowej grama antymaterii. Miało to pochłonąć „kilka setek milionów franków szwajcarskich”. Jak widać, koszty są ogromne – to dobre miejsce, aby zestawić je z projektem Manhattan. Jeżeli oglądaliście film Oppenheimer, z pewnością nie jest on Wam obcy, ale wyjaśniamy: to tajny amerykański program budowy broni jądrowej.

Prace podczas opracowania bomby atomowej wymagały zaangażowania niemal 130 tysięcy osób. Amerykański rząd musiał wyłożyć 2 miliardy dolarów, by móc opłacić całe przedsięwzięcie. Pamiętajmy jednak, że była to kwota z lat 40. XX wieku. By oddać jej całość, musimy nałożyć na nią wpływ inflacji – jest to ekwiwalent około 24 miliardów dolarów według przelicznika z 2021 roku. Różnica jest więc olbrzymich rozmiarów.

Antymateria jest tym dla gatunku SF, czym „nanotech” w przypadku filmów o superbohaterach. To swoista furtka, by wytłumaczyć, że coś jest niezwykle skomplikowane a przy tym skuteczne w stopniu, który wykracza poza rozumowanie. Przy tym scenarzyści nie muszą zagłębiać się w szczegóły tłumaczenie zasady działania. W rzeczywistości jednak antymateria istnieje i znajduje zastosowanie, a pewne jej składowe masz nawet w swojej kuchni.