จักรวาลเต็มไปด้วยความลับที่น่าอัศจรรย์ หลุมดำที่น่ากลัว "สสารมืด" ขัดขืนดาวคู่ที่ไม่อาจคาดเดาได้ แน่นอนหนึ่งในปริศนาที่โด่งดังและน่าสนใจที่สุดคือแอนทายแมทเทอร์ซึ่งประกอบด้วยสสาร "Inside-out" การค้นพบปรากฏการณ์นี้เป็นหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ผ่านมา
เมื่อถึงจุดนี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอนุภาคมูลฐานเป็นหน่วยการสร้างพื้นฐานและไม่เปลี่ยนรูปแบบของเอกภพซึ่งไม่ได้เกิดอีกครั้งและไม่เคยหายไป ภาพที่น่าเบื่อและไม่ซับซ้อนนี้เป็นเรื่องราวในอดีตเมื่อปรากฎว่าอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและคู่ของมันจากโพสิตรอนที่ต่อต้านโลกถูกทำลายซึ่งกันและกันก่อให้เกิดควอนตัมพลังงาน และต่อมาก็เห็นได้ชัดว่าอนุภาคมูลฐานโดยทั่วไปชอบที่จะกลายเป็นกันและกันและในรูปแบบที่แปลกประหลาดที่สุด การค้นพบปฏิสสารเป็นจุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงของความคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติของจักรวาล
ปฏิสสารเป็นหัวข้อที่ชื่นชอบมานานของนิยายวิทยาศาสตร์ เรือ Enterprise จากลัทธิ Star Trek ใช้เครื่องยนต์ปฏิสสารในการพิชิตจักรวาล ในหนังสือของแดนบราวน์แองเจิลและปีศาจตัวละครหลักช่วยปกป้องกรุงโรมจากการวางระเบิดบนพื้นฐานของสารนี้ การปราบปรามพลังงานที่ไม่สิ้นสุดซึ่งได้มาจากปฏิกิริยาของสสารกับแอนทายแมทเทอร์มนุษย์จะได้รับพลังเหนือการคาดการณ์ของนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ที่กล้าหาญที่สุด ปฏิสสารไม่กี่กิโลกรัมก็เพียงพอที่จะผ่านกาแลคซี
แต่ก่อนการสร้างอาวุธและยานอวกาศนั้นยังห่างไกลมาก ในปัจจุบันวิทยาศาสตร์มีส่วนร่วมในการพิสูจน์ทางทฤษฎีของการมีอยู่ของปฏิสสารและการศึกษาคุณสมบัติของมันและนักวิทยาศาสตร์ใช้หลายสิบในกรณีที่รุนแรงหลายร้อยอะตอมในการทดลองของพวกเขา เวลาในชีวิตของพวกเขาคำนวณเป็นเสี้ยววินาทีและค่าใช้จ่ายในการทดลองอยู่ที่หลายสิบล้านดอลลาร์ นักฟิสิกส์เชื่อว่าความรู้เกี่ยวกับปฏิสสารจะช่วยให้เราเข้าใจวิวัฒนาการของจักรวาลและเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในทันทีหลังจากบิ๊กแบง
ปฏิสสารคืออะไรและคุณสมบัติของมันคืออะไร?
ปฏิสสารเป็นสสารชนิดพิเศษที่ประกอบด้วยปฏิสสาร พวกมันมีสปินและมวลเท่ากันกับโปรตอนและอิเล็กตรอนสามัญ แต่แตกต่างจากพวกมันด้วยสัญญาณของประจุไฟฟ้าและสีแบริออนและควอนตัมจำนวนควอนตัม กล่าวง่ายๆถ้าอะตอมของสสารปกติประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนเชิงลบปฏิสสารจะตรงกันข้าม
ในการทำงานร่วมกันของสสารและปฏิสสารการทำลายล้างเกิดขึ้นกับการปล่อยโฟตอนหรืออนุภาคอื่น ๆ พลังงานที่ได้รับในเวลาเดียวกันนั้นสูงมาก: ปฏิสสารหนึ่งกรัมก็เพียงพอสำหรับการระเบิดหลายกิโลตัน
ตามแนวคิดสมัยใหม่สสารและปฏิสสารมีโครงสร้างเดียวกันเนื่องจากแรงและปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำหนดว่ามันทำหน้าที่เหมือนกันทั้งบนอนุภาคและบน "ฝาแฝด"
มีความเชื่อกันว่าปฏิสสารนั้นสามารถสร้างแรงโน้มถ่วงได้ แต่ความจริงข้อนี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์อย่างแน่นอน ในทางทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควรกระทำกับสสารและปฏิสสารในลักษณะเดียวกัน แต่สิ่งนี้ยังไม่ได้ถูกกำหนดให้ทดลอง ตอนนี้พวกเขากำลังแก้ไขปัญหานี้ในโครงการ ALPHA, AEGIS และ GBAR
ในตอนท้ายของปี 2015 การใช้คอลไลเดอร์ RHIC นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างแอนติโปรตรอนได้ มันกลับกลายเป็นว่ามันมีค่าเท่ากับลักษณะที่คล้ายกันของโปรตอน
ในปัจจุบันรู้จัก "ฝาแฝด" ของอนุภาคพื้นฐานเกือบทั้งหมดที่มีอยู่เป็นที่รู้จักยกเว้นสิ่งที่เรียกว่า "เป็นกลางจริง" ซึ่งในระหว่างการผันคำกริยาประจุไฟฟ้า อนุภาคเหล่านี้รวมถึง:
- โฟตอน;
- ฮิกส์โบซอน;
- อนุภาค pi เป็นกลาง
- อนุภาคทางฟิสิกส์นี้;
- Gravitron (ยังไม่ได้ค้นพบ)
ปฏิสสารใกล้ยิ่งกว่าที่คุณคิด แหล่งที่มาของปฏิสสารที่ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากเกินไปนั้นก็คือกล้วยทั่วไป พวกเขามีไอโซโทปโพแทสเซียม -40 ซึ่งสลายตัวไปในรูปแบบโพซิตรอน สิ่งนี้เกิดขึ้นประมาณหนึ่งครั้งทุกๆ 75 นาที องค์ประกอบนี้ยังเป็นส่วนหนึ่งของร่างกายมนุษย์เพื่อให้เราแต่ละคนสามารถเรียกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของปฏิปักษ์
จากพื้นหลัง
เป็นครั้งแรกที่ Arthur Schuster นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษยอมรับความคิดเรื่องการมีอยู่ของสสารด้วยเครื่องหมายที่แตกต่างกันในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 สิ่งพิมพ์ของเขาในหัวข้อนี้ค่อนข้างคลุมเครือและไม่มีหลักฐานใด ๆ เป็นไปได้มากที่สุดสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์ได้รับแจ้งจากการค้นพบอิเล็กตรอนเมื่อเร็ว ๆ นี้ เขาเป็นคนแรกที่แนะนำคำว่า "ปฏิสสาร" และ "การต่อต้าน" ในการใช้ทางวิทยาศาสตร์
ต่อต้าน - อิเล็กตรอนได้รับก่อนการค้นพบอย่างเป็นทางการ เรื่องนี้ทำโดยนักฟิสิกส์โซเวียตมิทรี Skobeltsinu ในยุค 20 ของศตวรรษที่ผ่านมา เขาได้รับผลกระทบแปลก ๆ เมื่อตรวจสอบรังสีแกมม่าในห้องของวิลสัน แต่เขาไม่สามารถอธิบายได้ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าปรากฏการณ์นี้เกิดจากการปรากฏตัวของอนุภาคและปฏิปักษ์ - อิเล็กตรอนและโพซิตรอน
ในปี 1930 Paul Dirac นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียงทำงานเกี่ยวกับสมการความสัมพันธ์ของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทำนายการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ที่มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงข้าม ในเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์รู้เพียงอนุภาคเดียว - โปรตอน แต่มันหนักกว่าอิเล็กตรอนหลายพันเท่าดังนั้นพวกเขาจึงไม่สามารถตีความข้อมูลที่ได้จาก Dirac สองปีต่อมา American Anderson ค้นพบ "แฝด" ของอิเล็กตรอนในการศึกษาการแผ่รังสีจากอวกาศ เขาเรียกว่าโพซิตรอน
ในช่วงกลางศตวรรษที่ผ่านมานักฟิสิกส์มีช่วงเวลาที่ดีในการศึกษาปฏิปักษ์นี้มีการพัฒนาหลายวิธีในการเตรียมการ ในปี 1950 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ antiproton และ anti-neutron ในปี 1965 anti-deuteron ได้รับและในปี 1974 นักวิจัยโซเวียตได้ทำการสังเคราะห์นิวเคลียสต่อต้านฮีเลียมและไอโซโทป
ในยุค 60 และยุค 70 antiparticles ในชั้นบรรยากาศถูกค้นหาโดยใช้บอลลูนกับอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ กลุ่มนี้นำโดยรางวัลโนเบลลูอิสอัลวาเรต โดยรวมแล้วมีอนุภาคประมาณ 40,000 ตัวถูกจับ แต่ไม่มีสิ่งใดที่เกี่ยวข้องกับปฏิสสาร ในปี 2002 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันและญี่ปุ่นได้ทำการวิจัยที่คล้ายกัน พวกเขาเปิดตัวบอลลูน BESS ขนาดใหญ่ (ขนาด 1.1 ล้านลูกบาศก์เมตร) ถึงความสูง 23 กิโลเมตร แต่ใน 22 ชั่วโมงของการทดลองพวกเขาล้มเหลวในการตรวจจับแม้กระทั่งแอนติบอดีที่ง่ายที่สุด การทดลองที่คล้ายกันภายหลังได้ดำเนินการในทวีปแอนตาร์กติกา
ในช่วงกลางทศวรรษที่ 90 นักวิทยาศาสตร์ชาวยุโรปได้รับอะตอมแอนโดรเจนไฮโดรเจนซึ่งประกอบด้วยสองอนุภาค: โพสิตรอนและแอนติโปรตรอน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามันเป็นไปได้ที่จะสังเคราะห์องค์ประกอบนี้จำนวนมากขึ้นซึ่งทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะก้าวหน้าในการศึกษาคุณสมบัติของมัน
ในปี 2548 มีการติดตั้งเครื่องตรวจจับปฏิสสารที่ไวต่อความรู้สึกบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS)
ปฏิสสารในอวกาศ
ผู้ค้นพบโพสิตรอนพอลดิแรคเชื่อว่าในเอกภพนั้นมีพื้นที่ทั้งหมดที่ประกอบด้วยปฏิสสารทั้งหมด เขาพูดเกี่ยวกับเรื่องนี้ในการบรรยายโนเบล แต่จนถึงตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่สามารถหาอะไรแบบนี้ได้
แน่นอนว่ามีอนุภาคต่อต้านอยู่ในอวกาศ พวกมันเกิดขึ้นเนื่องจากกระบวนการพลังงานสูงหลายอย่าง: การระเบิดของซูเปอร์โนวาหรือการเผาไหม้เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์เกิดขึ้นในเมฆพลาสมารอบหลุมดำหรือดาวนิวตรอนเกิดจากการชนกันของอนุภาคพลังงานสูงในอวกาศระหว่างดวงดาว ยิ่งไปกว่านั้นปฏิสสารขนาดเล็กจำนวนหนึ่งถูก“ หลั่ง” โดยฝนบนโลกของเราอย่างต่อเนื่อง การสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสีก็มาพร้อมกับการก่อตัวของโพสิตรอน แต่ทั้งหมดข้างต้นเป็นเพียงปฏิปักษ์ แต่ไม่ใช่ปฏิสสาร จนถึงขณะนี้นักวิจัยยังไม่พบแม้แต่ฮีเลียมต่อต้านในอวกาศสิ่งที่พูดถึงองค์ประกอบที่หนักกว่า ความล้มเหลวของการค้นหารังสีแกมมาที่เฉพาะเจาะจงซึ่งมาพร้อมกับกระบวนการทำลายล้างในการชนกันของสสารและปฏิสสาร
เมื่อพิจารณาจากข้อมูลที่มีในปัจจุบันไม่มี antigalaxies, anti-stars หรือวัตถุปฏิสสารขนาดใหญ่อื่น ๆ และนี่เป็นสิ่งที่แปลกมาก: ตามทฤษฎีของบิ๊กแบงในช่วงเวลาที่กำเนิดของจักรวาลของเราปริมาณสสารและปฏิสสารปรากฏขึ้นในปริมาณที่เท่ากันและที่สุดท้ายก็ไม่มีความชัดเจน ปัจจุบันมีคำอธิบายสองประการสำหรับปรากฏการณ์นี้: ปฏิสสารหายไปทันทีหลังจากการระเบิดหรือมีอยู่ในส่วนที่ห่างไกลของจักรวาลและเราก็ยังไม่ได้ค้นพบมัน ความไม่สมดุลดังกล่าวเป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ยุคใหม่
มีสมมติฐานว่าในช่วงแรกของชีวิตในจักรวาลของเราปริมาณของสสารและปฏิสสารใกล้เคียงกันเกือบทุก antiprotons และโพสิตรอนทุกพันล้านครั้งมีคู่เหมือนกันมากรวมทั้งโปรตอนและอิเล็กตรอน เมื่อเวลาผ่านไปจำนวนของสสารและปฏิสสารหายไปในกระบวนการทำลายล้างและทุกสิ่งที่ล้อมรอบเราในวันนี้เกิดจากการเกินดุล จริงมันไม่ชัดเจนเลยว่าที่ไหนและทำไมอนุภาค "พิเศษ" ปรากฏขึ้น
รับปฏิสสารและความยากลำบากของกระบวนการนี้
ในปี 1995 นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแอนติบอดีได้เพียงเก้าอะตอมเท่านั้น พวกมันมีอยู่นานหลายสิบนาโนวินาทีแล้วทำลาย ในปี 2545 จำนวนอนุภาคมีอยู่ในหลักร้อยและอายุขัยของพวกมันเพิ่มขึ้นหลายเท่า
antiparticle เกิดขึ้นพร้อมกับ“ double” ปกติของมัน ยกตัวอย่างเช่นการได้รับโพสิตรอนคู่อิเล็กตรอนจำเป็นต้องมีปฏิสัมพันธ์ของแกมม่าควอนตัมกับสนามไฟฟ้าของนิวเคลียสของอะตอม
การเกิดปฏิสสาร - ลำบากมาก กระบวนการนี้เกิดขึ้นในเครื่องเร่งความเร็วและแอนติบอดีจะถูกเก็บไว้ในวงแหวนสำหรับจัดเก็บพิเศษภายใต้สภาวะสูญญากาศสูง ในปี 2010 นักฟิสิกส์เป็นครั้งแรกที่สามารถดักจับอะตอมต่อต้านไฮโดรเจน 38 ตัวในกับดักพิเศษและจับมันไว้ที่ 172 มิลลิวินาที ในการทำเช่นนี้นักวิทยาศาสตร์ต้องทำให้เย็นลง 30,000 antiprotons ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -70 ° C และโพซิตรอนสองล้านถึง -230 ° C
ในปีต่อไปนี้นักวิจัยสามารถปรับปรุงผลลัพธ์อย่างมีนัยสำคัญ: เพื่อเพิ่มชีวิตของปฏิปักษ์ไปเป็นพันวินาที ในอนาคตเราวางแผนที่จะค้นหาว่ามีหรือไม่มีผลต้านแรงโน้มถ่วงสำหรับปฏิสสาร
ปัญหาของการเก็บแอนทายแมทเทอร์นั้นเป็นอาการปวดหัวอย่างแท้จริงสำหรับนักฟิสิกส์เพราะแอนตีโปรตรอนและโพสิตรอนจะทำลายล้างทันทีเมื่อพบกับอนุภาคใด ๆ นักวิทยาศาสตร์ต้องคิดค้นอุปกรณ์ที่ฉลาดที่สามารถป้องกันภัยพิบัติได้ แอนติบอดีที่ถูกชาร์จจะถูกเก็บไว้ใน Penning trap ซึ่งคล้ายกับคันเร่งขนาดเล็ก สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าอันทรงพลังของมันจะป้องกันโพสิตรอนและแอนตีโปรตรอนไม่ให้ชนกับผนังของอุปกรณ์ อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ดังกล่าวไม่ทำงานกับวัตถุที่เป็นกลางเช่นอะตอมต่อต้านไฮโดรเจน สำหรับกรณีนี้กับดัก Joffe ได้รับการพัฒนา การกักเก็บของอะตอมต่อต้านในมันเกิดขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็ก
ค่าใช้จ่ายของปฏิสสารและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
ด้วยความยากลำบากในการได้รับและจัดเก็บปฏิสสารมันไม่น่าแปลกใจที่ราคาของมันสูงมาก จากการคำนวณของนาซาในปี 2549 โพสิตรอนหนึ่งมิลลิกรัมมีราคาประมาณ $ 25 ล้าน จากข้อมูลก่อนหน้านี้สารต่อต้านไฮโดรเจนประมาณ 62 ล้านล้านดอลลาร์ นักฟิสิกส์ชาวยุโรปจาก CERN ได้รับตัวเลขประมาณเดียวกัน
ปฏิสสารที่อาจเกิดขึ้นเป็นเชื้อเพลิงในอุดมคติมีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ปัญหาคือปฏิสสารที่สร้างขึ้นโดยผู้คนทั้งหมดนั้นแทบจะไม่พอที่จะต้มกาแฟอย่างน้อยหนึ่งถ้วย
การสังเคราะห์แอนทายแมทเทอร์หนึ่งกรัมต้องการพลังงาน 25 ล้านล้านกิโลวัตต์ - ชั่วโมง บางทีสักวันหนึ่งเราจะเติมเชื้อเพลิงให้กับยานอวกาศ แต่สำหรับสิ่งนี้คุณต้องหาวิธีการรับและเก็บข้อมูลระยะยาวที่ง่ายและราคาถูกกว่า
แอปพลิเคชั่นที่มีอยู่และมีแนวโน้ม
ปัจจุบันแอนทายแมทเทอร์ถูกใช้ในทางการแพทย์ในระหว่างการตรวจเอกซเรย์ปล่อยโพซิตรอน วิธีนี้ช่วยให้คุณสามารถรับภาพอวัยวะภายในด้วยความละเอียดสูง ไอโซโทปกัมมันตรังสีเช่นโพแทสเซียม -40 นั้นถูกรวมเข้ากับสารอินทรีย์เช่นกลูโคสและถูกฉีดเข้าไปในระบบไหลเวียนโลหิตของผู้ป่วย ที่นั่นพวกมันปล่อยโพสิตรอนซึ่งถูกทำลายเมื่อพวกเขาพบกับอิเล็กตรอนในร่างกายของเรา รังสีแกมมาที่ได้รับในระหว่างกระบวนการนี้จะสร้างภาพของอวัยวะหรือเนื้อเยื่อที่ตรวจสอบ
ปฏิสสารยังได้รับการศึกษาว่าเป็นวิธีการรักษาโรคมะเร็งที่เป็นไปได้
แน่นอนว่าการใช้ปฏิสสารมีคำสัญญาที่ดี มันสามารถนำไปสู่การปฏิวัติพลังงานที่แท้จริงและอนุญาตให้ผู้คนไปถึงดวงดาว นิยายที่ชื่นชอบของสเก็ตนวนิยายคือยานอวกาศที่มีสิ่งที่เรียกว่าวิปริตเอ็นจิ้นซึ่งทำให้พวกเขาเดินทางด้วยความเร็วสูงพิเศษ วันนี้มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์หลายแบบของการติดตั้งดังกล่าวและส่วนใหญ่ใช้ปฏิสสารในงานของพวกเขา
มีข้อเสนอที่สมจริงยิ่งขึ้นโดยไม่ต้องมีตั๋วเครื่องบินขนาดเล็กและพื้นที่พิเศษ ตัวอย่างเช่นมีการเสนอให้โยนยูเรเนียม -238 เป็นแคปซูลพร้อมดิวเทอเรียมและฮีเลียม -3 ภายในเมฆแอนติโปรตรอน นักพัฒนาโครงการเชื่อว่าการทำงานร่วมกันของส่วนประกอบเหล่านี้จะนำไปสู่การเริ่มต้นของปฏิกิริยาความร้อนนิวเคลียร์ซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ถูกนำโดยสนามแม่เหล็กเข้าไปในหัวฉีดเครื่องยนต์จะช่วยให้เรือมีแรงฉุดอย่างมีนัยสำคัญ
สำหรับเที่ยวบินสู่ดาวอังคารในหนึ่งเดือนวิศวกรชาวอเมริกันแนะนำให้ใช้ฟิชชันนิวเคลียร์ที่ถูกกระตุ้นโดยแอนตีโปรตรอน จากการคำนวณของพวกเขาอนุภาคนาโนเหล่านี้มีความจำเป็นเพียง 140 นาโนเมตรสำหรับการเดินทางดังกล่าว
เมื่อพิจารณาถึงปริมาณของพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำลายล้างสารต่อต้านสารนี้เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการบรรจุระเบิดและวัตถุระเบิดอื่น ๆ แม้ปฏิสสารเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอที่จะสร้างอาวุธยุทโธปกรณ์ที่สามารถเทียบเคียงได้กับพลังของระเบิดนิวเคลียร์ แต่ในขณะที่มันเร็วเกินไปที่จะกังวลเกี่ยวกับมันเพราะเทคโนโลยีนี้อยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา เป็นไปได้ยากที่โครงการดังกล่าวจะเกิดขึ้นในอีกไม่กี่สิบปีข้างหน้า
ในขณะเดียวกันปฏิสสารเป็นครั้งแรกของเรื่องของการศึกษาวิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎีซึ่งสามารถบอกมากเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกของเรา สถานการณ์นี้ไม่น่าจะเปลี่ยนแปลงจนกว่าเราจะเรียนรู้ที่จะรับมันในระดับอุตสาหกรรมและประหยัดได้อย่างน่าเชื่อถือ จากนั้นเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการใช้งานจริงของสารนี้
