Αντιύλη: Το Μεγάλο Μυστήριο για το Γιατί Υπάρχουμε σε ένα Σύμπαν Γεμάτο Ύλη

Το τραπέζι μπροστά μας.

Το σώμα μας.

Η Γη.

Ο Ήλιος.

Τα άστρα.

Οι γαλαξίες.

Σχεδόν όλα όσα βλέπουμε στο Σύμπαν αποτελούνται από ύλη.

Και αυτό φαίνεται απολύτως φυσιολογικό.

Μόνο που, σύμφωνα με όσα γνωρίζουμε για τη φυσική του πρώιμου Σύμπαντος, υπάρχει ένα τεράστιο πρόβλημα:

θα έπρεπε να υπάρχει σχεδόν ίση ποσότητα αντιύλης.

Κι όμως δεν τη βλέπουμε.

Στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ύλη και αντιύλη πιστεύεται ότι δημιουργούνταν σχεδόν συμμετρικά.

Αν υπήρχαν ακριβώς ίσες ποσότητες, θα έπρεπε να αλληλοεξουδετερωθούν.

Δεν θα υπήρχαν άστρα.

Δεν θα υπήρχαν πλανήτες.

Δεν θα υπήρχε Γη.

Δεν θα υπήρχαμε εμείς.

Κάπου λοιπόν στην ιστορία του Σύμπαντος συνέβη κάτι εξαιρετικά σημαντικό:

η ύλη κέρδισε με μία απειροελάχιστη διαφορά.

Και από αυτή τη μικροσκοπική διαφορά προέκυψε ολόκληρος ο κόσμος που γνωρίζουμε.

Τι είναι η αντιύλη;

Η αντιύλη αποτελείται από αντισωματίδια.

Για πολλά από τα γνωστά σωματίδια της ύλης υπάρχει ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο.

Για παράδειγμα:

• το ηλεκτρόνιο έχει ως αντισωματίδιο το ποζιτρόνιο,
• το πρωτόνιο έχει το αντιπρωτόνιο,
• το νετρόνιο έχει το αντινετρόνιο.

Τα αντισωματίδια έχουν την ίδια μάζα με τα αντίστοιχα σωματίδια, αλλά ορισμένες ιδιότητες, όπως το ηλεκτρικό φορτίο, είναι αντίθετες.

Έτσι:

το ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο,

ενώ το ποζιτρόνιο έχει θετικό.

Η ύπαρξη αντιύλης δεν είναι θεωρητική υπόθεση.

Έχει παρατηρηθεί και παράγεται καθημερινά σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής.

Πώς ανακαλύφθηκε η αντιύλη;

Η ιστορία ξεκινά από τον Βρετανό φυσικό Paul Dirac.

Το 1928, ο Dirac προσπάθησε να συνδυάσει την κβαντική μηχανική με την ειδική θεωρία της σχετικότητας.

Η εξίσωση που προέκυψε περιέγραφε το ηλεκτρόνιο.

Ταυτόχρονα όμως φαινόταν να προβλέπει και την ύπαρξη ενός αντίστοιχου σωματιδίου με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.

Λίγα χρόνια αργότερα, το 1932, ο φυσικός Carl Anderson παρατήρησε το ποζιτρόνιο.

Η αντιύλη είχε πλέον περάσει από τη μαθηματική πρόβλεψη στην πειραματική πραγματικότητα.

Τι συμβαίνει όταν ύλη και αντιύλη συναντηθούν;

Εδώ βρίσκεται μία από τις πιο εντυπωσιακές ιδιότητες της αντιύλης.

Όταν ένα σωματίδιο συναντήσει το αντίστοιχο αντισωματίδιό του, μπορούν να υποστούν εξαΰλωση.

Η μάζα τους μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας και σωματίδια.

Ένα απλό παράδειγμα είναι η συνάντηση:

ηλεκτρονίου + ποζιτρονίου.

Μπορούν να εξαϋλωθούν παράγοντας φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Δεν σημαίνει ότι η ύλη απλώς «εξαφανίζεται».

Η ενέργεια διατηρείται, σύμφωνα με τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής.

Γιατί αυτό δημιουργεί πρόβλημα για τη Μεγάλη Έκρηξη;

Στο πολύ θερμό και πυκνό πρώιμο Σύμπαν δημιουργούνταν συνεχώς ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων.

Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, η ύλη και η αντιύλη άρχισαν να αλληλοεξουδετερώνονται.

Αν οι δύο ποσότητες ήταν απολύτως ίσες, σχεδόν όλα θα είχαν μετατραπεί σε ακτινοβολία.

Όμως σήμερα υπάρχει τεράστια ποσότητα ύλης.

Η καλύτερη εικόνα που έχουμε είναι ότι υπήρχε μία πολύ μικρή υπεροχή της ύλης.

Περίπου ένα επιπλέον σωματίδιο ύλης για κάθε δισεκατομμύριο ζεύγη ύλης–αντιύλης, σύμφωνα με την περιγραφή που χρησιμοποιούν CERN και το αμερικανικό Department of Energy.

Αυτή η φαινομενικά αμελητέα διαφορά ήταν αρκετή.

Μετά την εξαΰλωση σχεδόν όλων των ζευγών, η μικρή ποσότητα ύλης που περίσσεψε αποτέλεσε την πρώτη ύλη για:

άτομα,

άστρα,

γαλαξίες,

πλανήτες,

και τελικά ζωή.

Το μυστήριο της ασυμμετρίας ύλης–αντιύλης

Αυτό το πρόβλημα ονομάζεται:

ασυμμετρία ύλης–αντιύλης.

Η σύγχρονη φυσική γνωρίζει ότι υπάρχουν διαφορές στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται ύλη και αντιύλη σε ορισμένες διαδικασίες.

Όμως οι διαφορές που έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα δεν φαίνεται να αρκούν από μόνες τους για να εξηγήσουν την τεράστια κυριαρχία της ύλης στο σημερινό Σύμπαν.

Και εδώ βρίσκεται ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά προβλήματα της κοσμολογίας και της σωματιδιακής φυσικής.

Πού μπαίνουν στην ιστορία τα νετρίνα;

Σε αυτό το σημείο το θέμα συνδέεται άμεσα με ένα από τα πιο παράξενα σωματίδια που γνωρίζουμε:

τα νετρίνα.

Τα νετρίνα έχουν εξαιρετικά μικρή μάζα, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη.

Δισεκατομμύρια από αυτά περνούν μέσα από το σώμα μας συνεχώς χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε.

Όμως οι φυσικοί εξετάζουν εάν τα νετρίνα και τα αντίστοιχα αντινετρίνα συμπεριφέρονται ελαφρώς διαφορετικά.

Αν υπάρξει αρκετά σημαντική παραβίαση συγκεκριμένων συμμετριών στη συμπεριφορά τους, ίσως αποτελέσουν κομμάτι της εξήγησης για το γιατί το Σύμπαν περιέχει περισσότερη ύλη από αντιύλη.

Διάβασε αναλυτικά το σχετικό άρθρο του YourNews: Νετρίνα: Τα «Σωματίδια-Φαντάσματα» που Διαπερνούν το Σώμα μας και Μπορεί να Κρύβουν Μυστικά του Σύμπαντος.

Τι είναι η παραβίαση CP;

Για να καταλάβουμε το πρόβλημα, χρειάζεται να γνωρίζουμε μία έννοια που ονομάζεται CP symmetry.

Η έννοια συνδυάζει δύο διαφορετικές μεταβολές.

Η πρώτη είναι η αντιστροφή φορτίου, όπου ένα σωματίδιο αντικαθίσταται από το αντισωματίδιό του.

Η δεύτερη αφορά μία κατοπτρική αντιστροφή του συστήματος.

Για πολλά χρόνια οι φυσικοί πίστευαν ότι αν εφαρμόζονταν και οι δύο μεταβολές μαζί, οι νόμοι της φυσικής θα παρέμεναν ακριβώς ίδιοι.

Όμως αποδείχθηκε ότι σε ορισμένες διαδικασίες αυτό δεν ισχύει.

Υπάρχει παραβίαση CP.

Με απλά λόγια, η φύση φαίνεται σε συγκεκριμένες περιπτώσεις να αντιμετωπίζει την ύλη και την αντιύλη ελαφρώς διαφορετικά.

Αρκεί αυτό για να εξηγήσει το Σύμπαν;

Μέχρι σήμερα, όχι.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής περιλαμβάνει μηχανισμούς παραβίασης CP.

Όμως η ποσότητα που γνωρίζουμε δεν φαίνεται αρκετή για να εξηγήσει πλήρως τη σημερινή ασυμμετρία.

Αυτό έχει τεράστια σημασία.

Μπορεί να σημαίνει ότι υπάρχει φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο την οποία δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει.

Τι είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο;

Το Standard Model ή Καθιερωμένο Πρότυπο είναι η θεωρία που περιγράφει τα γνωστά θεμελιώδη σωματίδια και τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.

Έχει προβλέψει με εντυπωσιακή ακρίβεια μεγάλο αριθμό πειραματικών αποτελεσμάτων.

Όμως γνωρίζουμε ότι δεν αποτελεί την τελική θεωρία των πάντων.

Δεν εξηγεί πλήρως:

• τη σκοτεινή ύλη,
• τη σκοτεινή ενέργεια,
• τη βαρύτητα σε κβαντικό επίπεδο,
• γιατί οι μάζες των νετρίνων είναι τόσο μικρές,
• γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από αντιύλη.

Η ασυμμετρία ύλης–αντιύλης είναι επομένως μία πιθανή πόρτα προς νέα φυσική.

Μπορεί να υπάρχουν γαλαξίες από αντιύλη;

Θεωρητικά, ένας γαλαξίας από αντιύλη θα μπορούσε να μοιάζει οπτικά πολύ με έναν γαλαξία από κανονική ύλη.

Ένα αντιάστρο θα εξέπεμπε φως.

Ένας αντιπλανήτης θα μπορούσε να έχει βαρυτική συμπεριφορά αντίστοιχη με έναν συνηθισμένο πλανήτη.

Το πρόβλημα θα εμφανιζόταν στα σύνορα μεταξύ ύλης και αντιύλης.

Εάν υπήρχαν τεράστιες περιοχές ύλης δίπλα σε περιοχές αντιύλης, θα περιμέναμε χαρακτηριστικά σήματα εξαΰλωσης.

Μέχρι σήμερα δεν έχουμε πειστικές ενδείξεις ότι υπάρχουν μεγάλοι κοντινοί γαλαξίες αντιύλης.

Η NASA χρησιμοποιεί, μεταξύ άλλων, το όργανο Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για να μελετά κοσμικές ακτίνες και να αναζητά αντιύλη.

Υπάρχει αντιύλη στη φύση σήμερα;

Ναι.

Η αντιύλη δεν έχει εξαφανιστεί εντελώς.

Αντισωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν φυσικά:

• σε συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων,
• σε ορισμένες ραδιενεργές διασπάσεις,
• σε πολύ ενεργητικά αστροφυσικά φαινόμενα.

Όμως πρόκειται για μικροσκοπικές ποσότητες.

Δεν βλέπουμε γύρω μας βουνά, πλανήτες ή συνηθισμένα αντικείμενα από αντιύλη.

Η αντιύλη παράγεται και στη Γη

Οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν αντισωματίδια μέσα σε επιταχυντές.

Στο CERN, για παράδειγμα, χρησιμοποιείται το Antiproton Decelerator για την παραγωγή και επιβράδυνση αντιπρωτονίων.

Στη συνέχεια οι ερευνητές μπορούν να μελετήσουν με μεγάλη ακρίβεια τις ιδιότητές τους.

Έχουν δημιουργηθεί ακόμη και άτομα αντιυδρογόνου.

Το συνηθισμένο υδρογόνο αποτελείται από:

ένα πρωτόνιο

και

ένα ηλεκτρόνιο.

Το αντιυδρογόνο αποτελείται από:

ένα αντιπρωτόνιο

και

ένα ποζιτρόνιο.

Γιατί είναι τόσο δύσκολο να αποθηκεύσουμε αντιύλη;

Η απάντηση είναι απλή:

επειδή σχεδόν ολόκληρος ο κόσμος γύρω μας αποτελείται από ύλη.

Εάν η αντιύλη ακουμπήσει στα τοιχώματα ενός συνηθισμένου δοχείου, θα συναντήσει ύλη και θα εξαϋλωθεί.

Για αυτό οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πολύπλοκα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και εξαιρετικά ελεγχόμενες συνθήκες ώστε να κρατούν τα αντισωματίδια μακριά από κανονική ύλη.

Ακόμη και έτσι, η παραγωγή και αποθήκευση αντιύλης είναι εξαιρετικά δύσκολη.

Μπορούμε να φτιάξουμε “βόμβα αντιύλης”;

Στη θεωρία, η εξαΰλωση ύλης και αντιύλης απελευθερώνει πολύ μεγάλη ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας.

Στην πραγματικότητα όμως η ανθρωπότητα απέχει τεράστια από το να μπορεί να παράγει και να αποθηκεύει μακροσκοπικές ποσότητες αντιύλης.

Η παραγωγή είναι εξαιρετικά αναποτελεσματική και οι ποσότητες που δημιουργούνται σε εργαστήρια είναι απειροελάχιστες.

Για αυτό η αντιύλη χρησιμοποιείται κυρίως ως εργαλείο βασικής επιστημονικής έρευνας.

Η αντιύλη χρησιμοποιείται ήδη στην ιατρική

Υπάρχει όμως μία σημαντική εφαρμογή που πολλοί άνθρωποι έχουν ήδη συναντήσει:

η PET scan — Positron Emission Tomography.

Η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων χρησιμοποιεί ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν ποζιτρόνια.

Όταν ένα ποζιτρόνιο συναντήσει ένα ηλεκτρόνιο στο σώμα, πραγματοποιείται εξαΰλωση και παράγονται φωτόνια.

Οι ανιχνευτές του μηχανήματος καταγράφουν τα φωτόνια και μπορούν να δημιουργήσουν λεπτομερείς εικόνες μεταβολικών διεργασιών μέσα στο σώμα.

Άρα η αντιύλη δεν είναι μόνο εξωτική φυσική.

Χρησιμοποιείται ήδη σε πραγματικές ιατρικές εφαρμογές.

Η αντιύλη πέφτει προς τα κάτω;

Ένα ακόμη συναρπαστικό ερώτημα αφορά τη βαρύτητα.

Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, θα περιμέναμε η αντιύλη να έλκεται από τη βαρύτητα όπως η συνηθισμένη ύλη.

Για χρόνια όμως η απευθείας πειραματική μέτρηση ήταν εξαιρετικά δύσκολη.

Πειράματα με αντιυδρογόνο στο CERN έχουν πλέον καταφέρει να εξετάσουν άμεσα τη συμπεριφορά του μέσα στο βαρυτικό πεδίο της Γης.

Τα αποτελέσματα είναι συμβατά με το ότι η αντιύλη πέφτει προς τη Γη, όπως αναμένεται.

Αυτό αποκλείει ορισμένες πιο εξωτικές υποθέσεις όπου η αντιύλη θα παρουσίαζε «αντιβαρύτητα».

Γιατί τα νετρίνα μπορεί να είναι ξανά το κλειδί

Υπάρχει μία ακόμη εντυπωσιακή πιθανότητα.

Οι φυσικοί προσπαθούν να καταλάβουν αν το νετρίνο είναι ένα λεγόμενο Majorana particle.

Δηλαδή εάν το νετρίνο είναι ουσιαστικά το ίδιο σωματίδιο με το αντισωματίδιό του.

Εάν αποδειχθεί κάτι τέτοιο, θα έχει τεράστιες συνέπειες για την κατανόηση της φύσης των νετρίνων και πιθανόν της ασυμμετρίας ύλης–αντιύλης.

Ένας τρόπος αναζήτησης αυτής της ιδιότητας είναι η προσπάθεια ανίχνευσης μιας εξαιρετικά σπάνιας διαδικασίας:

neutrinoless double-beta decay — διπλή βήτα διάσπαση χωρίς νετρίνα.

Το Department of Energy αναφέρει αυτή την έρευνα ως μία από τις προσπάθειες κατανόησης της ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης.

Γιατί όλο αυτό έχει σχέση με την ύπαρξή μας

Η ασυμμετρία ύλης–αντιύλης μπορεί να φαίνεται σαν ένα εξαιρετικά θεωρητικό πρόβλημα.

Στην πραγματικότητα όμως είναι ίσως το πιο προσωπικό ερώτημα της κοσμολογίας.

Γιατί αν η ύλη και η αντιύλη είχαν δημιουργηθεί σε απολύτως ίσες ποσότητες και είχαν συμπεριφερθεί απολύτως συμμετρικά, το Σύμπαν πιθανότατα θα ήταν εντελώς διαφορετικό.

Δεν θα υπήρχαν τα τεράστια αποθέματα ύλης που χρειάστηκαν για να δημιουργηθούν γαλαξίες.

Δεν θα σχηματίζονταν άστρα όπως ο Ήλιος.

Δεν θα υπήρχε η Γη.

Η ύπαρξή μας μπορεί λοιπόν να οφείλεται σε μία εξαιρετικά μικρή ασυμμετρία στους νόμους της φύσης.

Ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής

Η επιστήμη έχει καταφέρει να εξηγήσει πολλά πράγματα που κάποτε φαίνονταν αδύνατο να κατανοηθούν.

Ξέρουμε πώς γεννιούνται τα άστρα.

Ξέρουμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται.

Έχουμε ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα.

Έχουμε φωτογραφίσει τη σκιά μαύρων τρυπών.

Έχουμε ανακαλύψει το μποζόνιο Higgs.

Κι όμως δεν έχουμε ακόμη απάντηση σε μία εξαιρετικά απλή ερώτηση:

Γιατί υπάρχει κάτι αντί για σχεδόν τίποτα;

Η αντιύλη βρίσκεται στο κέντρο αυτού του μυστηρίου.

Και είναι πιθανό η απάντηση να προκύψει μέσα από μελλοντικά πειράματα που μελετούν:

νετρίνα,

αντινετρίνα,

κουάρκ,

αντισωματίδια,

και εξαιρετικά σπάνιες πυρηνικές διεργασίες.

Ίσως κάποια από αυτά αποκαλύψουν μία μικρή ασυμμετρία που υπήρχε ήδη στις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος.

Μία ασυμμετρία αρκετή ώστε να παραμείνει λίγο περισσότερη ύλη.

Και αυτή η μικρή διαφορά ήταν αρκετή για να δημιουργήσει τα πάντα γύρω μας.

Τι είναι η αντιύλη;

Είναι ύλη που αποτελείται από αντισωματίδια, τα οποία έχουν την ίδια μάζα με τα αντίστοιχα σωματίδια αλλά αντίθετες ορισμένες ιδιότητες, όπως το ηλεκτρικό φορτίο.

Τι συμβαίνει όταν ύλη και αντιύλη συναντηθούν;

Μπορούν να εξαϋλωθούν, μετατρέποντας τη μάζα τους σε άλλες μορφές ενέργειας και σωματίδια.

Υπάρχει αντιύλη σήμερα;

Ναι. Δημιουργείται σε φυσικά φαινόμενα και σε εργαστήρια, αλλά οι ποσότητες που παρατηρούνται είναι πολύ μικρές.

Γιατί το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη;

Δεν γνωρίζουμε ακόμη την πλήρη απάντηση. Η εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης–αντιύλης αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ανοιχτά προβλήματα της φυσικής.

Μπορούν τα νετρίνα να λύσουν το μυστήριο;

Είναι μία από τις πιθανότητες που ερευνούν οι φυσικοί. Διαφορές στη συμπεριφορά νετρίνων και αντινετρίνων ίσως βοηθήσουν να εξηγηθεί γιατί η ύλη επικράτησε στο πρώιμο Σύμπαν.

Πηγές

• CERN – Antimatter
• CERN – What is antimatter?
• U.S. Department of Energy – DOE Explains: Antimatter
• NASA – Alpha Magnetic Spectrometer