Antimaterie: Definition, egenskaber og rolle i partikelfysikken

I fysikken findes alle elementarpartikler, eller de grundlæggende byggesten i de ting, vi kan røre ved, parvis. Hver partikel har det, der kaldes en antipartikel. Denne kan se ud og opføre sig ligesom den almindelige partikel, bortset fra en væsentlig forskel. Et eksempel er elektronen og positronen.

Andre antimateriepartikler er på samme måde, hvor de har samme vægt og ser ud og opfører sig på samme måde som almindelige partikler, men deres elektriske ladning er den modsatte af almindelige partiklers. Antibrint har f.eks. positronen, som er positivt ladet, der kredser om en antiproton, som er negativt ladet, hvilket er det modsatte af, hvordan almindelig brint ser ud, som har elektronen (negativ ladning), der kredser om en proton (positiv ladning).

Albert Einstein fandt en formel, der kan vise, hvor meget energi en bestemt mængde af noget har, uanset om det er stof eller antimaterie. Denne formel er E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} , og er en af de mest kendte ligninger. Hvis man simpelt sagt tager massen af noget og derefter multiplicerer den med lysets hastighed og derefter multiplicerer den med lysets hastighed igen, får man, hvor meget ren energi et givet stykke af noget har. Da lysets hastighed er et så stort tal, betyder det, at selv en lille mængde stof kan have meget energi (det er blevet beregnet til at være 4 gange mere effektivt pr. masse end atomfission).

I 1928 søgte fysikeren Paul Dirac efter en ligning, der kunne forudsige, hvordan meget hurtige partikler skulle opføre sig. Der fandtes allerede en anden ligning, der kunne beskrive langsomme partikler, Schrödinger-ligningen, men Einsteins specielle relativitetsteori sagde, at hurtige partikler kunne være meget forskellige fra langsomme partikler. Dirac vidste, at partikler som elektroner normalt bevægede sig meget hurtigt. Han indså, at den gamle ligning ikke ville give gode forudsigelser for hurtige partikler. Så han fandt på en ny ligning, der kunne beskrive partikler, der bevæger sig tæt på lysets hastighed.

For hurtige partikler er det ikke længere sandt, at energien er E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . I stedet virkede Diracs nye ligning for partikler, hvor energien var givet ved E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}}+{\vec {p}}}^{2}c^{2}}} . I den nye ligning for energi kaldes symbolet p → {\displaystyle {\vec {p}}}} for impulsen, og det måler, hvor hurtigt partiklen bevæger sig, og hvor svært det er at stoppe den. Denne ligning siger, at meget hurtige partikler har mere energi, så de er anderledes end langsomme partikler. Du kan tage kvadratroden af hver side af denne ligning, da begge sider er lige store. Men enhver reel kvadratrod har to svar, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} og E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Du kan tænke på svaret med negativ energi som værende antimaterie.

Grunden til, at dette er vigtigt for at forstå antimaterie, er, at forskerne har fundet ud af, at når stof og antimaterie rører hinanden, kommer den mængde energi, der frigives, meget tæt på den mængde energi E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}} siger, at de to dele skal være samlet i de to dele. Årsagen er, at hver stofpartikel, når den berører sin antipartikel i antimaterieverdenen, begge overgår til ren energi eller annihilerer hinanden. Denne frigivelse af en så stor mængde energi er grunden til, at mange science fiction-forfattere bruger antimaterie som brændstof i deres historier. For eksempel bruger forfatteren Dan Brown antimaterie i "Engle og dæmoner" som et meget kraftfuldt våben. Man ser også på antimaterie som en brændstofkilde til virkelige missioner til det ydre rum i fremtiden.

Mange forskere mener, at i de første øjeblikke efter Big Bang, som skabte universet for meget lang tid siden, blandede både stof og antimaterie sig i de første øjeblikke efter Big Bang. Hvis Big Bang skabte lige store mængder af stof og antimaterie, ville de to dele udslettes og blive til energi. Efter lang tid ville der ikke være noget stof og ingen antimaterie tilbage, kun energi. Men vores univers i dag ser ud til at bestå af næsten kun stof og næsten ingen antimaterie. Fysikerne ved endnu ikke med sikkerhed, at der blev skabt lige store mængder stof og antimaterie, og derfor undrer de sig også over, hvor antimaterien blev af, og om der var noget tilbage fra universets begyndelse.

En af forklaringerne er, at der var en lille smule mere stof end antimaterie i begyndelsen, så det, der blev tilbage efter at det meste af stoffet og antimaterien blev til energi, blev til det univers, der hovedsageligt består af stof, som vi ser i dag. En anden teori er, at der er masser af antimaterie på den anden side af universet, som er skjult langt væk fra vores synsfelt. De kunne også have dannet deres egne galakser og solsystemer.

Fordi antimaterie kan producere så meget energi, kan den bruges til mange ting, f.eks. som brændstof til at rejse ud i rummet eller i vores biler. Problemet er, at antimaterie er meget dyrt at fremstille og næsten lige så dyrt at opbevare, da det ikke kan røre ved almindeligt stof. Det koster flere hundrede millioner dollars at fremstille mindre end en milliontedel af et gram antimaterie. Det er faktisk det dyreste og mest sjældne stof på Jorden. Da det er så dyrt, betyder det, at antimaterie ikke er praktisk anvendeligt som våben eller energikilde, fordi der kun kan skaffes så lidt af det.

For nylig har forskerne imidlertid fanget antimaterie i over 16 minutter (1000 sek. i alt).

Det kan bruges inden for medicin, fordi en særlig slags skanner kaldet PET, som står for positronemissionstomografi, bruger positroner til at gå ind i menneskekroppen. Læger kan se på den måde, hvorpå positronen omdannes til energi i en persons krop, og kan se, om der er noget galt i en person. Denne type maskine fungerer anderledes end en røntgenmaskine eller en magnetisk resonansbilleddannelsesmaskine (MRI) og kan hjælpe lægerne med at se ting, som disse andre maskiner ikke kan se.