Suprotnost materije

Pregled knjige o Antimateriji Frank Close.

Kreditna slika: https://bookscomefirst.com/tag/particle-physics/

Tako sam prošli vikend pokupio ovu zanimljivu knjigu oksfordskog fizičara čestica Frank Close.

Frank Close. Izvor slike

Za mene sam oduvijek zamišljao uništavanje materije antimaterijom kao nešto što je izvanzemaljski koncept, unatoč površno jednostavnoj ideji koja stoji iza njega - materija i antimaterija se samo poništavaju, zar ne?

Bilo je to malo složenije, a Close izvršava sjajan posao razbijajući ga za čitatelja.

Kad sam prvi put shvatio nasilnu reakciju koja se događa u procesu uništavanja kad su antimaterijski materijali važni, počeo sam konceptualizirati nešto slično onome što se događa kad bacanje bloka alkalnog metala, recimo natrija, u jezero.

Došlo je trenutak visokog oslobađanja energije jer natrij zamjenjuje jedan od vodika u vodi dajući natrijev hidroksid i plin vodik, a neposredno prije masovne eksplozije, površina jezera u koji je natrij ušao ponekad zapalje.

Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Tavoromann.

Međutim, u knjizi Antimaterija, Frank Close, otkrivamo stvarne egzistencijalne aspekte onoga što se naziva "antimaterija".

U svom radu Close raspravlja o razlikama između antimaterije od makroskopske ljestvice, a potom i do atomske i subatomske ljestvice, radeći na skupu svojstava kako bi točno utvrdio zašto antimaterija i materija reagiraju u tako destruktivnom slijedu i što se zapravo događa tijekom te reakcije ,

Nadalje, antimaterija je relevantna za temeljnija pitanja našeg svemira i njegovo formiranje kada počnemo razmatrati pitanja poput zašto je svemir favorizirao stvaranje materije nad antimaterijom.

Kroz Antimateriju, Close vodi svog čitatelja kroz redefiniranje snaga u svijetu kako ih mi klasično razumijemo, i implikacije koje postojanje antimaterije drži za budućnost, kao i misterije iza njezine rijetkosti u odnosu na materiju u svemiru, šireći kako razumijemo ulogu koju kvantna mehanika igra u svemiru.

Orbitale, važan pojam u konceptu modeliranja kemijske reaktivnosti. Izvor slike

Jedan od najzanimljivijih aspekata bliskog ispitivanju antimaterije je hodanje kroz egzistencijalno značenje antimaterije, ali kvantna mehanika kao vodič za razumijevanje tog egzistencijalnog značenja.

Kada pristupimo pitanju s naivnog stajališta "što je suprotno materiji i zašto ona stvara eksplozivne reakcije?", Počinjemo predviđati redovite kemijske reakcije koje brzo puštaju puno energije, prije nego što brzo shvatimo da su sve te kemijske reakcije opisujemo samo interakcije materije i materije.

Pa kako početi definirati antimateriju u odnosu na materiju? Close počinje svoje objašnjenje iz unutrašnjosti atoma, razmatrajući različite električne sile koje djeluju u normalnom atomu materije, u odnosu na ovaj normalan atom materije, antimaterija sadrži skup analognih sila. Međutim, razlikuju se u nečem naizgled minutom:

"Unutar atoma antimaterije su prisutne i ove struje, polja i sile, ali njihovi polariteti su obrnuti: sjeverni polovi postaju južni ..." (Zatvori 17).
Anderson (desno) i Millikan (lijevo). Izvor slike

Kroz ovo svojstvo je prvi put otkriveno postojanje antimaterije. U nizu eksperimenata kasnih 1920-ih, istraživači Anderson i Millikan na kraju su otkrili postojanje pozitivnog elektrona promatrajući kako magnetsko polje preusmjerava putanju skupa električno nabijenih čestica - dislociranih visokoenergetskim kozmičkim zrakom - u suprotnog smjera nego što bi putovao ako bi bio običan elektron (Zatvori 54). Pozitroni su ranije predviđali Paul Dirac-ov rad, ali to je dokumentirano mnogo kasnije u gornjoj instanci.

Štoviše, čini se da svojstvo suprotnih polariteta antimaterije u odnosu na materiju proizlazi iz njezinog unutarnjeg spina. Čini se da je ovo svojstvo spina potpuno odvojeno od pravilnog orbitalnog zamaha koji stvara elektron dok putuje u jezgri. Čini se da se ta rotacija uopće ne odnosi na ideju predenja, kao što bilježi Close:

"Zeeman-ov efekt otkrio je da elektron može djelovati kao mali magnet sa svojim sjevernim i južnim magnetskim polom. Bilo je kao da elektron ima intrinzično rotacijsko gibanje, poznato kao spino, koje se može magnetsko poljubiti u bilo kojoj od dvije orijentacije: u smjeru kazaljke na satu ili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu “(20).
„Spektralne linije živa pare žarulje valne duljine 546,1nm, pokazuju anomalan Zeeman-ov efekt. A. Bez magnetskog polja. B. S magnetskim poljem, spektralne se linije razdvajaju kao poprečni Zeeman-ov efekt. C. S magnetskim poljem, podijeljeno kao uzdužni Zeeman-ov efekt. Spektralne linije dobivene su Fabry-Perot etalonom. Originalne tri fotografije snimljene su u laboratoriju Sveučilišta Anhui Normal za moderne eksperimente fizike, a kasnije su pretočene u jednu ilustraciju.

Ovaj se pojam unutarnjeg spina čini osobito temeljnim jer se čini da je povezan isključivo sa postojanjem elektrona koji jednostavno postojećim, elektronom ili bilo kojom drugom česticom ima "unutarnji spin". Zbunjujuća je spoznaja da postojanje spin i antimaterijskih okvira ima značenje "zarobljene energije", što najbolje pokazuje Einsteinov poznati koncept ekvivalencije mase-energije, sažeti s E = mc².

Kad antimaterija reagira na materiju, čini se da se zapravo događa izbacivanje ovih tvari u fotone s nešto kvanta energije i bez ostatka mase.

Na primjer, elektroni i pozitroni se sudaraju kako bi formirali fotone gama zraka. Izgleda da se složenije reakcije odvijaju jer se čini da sve što nije važno ili antimaterija, uključujući osnovne čestice, može izići iz tih reakcija (Zatvori 65). Energija koja se oslobađa može se zamisliti kao pretvorba antimaterije i čestica materije u pakete elektromagnetskog zračenja, fotone.

Razumijevanje postojanja antimaterije daje širi i sveobuhvatniji pogled na procese koji se odvijaju kroz svemir, neke od značaja za astronomiju. Značajno utječe na nešto temeljno u stvaranju svemira, i kao Blisko artikulira:

„Antimaterija je u središtu jedne od najvećih misterija: zašto ih u svemiru nema više?“ (113).

Bliski napominje kako je čudno da bi postojala tendencija stvaranja materije preko antimaterije s obzirom na to da se one mogu međusobno pretvoriti pri prijelazu u elektromagnetsko zračenje i da jedna drugu uništavaju jednakom učestalošću. Neravnoteža koncentracija antimaterije i materije podrazumijeva da oni u osnovi nisu ogledalo suprotnosti, što ukazuje na to da se igra nešto drugo.

Konačno, hvatanje subatomskih sila poput jake i slabe sile zajedno s nizom osnovnih čestica dolazi s opisom interakcija antimaterije i materije, ali što je još važnije od našeg svemira kao da svjetlost zvijezda neprekidno djeluje s materijom, izmještajući dijelove od nje i stvarajući mnoštvo promatranih pojava koji prikazuju unutarnje funkcioniranje našeg svemira i njegovu povijest.

Čitanje

Zatvori, F. E. Antimaterija. Oxford: Oxford UP, 2009. Ispis.