كيفية الحصول على المادة المضادة المادة المضادة « مثيرة للاهتمام حول العلم. انظر ما هو "المادة المضادة" في القواميس الأخرى

هيكل المادة

الإبادةتؤدي الإلكترونات والبوزيترونات البطيئة إلى تكوين كمات جاما، ويؤدي إبادة النيوكليونات البطيئة والنيوكليونات المضادة إلى تكوين عدة ميزونات باي. نتيجة للتحلل اللاحق للميزونات، يتم تشكيل إشعاع جاما الصلب مع طاقة جاما كوانتا تزيد عن 70 ميغا إلكترون فولت.

الإلكترونات المضادة(البوزيترونات) تنبأ بها بي. ديراك، ثم اكتشفها تجريبيًا في "زخات المطر" بواسطة بي. أندرسون، الذي لم يكن يعلم حتى بتنبؤ ديراك في ذلك الوقت. حصل هذا الاكتشاف على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936. وتم اكتشاف البروتون المضاد عام 1955 في بيفاترون في بيركلي، والذي حصل أيضًا على جائزة نوبل. وفي عام 1960، تم اكتشاف نيوترون مضاد هناك. مع تشغيل مسرع سيربوخوف، تمكن الفيزيائيون لدينا من التقدم في بعض النواحي - في عام 1969، تم اكتشاف نوى مضاد الهيليوم هناك. لكن لم يكن من الممكن الحصول على ذرات المادة المضادة. نعم، لأكون صريحًا، كانت كمية الجسيمات المضادة التي تم تلقيها خلال فترة وجود المسرعات بأكملها ضئيلة - فكل البروتونات المضادة التي تم تصنيعها في CERN خلال عام تكفي لتشغيل مصباح كهربائي واحد لعدة ثوانٍ.

توليف المادة المضادة

يتكون التثبيت - بعد مغادرة البروتونات المضادة للحلقة المعتدلة - من أربعة أجزاء رئيسية: مصيدة لالتقاط البروتونات المضادة، وحلقة تخزين البوزيترون، وخلاط المصيدة، وكاشف الهيدروجين المضاد. يتم إبطاء تدفق البروتونات المضادة أولاً بواسطة إشعاع الميكروويف، ثم يتم تبريده نتيجة التبادل الحراري مع تدفق الإلكترونات منخفضة الطاقة، وبعد ذلك يقع في فخ - خلاط، حيث يقع عند درجة حرارة 15 كلفن يعمل جهاز تخزين البوزيترون على إبطاء سرعته، ويلتقط ويجمع البوزيترونات من مصدر مشع؛ وينتهي حوالي نصفها في مصيدة الخلط، حيث يتم تبريدها بشكل أكبر بواسطة إشعاع السنكروترون. كل هذا ضروري لزيادة احتمالية تكوين ذرات الهيدروجين المضاد بشكل كبير.

في Antiproton Moderator، بدأت منافسة شرسة بين مجموعتين من العلماء، المشاركين في تجارب ATHENA (39 عالمًا من جميع أنحاء العالم) وATRAP.

في عدد مجلة Nature (Nature 2002, vol.419, p.439, ibid p.456) المنشور في 3 أكتوبر 2002، أعلن المشاركون في تجربة أثينا أنهم تمكنوا من الحصول على 50000 ذرة من المادة المضادة - الهيدروجين المضاد. تم الكشف عن وجود ذرات المادة المضادة لحظة فناءها، والدليل على ذلك هو التقاطع عند نقطة واحدة لآثار كوانتين صلبتين تشكلتا أثناء فناء الإلكترون والبوزترون، وآثار بايونات ناتجة عن فناء بروتون مضاد. والبروتون. تم الحصول على أول "صورة" للمادة المضادة (الصورة في البداية) - صورة كمبيوتر تم تركيبها من مثل هذه النقاط. نظرًا لأن تلك الذرات التي "انزلقت" من الفخ هي فقط التي تم القضاء عليها (وكان هناك 130 منها فقط، تم حسابها بشكل موثوق)، فإن 50000 ذرة هيدروجين مضاد المعلن عنها لا تخلق سوى خلفية غير مرئية لـ "الصورة".

المشكلة هي إبادة الهيدروجين المضادتم تسجيله على خلفية عامة وأقوى من إبادة البوزيترونات والبروتونات المضادة. وهذا، بطبيعة الحال، أثار شكوكاً صحية لدى الزملاء من المشروع المنافس ذي الصلة "ATRAP". وقاموا بدورهم بتصنيع الهيدروجين المضاد باستخدام نفس التركيب وكانوا قادرين على استخدام مصائد مغناطيسية معقدة لاكتشاف ذرات الهيدروجين المضاد دون أي إشارة خلفية. أصبحت ذرات الهيدروجين المضاد التي تشكلت في التجربة محايدة كهربائيًا، وعلى عكس البوزيترونات والبروتونات المضادة، يمكنها مغادرة المنطقة التي كانت الجسيمات المشحونة محصورة فيها بحرية. لقد تم تسجيلهم هناك، دون خلفية.

وتشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 170 ألف ذرة هيدروجين مضاد قد تشكلت في المصيدة، وهو ما وصفه الباحثون في ورقة بحثية نشرت في مجلة Physical Review Letters.

وهذا بالفعل نجاح. الآن قد تكون الكمية الناتجة من الهيدروجين المضاد كافية لدراسة خصائصه. بالنسبة لذرات الهيدروجين المضاد، على سبيل المثال، يُقترح قياس تردد التحول الإلكتروني 1s-2s (من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة الأولى) باستخدام طرق التحليل الطيفي بالليزر عالية الدقة. (يُعرف تردد هذا التحول في الهيدروجين بدقة تبلغ 1.8·10-14 - وليس عبثًا أن يعتبر مازر الهيدروجين هو معيار التردد.) وفقًا للنظرية، يجب أن تكون نفس تلك الخاصة بالميزر العادي. هيدروجين. على سبيل المثال، إذا تبين أن طيف الامتصاص مختلف، فسيتعين إجراء تعديلات على المبادئ الأساسية للفيزياء الحديثة.

محرك المادة المضادة

تُباد البروتونات المضادة على الفور بنواة اليورانيوم وتتسبب في تفككها إلى شظايا. تعمل هذه الشظايا مع أشعة جاما الناتجة على تسخين الجزء الداخلي من الكبسولة لدرجة أن التفاعل النووي الحراري يبدأ هناك. يتم تسريع منتجاتها، التي تمتلك طاقة هائلة، بقوة أكبر بواسطة المجال المغناطيسي وتطير بعيدًا عبر فوهة المحرك، مما يوفر للمركبة الفضائية قوة دفع غير مسبوقة.

أما بالنسبة للرحلة إلى المريخ في شهر واحد، يوصي الفيزيائيون الأمريكيون باستخدام تقنية أخرى لها - الانشطار النووي المحفز بالبروتونات المضادة. ثم ستتطلب الرحلة بأكملها 140 نانوجرامًا من البروتونات المضادة، دون احتساب الوقود المشع.

أتاحت القياسات الجديدة التي أجريت في مركز أبحاث ستانفورد (كاليفورنيا)، حيث تم تركيب مسرع الجسيمات الخطي، للعلماء إحراز تقدم في الإجابة على سؤال لماذا تسود المادة على المادة المضادة في الكون.

وتؤكد نتائج التجربة الافتراضات السابقة حول تطور الخلل في توازن هذه الكيانات المتعارضة. ومع ذلك، يقول العلماء إن البحث أثار أسئلة أكثر من الإجابات: فالتجارب التي أجريت على المسرع لا يمكنها أن تفسر بشكل كامل سبب وجود الكثير من المادة في الفضاء - مليارات المجرات المليئة بالنجوم والكواكب.

قام العلماء الذين يعملون مع المسرع بقياس معامل يعرف باسم جيب بيتا (0.74 زائد أو ناقص 0.07). يعكس هذا المؤشر درجة عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة.

المادة المضادة والانفجار الكبير

لفهم كيف يمكن أن يحدث هذا، نظر الفيزيائيون إلى تأثير يسمى انتهاك الشحنة. ولملاحظة هذا التأثير، درس العلماء الميزونات B والميزونات المضادة B، وهي جسيمات ذات عمر قصير جدًا - تريليون من الثانية.

تُظهر الاختلافات في سلوك هذه الجسيمات القطبية المتضادة الاختلافات بين المادة والمادة المضادة، وتفسر جزئيًا سبب سيطرة أحدهما على الآخر. تشكلت الملايين من الميزونات B والميزونات المضادة B اللازمة للتجربة نتيجة لاصطدام الإلكترونات والبوزيترونات في المسرع. النتائج الأولى، التي تم الحصول عليها في عام 2001، تظهر بوضوح انتهاكا للمساواة في الشحنات للميزونات B.

قال ستيوارت سميث من جامعة برينستون: "كان هذا اكتشافًا مهمًا، ولكن هناك حاجة إلى جمع المزيد من البيانات لتحديد جيب بيتا باعتباره الثابت الأساسي في فيزياء الكم. تم الإعلان عن النتائج الجديدة بعد ثلاث سنوات من البحث المكثف". وتحليل 88 مليون حدث."

وتتوافق القياسات الجديدة مع ما يسمى بـ "النموذج القياسي"، الذي يصف الجسيمات الأولية وتفاعلاتها. إن الدرجة المؤكدة لاختلال الشحنة ليست في حد ذاتها كافية لتفسير اختلال توازن المادة والمادة المضادة في الكون.

وعلق حسن جواهري، الباحث في جامعة ميريلاند، قائلا: “يبدو أن شيئا آخر حدث إلى جانب عدم تساوي الشحنات ليتسبب في هيمنة المادة على النجوم والكواكب والكائنات الحية”. وأضاف: “في المستقبل، قد نتمكن من فهم ذلك العمليات الخفية والإجابة على سؤال ما الذي أوصل الكون إلى حالته الحالية وسيكون هذا الاكتشاف الأكثر إثارة."

في عام 1930، حصل عالم الفيزياء النظرية الإنجليزي الشهير بول ديراك، الذي اشتق المعادلة النسبية لحركة مجال الإلكترون، على حل لبعض الجسيمات الأخرى التي لها نفس الكتلة وشحنة كهربائية موجبة معاكسة. الجسيم الوحيد ذو الشحنة الموجبة المعروف في ذلك الوقت، البروتون، لا يمكن أن يكون هذا التوأم، لأنه كان مختلفًا بشكل كبير عن الإلكترون، بما في ذلك أن كتلته أكبر بآلاف المرات.

وفي وقت لاحق، في عام 1932، أكد الفيزيائي الأمريكي كارل أندرسون توقعات ديراك. أثناء دراسته للأشعة الكونية، اكتشف الجسيم المضاد للإلكترون، والذي يسمى اليوم البوزيترون. وبعد 23 عامًا، تم اكتشاف البروتونات المضادة في معجل أمريكي، وبعد مرور عام، تم اكتشاف النيوترونات المضادة.

الجسيمات والجسيمات المضادة

كما تعلمون، فإن أي جسيم أولي لديه عدد من الخصائص والأرقام التي تصفه. من بينها ما يلي:

• الكتلة هي كمية فيزيائية تحدد تفاعل الجاذبية لجسم ما.
• الدوران هو الزخم الزاوي الجوهري لجسيم أولي.
• الشحنة الكهربائية هي خاصية تشير إلى إمكانية قيام الجسم بإنشاء مجال كهرومغناطيسي والمشاركة في التفاعل الكهرومغناطيسي.
• شحنة اللون هي مفهوم تجريدي يشرح تفاعل الكواركات وتكوينها لجسيمات أخرى - الهادرونات.

بالإضافة إلى أعداد كمية أخرى مختلفة تحدد خصائص وحالات الجسيمات. إذا وصفنا جسيمًا مضادًا، فهو بعبارات بسيطة صورة مرآة لجسيم له نفس الكتلة والشحنة الكهربائية. لماذا يهتم العلماء إلى هذا الحد بالجسيمات المتشابهة جزئيًا والمختلفة جزئيًا عن أصولها؟

اتضح أن اصطدام الجسيم والجسيم المضاد يؤدي إلى فناءهما، أي تدميرهما، وإطلاق الطاقة المقابلة لهما على شكل جسيمات أخرى عالية الطاقة، أي انفجار صغير. الدافع وراء دراسة الجسيمات المضادة أيضًا هو أن المادة التي تتكون من الجسيمات المضادة (المادة المضادة) لا تتشكل بشكل مستقل في الطبيعة، وفقًا لملاحظات العلماء.

معلومات عامة عن المادة المضادة

انطلاقا مما سبق، يصبح من الواضح أن الكون المرئي يتكون من مادة، مادة. ومع ذلك، باتباع القوانين الفيزيائية المعروفة، فإن العلماء واثقون من أنه نتيجة للانفجار الكبير، يجب أن تتشكل المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وهو ما لا نلاحظه. من الواضح أن فهمنا للعالم غير مكتمل، وإما أن العلماء فقدوا شيئًا ما في حساباتهم، أو في مكان ما خارج نطاق رؤيتنا، في أجزاء بعيدة من الكون، هناك كمية مقابلة من المادة المضادة، إذا جاز التعبير، "عالم من المادة". المادة المضادة.

يبدو أن مسألة عدم التماثل هذه هي واحدة من أشهر المسائل التي لم يتم حلها في الفيزياء.

وفقًا للمفاهيم الحديثة، فإن بنية المادة والمادة المضادة هي نفسها تقريبًا، وذلك لأن التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية، التي تحدد بنية المادة، تعمل بشكل متساوٍ فيما يتعلق بكل من الجسيمات والجسيمات المضادة. تم تأكيد هذه الحقيقة في نوفمبر 2015 في مصادم RHIC في الولايات المتحدة، عندما قام علماء روس وأجانب بقياس قوة تفاعل البروتونات المضادة. وتبين أنها تساوي قوة التفاعل بين البروتونات.

الحصول على المادة المضادة

عادة ما تحدث ولادة الجسيمات المضادة عندما تتشكل أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة. إذا أدى اصطدام الإلكترون مع جسيمه المضاد، البوزيترون، إلى إطلاق كوتانا جاما، فعندئذ لإنشاء زوج إلكترون-بوزيترون، ستكون هناك حاجة إلى كوانتا جاما عالية الطاقة تتفاعل مع المجال الكهربائي للنواة الذرية. في ظروف المختبر، يمكن أن يحدث هذا في المسرعات أو في تجارب الليزر. في الظروف الطبيعية - في النجوم النابضة وبالقرب من الثقوب السوداء، وكذلك أثناء تفاعل الأشعة الكونية مع أنواع معينة من المادة.

ما هي المادة المضادة؟ وللفهم يكفي إعطاء المثال التالي. أبسط مادة هي ذرة الهيدروجين، وتتكون من بروتون واحد يحدد النواة، وإلكترون يدور حولها. إذن الهيدروجين المضاد هو مادة مضادة، تتكون ذرتها من بروتون مضاد وبوزيترون يدوران حولها.

منظر عام لمنشأة ASACUSA في CERN، المصممة لإنتاج ودراسة الهيدروجين المضاد

على الرغم من تركيبته البسيطة، إلا أن تخليق الهيدروجين المضاد أمر صعب للغاية. ومع ذلك، في عام 1995، تمكن العلماء في مسرع LEAR في CERN من إنشاء 9 ذرات من هذه المادة المضادة، والتي عاشت لمدة 40 نانو ثانية فقط وتحللت.

في وقت لاحق، باستخدام أجهزة ضخمة، تم إنشاء مصيدة مغناطيسية تحتوي على 38 ذرة هيدروجين مضاد لمدة 172 مللي ثانية (0.172 ثانية)، وبعد 170.000 ذرة هيدروجين مضاد - 0.28 أتجرام (10 -18 جرام). قد يكون هذا الحجم من المادة المضادة كافيًا لمزيد من الدراسة، وهذا يعد نجاحًا.

تكلفة المادة المضادة

اليوم يمكننا أن نقول بثقة أن أغلى مادة في العالم ليست الكاليفورنيوم أو الثرى أو الجرافين، وبالطبع ليس الذهب، بل المادة المضادة. وبحسب تقديرات ناسا فإن إنتاج مليغرام واحد من البوزيترونات سيكلف نحو 25 مليون دولار، وغرام واحد من الهيدروجين المضاد بنحو 62.5 تريليون دولار. ومن المثير للاهتمام أن النانوجرام من المادة المضادة، وهو الحجم الذي تم استخدامه على مدار 10 سنوات في تجارب CERN، كلف المنظمة مئات الملايين من الدولارات.

طلب

تحمل دراسة المادة المضادة إمكانات كبيرة للبشرية. الجهاز الأول والأكثر إثارة للاهتمام الذي يتم تشغيله نظريًا بواسطة المادة المضادة هو محرك الالتواء. قد يتذكر البعض واحدًا من المسلسل التلفزيوني الشهير ستار تريك، حيث كان المحرك يعمل بمفاعل يعمل على مبدأ إبادة المادة والمادة المضادة.

في الواقع، هناك العديد من النماذج الرياضية لمثل هذا المحرك، ووفقًا لحساباتهم، ستكون هناك حاجة لعدد قليل جدًا من الجسيمات المضادة لسفن الفضاء المستقبلية. وبالتالي، يمكن تقليص مدة الرحلة إلى المريخ التي تستغرق سبعة أشهر إلى شهر، وذلك بسبب وجود 140 نانوجرامًا من البروتونات المضادة، والتي ستعمل كمحفز للانشطار النووي في مفاعل السفينة. وبفضل هذه التقنيات، يمكن أيضًا تحقيق رحلات جوية بين المجرات، مما سيسمح للبشر بدراسة أنظمة النجوم الأخرى بالتفصيل واستعمارها في المستقبل.

ومع ذلك، فإن المادة المضادة، مثل العديد من الاكتشافات العلمية الأخرى، يمكن أن تشكل تهديدًا للبشرية. وكما هو معروف، فإن أفظع كارثة، وهي القصف الذري على هيروشيما وناكازاكي، تم تنفيذها باستخدام قنبلتين ذريتين يبلغ مجموع كتلتهما 8.6 طن وقوتهما حوالي 35 كيلو طن. ولكن عندما يصطدم 1 كجم من المادة و1 كجم من المادة المضادة، يتم إطلاق طاقة تعادل 42960 كيلو طن. أقوى قنبلة طورتها البشرية على الإطلاق، AN602 أو "قنبلة القيصر"، أطلقت حوالي 58000 كيلو طن من الطاقة، ولكن وزنها 26.5 طن! بتلخيص كل ما سبق، يمكننا أن نقول بثقة أن التقنيات والاختراعات القائمة على المادة المضادة يمكن أن تقود البشرية إلى اختراق غير مسبوق وتدمير ذاتي كامل.

ظهر التخمين حول وجود الجسيمات المضادة، والمادة المضادة، وربما حتى العوالم المضادة، قبل وقت طويل من ظهور البيانات التجريبية التي تشير إلى إمكانية وجودها في الطبيعة.

1. الافتراضات الأولى حول وجود المادة المضادة

صاغ مفهوم "المادة المضادة" لأول مرة من قبل الفيزيائي الإنجليزي آرثر شوستر في عام 1898، مباشرة بعد اكتشاف جوزيف طومسون للإلكترون. أراد شوستر حقًا أن ينتصر التناظر في الطبيعة. الإلكترون، كما هو معروف، هو جسيم سالب الشحنة (هنا، مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن القرار بشأن الشحنة الموجبة وأي الشحنة السالبة كان نتيجة الاتفاق؛ يمكن للعلماء الاتفاق على التعيين العكسي لعلامات الإلكترون الشحنات، ولم يتغير شيء من هذا ب)، واقترح شوستر وجود نظير متماثل للإلكترون، موجب الشحنة، والذي أطلق عليه اسم مضاد الإلكترون. ومن فرضيته تبعت على الفور فكرة وجود الذرات المضادة والمادة المضادة، حيث يمكن استخدام مجال كهربائي لسحب الإلكترونات المضادة التي اخترعها في تجربة طومسون المضادة. لعدة سنوات، حاول شوستر إقناع العلماء المحيطين بصحة تخمينه ("لماذا لا يكون هناك ذهب مشحون سالبًا، أصفر مثل ذهبنا"، كتب في مقالته في المجلة طبيعة) ولكن لم يستمع أحد إلى حججه. اقترحت البراغماتية العلمية، التي تأسست على مدى قرون عديدة، أنه يجب الوثوق بالتجربة فقط، وكل ما لم تؤكده التجربة هو خيال غير علمي. وأكدت التجربة بعد ذلك بشكل لا يرحم أنه يمكن سحب الإلكترونات سالبة الشحنة من المادة، ولكن لا يتم ملاحظة الإلكترونات المشحونة بشكل إيجابي.

لقد نُسيت فكرة شوستر، وأُعيد اكتشاف المادة المضادة على يد بول ديراك بعد 30 عامًا فقط. لقد فعل ذلك أيضًا بشكل افتراضي، لكنه كان أكثر إقناعًا من شوستر، حيث أظهر أن وجود المادة المضادة يحل العديد من المشكلات التي تراكمت ولم يتم حلها حتى تلك اللحظة. قبل الانتقال إلى أفكار ديراك، علينا أن نتذكر الاستنتاجات الجديدة التي توصلت إليها الفيزياء خلال هذه السنوات الثلاثين.

2. خلق الذرة على يد نيلز بور

في بداية القرن العشرين، ظهرت الحاجة إلى إعادة التفكير في قوانين الفيزياء. في البداية، واجهوا استحالة وصف طيف الجسم الأسود تماما باستخدام قوانين نيوتن وماكسويل فقط، وبعد ذلك بقليل اكتشفوا أن القوانين الكلاسيكية لا تسمح لنا بوصف الذرة. وفقًا للكيميائيين، فإن الذرة غير قابلة للتجزئة، وهم على حق تمامًا من وجهة نظرهم، لأنه في جميع التفاعلات الكيميائية، "تتحرك" الذرات ببساطة من جزيء إلى آخر، ولكن ربما يمكن للمرء أن يغفر تجديف الفيزيائيين الذين أرادوا ذلك. قم أولاً بتحليل هذه الذرة إلى مكوناتها، ثم قم بتجميعها وفقًا لقوانين الفيزياء الصارمة. بحلول عام 1913، كانت الذرة قد تحللت جيدًا: لم يكن لدى أحد أدنى شك، على سبيل المثال، أن أبسط ذرة هيدروجين تتكون من بروتون موجب الشحنة، اكتشفه رذرفورد تجريبيًا بعد ذلك بقليل، وإلكترون. يبدو أن كل ما هو ضروري لتجميع الذرة موجود: بالإضافة إلى البروتون والإلكترون، هناك قوة جذب كهربائية بينهما، والتي ينبغي أن تجمعهما معًا. كان من الممكن تجميع الذرة، لكن الحفاظ عليها في حالة مستقرة لفترة طويلة لم يكن كذلك: سقط الإلكترون بلا هوادة على البروتون ولم يرغب في البقاء في المدار المحدد. نجح نيلز بور في إصلاح هذا النظام، حيث تخلى عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية لوصف الأنظمة على مسافات تعادل حجم الذرة. وبشكل أكثر دقة، كان على بور أن يتخلى عن فكرة أن الإلكترون عبارة عن كرة صلبة صغيرة مشحونة ويتخيله كسحابة فضفاضة، ولوصفه كان من الضروري إنشاء جهاز رياضي جديد، طوره العديد من علماء الفيزياء البارزين في أوائل القرن العشرين. القرن العشرين وسميت "ميكانيكا الكم".

وبحلول منتصف عشرينيات القرن العشرين، كانت ميكانيكا الكم، التي حلت محل الميكانيكا الكلاسيكية، التي كانت تتطلب وصف شيء صغير جدًا، قد أصبحت راسخة بالفعل. وصفت معادلة شرودنجر، المبنية على الأفكار الكمومية، العديد من التجارب بنجاح، على سبيل المثال، تجربة مع طيف مصباح الهيدروجين (الهيدروجين الساخن لا يضيء فقط بالضوء الأبيض، ولكن أيضًا بعدد صغير من الخطوط الطيفية)، الموضوعة في مجال مغناطيسي، حيث يتم تقسيم كل خط قليلاً إلى بضعة خطوط أخرى.

3. مشكلة الطاقات السلبية

بحلول الوقت الذي تم فيه الإيمان بميكانيكا الكم دون قيد أو شرط، تم تشكيل نظرية أخرى أيضًا - (الميكانيكا النسبية)، والتي تعمل بسرعات عالية جدًا. عندما تكون سرعات الأجسام قابلة للمقارنة مع سرعة الضوء، فإن قوانين نيوتن في الميكانيكا تحتاج أيضًا إلى التصحيح. لقد حاول العلماء عبور حالتين متطرفتين: السرعات العالية (النظرية النسبية) والمسافات الصغيرة جدًا (ميكانيكا الكم). وتبين أنه لا يوجد شيء صعب في كتابة معادلة ترضي كلاً من ميكانيكا الكم والنظرية النسبية. تم اقتراح تعميم معادلة شرودنغر على حالة الأنظمة النسبية بشكل مستقل من قبل كلاين وجوردون وفوك (الأخير هو مواطننا). لكن حلول هذه المعادلة لم تناسبنا كثيراً. إحدى المفارقات التي لها حلول هي مفارقة كلاين: بالنسبة للجسيمات السريعة جدًا التي تصطدم بحاجز عالٍ من المفترض أن تنعكس عنه، فإن احتمال قفز الحاجز، وفقًا لهذه المعادلة، يزداد فقط مع ارتفاعه - وهو استنتاج يتناقض مع الشائع حاسة.

ومن سخافات المعادلة النسبية الأخرى ظهور جسيمات ذات طاقات سلبية من بين حلول المعادلة. ما المخيف في ذلك؟ تخيل أننا بمساعدة ميكانيكا الكم قمنا بترتيب عالمنا. بدا وكأنه يحتوي على أرضية يمكنك الوقوف عليها بثبات، وجعلناها مريحة: علقنا الصور على الجدران، ووضعنا الكتب على الرفوف. جميع زخارفنا تخضع بدقة لميكانيكا الكم، وجميعهم لديهم طاقة إيجابية، وإذا علقنا شيئًا سيئًا، فسوف يسقطون على الأرض. ولكن، في محاولة لتحسين ميكانيكا الكم، لجعلها أكثر صحة، اكتشفنا أنه لا يوجد جنس في عالمنا. فبدلاً من الأرضية، هناك هاوية واسعة (الطاقات السلبية) يجب أن يسقط فيها كل شيء. يجب أن نشيد بقدرة الفيزيائيين في ذلك الوقت: لم يخشوا أن ينهار العالم أمام أعينهم، لكنهم حاولوا حل هذه المشكلة.

تمكن بول ديراك من حل المشكلة، حيث تولى وصف جسيم أكثر تعقيدًا من ذلك الموصوف في معادلة كلاين-جوردون-فوك - الإلكترون. لا يمكن وصف الإلكترون بوظيفة واحدة، عليك أن تأخذ إلكترونين في وقت واحد، ولا يمكن فصل هذا الزوج، وعليك كتابة نظام من المعادلات. يبدو أن المشكلة أصبحت أكثر تعقيدًا (وللوهلة الأولى، هذا التعقيد لا يحل المشكلة الرئيسية)، لكن ديراك حاول إنهاء الحل. بالنسبة للإلكترونات، يعمل مبدأ باولي، الذي ينص على أنه لا يمكن وضع إلكترونين في حالة واحدة: لا يمكن لأي جهد أن يضغط إلكترونًا ثانيًا إلى إلكترون مشغول بالفعل. من الواضح أن ديراك، الذي تولى هذه المهمة، كان يأمل في الاستفادة من هذه الخاصية على وجه التحديد: إذا كانت جميع الحالات تحت مستوى الأرضية مليئة بالإلكترونات بالفعل، فلن يكون هناك مكان تسقط فيه. يبدو أن المهمة ميؤوس منها: نحن بحاجة إلى ملء هاوية ذات عمق لا نهائي بالإلكترونات. وهز ديراك كتفيه قائلاً: "لماذا يجب أن نقلق بشأن هذا؟ لنفترض أن الطبيعة قد اهتمت بهذا بالفعل (وهي قادرة على كل شيء)، وكل شيء ممتلئ بالفعل، وأرضيتنا موجودة. وبذلك تم حل مشكلة الطاقات السلبية!

4. المادة المضادة

ومع ذلك، أثناء كتابة معادلته، واجه ديراك مشكلة جديدة: اتضح أنه للحصول على وصف نسبي للإلكترون، لا تكفي وظيفتان، سيتعين عليك كتابة أربع! ما هاتان الوظيفتان الإضافيتان للإلكترون؟ بعد التفكير قليلاً، أدرك ديراك أن الفقاعات - الثقوب يمكن أن تتشكل على أرضيتنا المغمورة بالمياه (الطبيعة، بالطبع، قوية للغاية، لكنها يمكن أن تسمح لنفسها بأن لا تكون خالية من العيوب تمامًا وتسمح ببعض العيوب). من المثير للدهشة أن مثل هذه الفقاعة تتصرف تمامًا مثل الإلكترون، وذلك قياسًا على فقاعة تشبه القطرة المعلقة فوق الأرض: لهما نفس الكتلة، وكلاهما مشحون. تحتوي القطرة المعلقة على طاقة موجبة وشحنة سالبة، وهذا في الواقع هو إلكتروننا. والفقاعة (في العالم السفلي) لديها أيضًا طاقة إيجابية، لكن علامة الشحن الخاصة بها معكوسة - فهي مضادة للإلكترون (أو البوزيترون). لوصف ذلك، كانت هناك حاجة إلى وظيفتين إضافيتين.

كان ديراك مستوحى من اكتشافه. لقد كان مقتنعًا بأن الجسيمات المضادة حقيقية، على الرغم من أنه لم يتم ملاحظتها تجريبيًا من قبل. تم اكتشاف الجسيمات المضادة بعد بضع سنوات، وكان الزملاء متشككين بشأن فكرة ديراك، على الرغم من النجاح الواضح لنظريته (لاحظ أن الجسيمات المضادة قامت أيضًا بحل مفارقة كلاين). ومن الواضح أن ديراك آمن بنظريته دون قيد أو شرط. في محاولة للعثور على إجابة لانتقادات عدم إمكانية ملاحظة البوزيترونات، أدرك بسرعة أن البوزيترونات لا يمكن أن تعيش معنا. إذا ظهرت في مكان ما بالقرب منا، فإنها ستفني على الفور مع الإلكترونات المحيطة بها. لذلك، فقد افترض بشكل معقول أنه إذا كان نظامنا الشمسي يتكون من إلكترونات وجسيمات بشكل عام، فلا يوجد مكان للجسيمات المضادة هنا، ويجب البحث عنها في مجرات أخرى ليست على اتصال بمجرتنا. نحن نعتقد الآن أنه من المحتمل عدم وجود المجرات المضادة: والسبب هو أن المادة المضادة تختلف قليلاً عن المادة.

البوزيترونات، التي اخترعها ديراك، سرعان ما اكتشفها كارل أندرسون في عام . لقد ولدت من فوتونات كونية نشطة مقترنة بالإلكترونات، ولكن قبل الفناء اللاحق تمكنت من الطيران لمسافة ما وتركت آثارًا. ومن المثير للاهتمام أنه كان من الممكن اكتشاف البوزيترون قبل 5 سنوات من قبل الفيزيائي الروسي المتميز دميتري سكوبلتسين، الذي رأى البوزيترون لكنه لم يصدق اكتشافه. يجب أن تحتوي جميع الجسيمات على جسيمات مضادة، باستثناء الجسيمات المحايدة حقًا، مثل الفوتون (بالنسبة للفوتون، فإن الجسيم المضاد هو نفسه)، واليوم تم اكتشافها جميعًا. ولا نراهم إلا في تجارب خاصة. لذلك، غالبًا ما يُنظر إلى المادة المضادة على أنها مجردة تمامًا، وربما جميلة، ولكن من غير الواضح سبب اختراع هذا المفهوم. في الواقع، كل ما تمت مناقشته سابقًا ما هو إلا حقيقة وجود الجسيمات المضادة، لكن في الطبيعة من حولنا لا يوجد أي منها تقريبًا، وما الفائدة، حتى لو تعلموا كيفية الحصول عليها في المختبرات؟ لكن لا تتسرع في الاستنتاجات! لقد تعلمنا بالفعل ليس فقط كيفية الحصول على الجسيمات المضادة، ولكن أيضًا كيفية استخدامها لتلبية احتياجاتنا.

5. تطبيق المادة المضادة

لا يبدو أن المادة المضادة تؤثر على حياتنا اليومية. ومع ذلك، فإننا نستخدم اليوم لحل بعض المشكلات العملية على الأقل الجسيم المضاد الأكثر شيوعًا والذي يسهل الحصول عليه نسبيًا - البوزيترون. تم العثور على أحد تطبيقات البوزيترونات في الطب. هناك نوى مشعة تنبعث منها البوزيترونات، والتي، عند مغادرة النواة، تفنى على الفور بإلكترونات الذرات المجاورة، وتتحول إلى فوتونين. يأخذ المريض كمية صغيرة من نظير الجلوكوز مع شوائب مشعة (الجرعة صغيرة جدًا ولا تضر بالصحة)، وتتراكم المادة الشبيهة بالجلوكوز في الخلايا التي تنمو بشكل نشط، وهي خلايا سرطانية. في الورم سيحدث إبادة متكررة للإلكترون والبوزيترون، ويظل العثور على المكان المحدد في الجسم الذي تنبعث منه الفوتونات في كثير من الأحيان تحديًا تقنيًا، ويتم ذلك دون اتصال: يتم تمرير جهاز مسح حول المريض، والتقاط الفوتونات. تسمى هذه الطريقة، التي تسمح لك بتشخيص الورم وتحديد موقعه بدقة، التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني.

تستخدم البوزيترونات أيضًا في علم المواد. باستخدام مجهر بوزيتروني خاص، والذي يطلق البوزيترونات على الجسم قيد الدراسة، من الممكن فحص أسطح أشباه الموصلات لاستخدامها في الإلكترونيات. أو يمكنك ببساطة دراسة عينات من أي مادة وتحديد "تعب" المواد والعثور على العيوب الدقيقة فيها. لذا فإن هذا المجال من المعرفة الذي يبدو مجردًا تمامًا يخدم مصالح محددة جدًا للناس.

مفارقة "المادة المظلمة"، نجوم مزدوجة لا يمكن التنبؤ بها. لا شك أن أحد أكثر الألغاز شهرة وإثارة للاهتمام هو المادة المضادة، التي تتكون من مادة "مقلوبة رأسا على عقب". ويعتبر اكتشاف هذه الظاهرة من أهم إنجازات الفيزياء في القرن الماضي.

وحتى هذه اللحظة كان العلماء متأكدين من أن الجسيمات الأولية هي اللبنات الأساسية وغير المتغيرة للكون، والتي لا تولد من جديد ولا تختفي أبدًا. أصبحت هذه الصورة المملة وغير المعقدة شيئًا من الماضي عندما أصبح من الواضح أن الإلكترون سالب الشحنة ونظيره من العالم المضاد، البوزيترون، يفنيان بعضهما البعض عندما يلتقيان، مما يولد كميات الطاقة. وبعد ذلك أصبح من الواضح أن الجسيمات الأولية بشكل عام تحب التحول إلى بعضها البعض، وبأغرب الطرق. كان اكتشاف المادة المضادة بداية تحول جذري في الأفكار حول خصائص الكون.

لطالما كانت المادة المضادة الموضوع المفضل للخيال العلمي. تستخدم سفينة Enterprise من فيلم Star Trek الشهير محرك المادة المضادة لغزو المجرة. في كتاب دان براون "الملائكة والشياطين"، الشخصية الرئيسية تنقذ روما من قنبلة تم إنشاؤها باستخدام هذه المادة. من خلال تسخير الكميات التي لا تنضب من الطاقة التي يتم الحصول عليها من تفاعل المادة مع المادة المضادة، ستكتسب البشرية قوة تفوق توقعات كتاب الخيال العلمي الأكثر وحشية. بضعة كيلوغرامات من المادة المضادة كافية لعبور المجرة.

لكن صنع الأسلحة والمركبات الفضائية لا يزال بعيدًا جدًا. وحالياً ينشغل العلم نظرياً بإثبات وجود المادة المضادة ودراسة خصائصها، ويستخدم العلماء عشرات، أو على الأكثر، مئات الذرات في تجاربهم. ويتم حساب عمرها بأجزاء من الثواني، وتبلغ تكلفة التجارب عشرات الملايين من الدولارات. الفيزيائيون واثقون من أن المعرفة بالمادة المضادة ستساعدنا على فهم تطور الكون والأحداث التي وقعت فيه مباشرة بعد الانفجار الكبير بشكل أفضل.

ما هي المادة المضادة وما هي خصائصها؟

المادة المضادة هي نوع خاص من المادة يتكون من الجسيمات المضادة. لها نفس الدوران والكتلة مثل البروتونات والإلكترونات العادية، ولكنها تختلف عنها في إشارة الشحنة الكهربائية واللونية، والباريون، وعدد الكم اللبتوني. بكلمات بسيطة، إذا كانت ذرات المادة العادية تتكون من نواة موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة، فإن العكس هو الصحيح بالنسبة للمادة المضادة.

عندما تتفاعل المادة والمادة المضادة، يحدث الفناء، مما يؤدي إلى إطلاق الفوتونات أو الجسيمات الأخرى. الطاقة المتولدة في هذه الحالة هائلة: غرام واحد من المادة المضادة يكفي لانفجار بقوة عدة كيلوطن.

وفقًا للمفاهيم الحديثة، فإن المادة والمادة المضادة لهما نفس البنية، لأن القوة والتفاعلات الكهرومغناطيسية التي تحددها تعمل بشكل متماثل تمامًا على كل من الجسيمات و"أزواجها".

ويُعتقد أن المادة المضادة يمكنها أيضًا خلق قوة الجاذبية، لكن هذه الحقيقة لم يتم إثباتها بشكل قاطع بعد. من الناحية النظرية، يجب أن تعمل الجاذبية بشكل متساوٍ على المادة والمادة المضادة، لكن هذا لا يزال يتعين تحديده تجريبيًا. تعمل مشاريع ALPHA وAEGIS وGBAR حاليًا على هذه المشكلة.

في نهاية عام 2015، باستخدام مصادم RHIC، تمكن العلماء من قياس قوة التفاعل بين البروتونات المضادة. واتضح أنها تساوي خاصية مماثلة للبروتونات.

حاليًا، تُعرف "التوائم" لجميع الجسيمات الأولية الموجودة تقريبًا، باستثناء ما يسمى بالجزيئات "المحايدة الحقيقية"، والتي تتحول إلى نفسها عند اقتران الشحنة. وتشمل هذه الجزيئات:

• الفوتون.
• هيغز بوزون.
• ميزون باي محايد؛
• ايتا ميسون.
• جرافيترون (لم يتم اكتشافه بعد).

المادة المضادة أقرب بكثير مما تعتقد. مصدر المادة المضادة، على الرغم من أنه ليس قويًا جدًا، هو الموز العادي. أنها تحتوي على نظير البوتاسيوم-40، الذي يضمحل لإنتاج البوزيترون. يحدث هذا مرة واحدة كل 75 دقيقة تقريبًا. يعد هذا العنصر أيضًا جزءًا من جسم الإنسان، لذلك يمكن تسمية كل واحد منا بمولد مضاد للجسيمات.

من تاريخ القضية

وكان العالم البريطاني آرثر شوستر أول من اعترف بفكرة وجود المادة “بعلامة مختلفة” في نهاية القرن التاسع عشر. وكان منشوره حول هذا الموضوع غامضًا إلى حدٍ ما ولم يتضمن أي دليل؛ وعلى الأرجح أن فرضية العالم كانت مدفوعة بالاكتشاف الأخير للإلكترون. وكان أول من أدخل مصطلحي "المادة المضادة" و"الذرة المضادة" في الاستخدام العلمي.

تم الحصول على الإلكترون المضاد تجريبيًا حتى قبل اكتشافه رسميًا. تمكن الفيزيائي السوفيتي دميتري سكوبلتسين من القيام بذلك في العشرينات من القرن الماضي. لقد حصل على تأثير غريب عند دراسة أشعة جاما في غرفة السحاب، لكنه لم يستطع تفسيره. نحن نعلم الآن أن هذه الظاهرة نتجت عن ظهور جسيم وجسيم مضاد - إلكترون وبوزيترون.

في عام 1930، تنبأ عالم الفيزياء البريطاني الشهير بول ديراك، أثناء عمله على المعادلة النسبية لحركة الإلكترون، بوجود جسيم جديد له نفس الكتلة ولكن بشحنة معاكسة. في ذلك الوقت، كان العلماء يعرفون جسيمًا موجبًا واحدًا فقط - البروتون، لكنه كان أثقل بآلاف المرات من الإلكترون، لذلك لم يتمكنوا من تفسير البيانات التي حصل عليها ديراك. وبعد ذلك بعامين، اكتشف الأمريكي أندرسون «مضاعفًا» للإلكترون أثناء دراسته للإشعاع القادم من الفضاء. كان يسمى بوزيترون.

وبحلول منتصف القرن الماضي، تمكن الفيزيائيون من دراسة هذه الجسيمات المضادة جيدًا، وتم تطوير عدة طرق لإنتاجها. في الخمسينيات من القرن الماضي، اكتشف العلماء البروتون المضاد والنيوترون المضاد، وفي عام 1965 تم الحصول على مضاد الديوترون، وفي عام 1974 تمكن الباحثون السوفييت من تصنيع نواة الهيليوم والتريتيوم المضادة.

وفي الستينيات والسبعينيات، تم البحث عن الجسيمات المضادة في الغلاف الجوي العلوي باستخدام البالونات ذات المعدات العلمية. ترأس هذه المجموعة الحائز على جائزة نوبل لويس ألفاريز. في المجموع، تم "التقاط" حوالي 40 ألف جسيم، لكن لم يكن لأي منها أي علاقة بالمادة المضادة. وفي عام 2002، بدأ فيزيائيون أمريكيون ويابانيون أبحاثًا مماثلة. أطلقوا منطادًا ضخمًا من نوع BESS (حجمه 1.1 مليون م3) إلى ارتفاع 23 كيلومترًا. لكن حتى خلال 22 ساعة من التجربة، لم يتمكنوا من اكتشاف حتى أبسط الجسيمات المضادة. وفي وقت لاحق، أجريت تجارب مماثلة في القارة القطبية الجنوبية.

في منتصف التسعينيات، تمكن العلماء الأوروبيون من الحصول على ذرة هيدروجين مضاد، تتكون من جزيئين: البوزيترون والبروتون المضاد. في السنوات الأخيرة، أصبح من الممكن تجميع كمية أكبر بكثير من هذا العنصر، مما جعل من الممكن المضي قدمًا في دراسة خصائصه.

وفي عام 2005، تم تركيب كاشف حساس للمادة المضادة في محطة الفضاء الدولية (ISS).

المادة المضادة في الفضاء

يعتقد مكتشف البوزيترون، بول ديراك، أن هناك مناطق كاملة في الكون تتكون بالكامل من المادة المضادة. تحدث عن هذا في محاضرة نوبل. لكن حتى الآن لم يتمكن العلماء من اكتشاف شيء كهذا.

وبطبيعة الحال، هناك جسيمات مضادة في الفضاء. وتولد بسبب العديد من العمليات عالية الطاقة: انفجارات المستعرات الأعظم أو احتراق الوقود النووي الحراري، وتظهر في سحب البلازما حول الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية، وتولد أثناء تصادم الجسيمات عالية الطاقة في الفضاء بين النجوم. علاوة على ذلك، فإن عددًا صغيرًا من الجسيمات المضادة "يمطر" باستمرار على كوكبنا. ويصاحب اضمحلال بعض النويدات المشعة أيضًا تكوين البوزيترونات. ولكن كل ما سبق هو مجرد جسيمات مضادة، وليس مادة مضادة. حتى الآن، لم يتمكن الباحثون من العثور حتى على الهليوم المضاد في الفضاء، ناهيك عن العناصر الأثقل. كما أن البحث عن إشعاع جاما محدد، والذي يصاحب عملية الإبادة أثناء اصطدام المادة والمادة المضادة، انتهى أيضًا بالفشل.

انطلاقًا من البيانات المتاحة اليوم، لا توجد مجرات مضادة أو نجوم مضادة أو أي أجسام كبيرة أخرى مصنوعة من المادة المضادة. وهذا غريب جدًا: وفقًا لنظرية الانفجار الكبير، في لحظة ولادة كوننا، ظهرت كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، وليس من الواضح أين ذهبت الأخيرة. حاليًا، هناك تفسيران لهذه الظاهرة: إما أن المادة المضادة اختفت مباشرة بعد الانفجار، أو أنها موجودة في بعض الأجزاء البعيدة من الكون، وببساطة لم نكتشفها بعد. يعد عدم التماثل هذا أحد أهم المشكلات التي لم يتم حلها في الفيزياء الحديثة.

هناك فرضية مفادها أنه في المراحل الأولى من حياة كوننا، كانت كمية المادة والمادة المضادة متطابقة تقريبًا: لكل مليار بروتون مضاد وبوزيترون كان هناك بالضبط نفس العدد من "نظيراتها"، بالإضافة إلى بروتون وإلكترون "إضافي" . بمرور الوقت، اختفى الجزء الأكبر من المادة والمادة المضادة في عملية الإبادة، ومن الفائض نشأ كل ما يحيط بنا اليوم. صحيح أنه ليس من الواضح تمامًا أين ولماذا ظهرت الجزيئات "الإضافية".

الحصول على المادة المضادة وصعوبات هذه العملية

وفي عام 1995، تمكن العلماء من إنشاء تسع ذرات هيدروجين مضاد فقط. لقد كانت موجودة لعدة عشرات من النانو ثانية ثم تم إبادتها. في عام 2002، كان عدد الجزيئات بالفعل بالمئات، وزاد عمرها عدة مرات.

يولد الجسيم المضاد، كقاعدة عامة، مع "التوأم" المعتاد. على سبيل المثال، للحصول على زوج بوزيترون-إلكترون، من الضروري تفاعل كم جاما مع المجال الكهربائي للنواة الذرية.

يعد الحصول على المادة المضادة مهمة مزعجة للغاية. تحدث هذه العملية في المسرعات، ويتم تخزين الجسيمات المضادة في حلقات تخزين خاصة تحت ظروف فراغ عالية. في عام 2010، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من التقاط ما يصل إلى 38 ذرة هيدروجين مضاد في فخ خاص واحتجازهم لمدة 172 مللي ثانية. للقيام بذلك، كان على العلماء تبريد 30 ألف بروتون مضاد إلى درجة حرارة أقل من -70 درجة مئوية ومليوني بوزيترون إلى -230 درجة مئوية.

وفي العام التالي، تمكن الباحثون من تحسين النتائج بشكل ملحوظ: زيادة عمر الجسيمات المضادة إلى ألف ثانية كاملة. ومن المخطط في المستقبل معرفة غياب أو وجود تأثير مضاد الجاذبية للمادة المضادة.

تمثل مسألة تخزين المادة المضادة صداعًا حقيقيًا للفيزيائيين، لأن البروتونات المضادة والبوزيترونات تفنى على الفور عندما تواجه أي جسيمات من المادة العادية. وللحفاظ عليها، كان على العلماء أن يتوصلوا إلى أجهزة ذكية يمكن أن تمنع وقوع كارثة. يتم تخزين الجسيمات المضادة المشحونة في ما يسمى بمصيدة Penning، والتي تشبه معجلًا مصغرًا. يمنع مجاله المغناطيسي والكهربائي القوي البوزيترونات والبروتونات المضادة من الاصطدام بجدران الجهاز. ومع ذلك، فإن مثل هذا الجهاز لا يعمل مع الأجسام المحايدة، مثل ذرة الهيدروجين المضاد. في هذه الحالة، تم تطوير مصيدة Ioffe. يحدث الاحتفاظ بالذرات المضادة فيه بسبب المجال المغناطيسي.

تكلفة المادة المضادة وكفاءة الطاقة

ونظرًا لصعوبة الحصول على المادة المضادة وتخزينها، فليس من المستغرب أن يكون سعرها مرتفعًا جدًا. وفقًا لحسابات ناسا، في عام 2006، كلفت الملليجرام الواحد من البوزيترونات حوالي 25 مليون دولار. ووفقا لبيانات سابقة، بلغت قيمة الجرام من الهيدروجين المضاد 62 تريليون دولار. يقدم الفيزيائيون الأوروبيون من CERN نفس الأرقام تقريبًا.

من المحتمل أن تكون المادة المضادة وقودًا مثاليًا وفعالًا للغاية وصديقًا للبيئة. المشكلة هي أن كل المادة المضادة التي صنعها البشر حتى الآن لا تكاد تكفي لغلي حتى كوبًا من القهوة.

يتطلب تصنيع جرام واحد من المادة المضادة إنفاق 25 مليون مليار كيلووات/ساعة من الطاقة، مما يجعل أي استخدام عملي لهذه المادة أمرًا سخيفًا. ربما سنزود السفن الفضائية به في يوم من الأيام، ولكن لهذا نحتاج إلى التوصل إلى طرق أبسط وأرخص للحصول عليه وتخزينه على المدى الطويل.

التطبيقات الحالية والواعدة

حاليا، يتم استخدام المادة المضادة في الطب، في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. تتيح لك هذه الطريقة الحصول على صور عالية الدقة للأعضاء الداخلية البشرية. يتم دمج النظائر المشعة مثل البوتاسيوم 40 مع المواد العضوية مثل الجلوكوز ويتم حقنها في مجرى دم المريض. وهناك تنبعث منها البوزيترونات، التي تُفنى عندما تلتقي بالإلكترونات في أجسامنا. يشكل إشعاع جاما الناتج خلال هذه العملية صورة للعضو أو الأنسجة التي يتم فحصها.

تتم أيضًا دراسة المادة المضادة كعامل محتمل مضاد للسرطان.

لا شك أن استخدام المادة المضادة له آفاق هائلة. يمكن أن يؤدي إلى ثورة حقيقية في الطاقة ويسمح للناس بالوصول إلى النجوم. الهواية المفضلة لمؤلفي روايات الخيال العلمي هي السفن الفضائية التي تحتوي على ما يسمى بمحركات الاعوجاج، والتي تسمح لهم بالسفر بسرعات فائقة السرعة. اليوم، هناك العديد من النماذج الرياضية لمثل هذه التركيبات، ومعظمها يستخدم المادة المضادة في عملها.

هناك أيضًا مقترحات أكثر واقعية بدون رحلات جوية فائقة السطوع والفضاء الفائق. على سبيل المثال، يُقترح إلقاء كبسولة من اليورانيوم 238 مع الديوتيريوم والهيليوم 3 داخل سحابة من البروتونات المضادة. يعتقد مطورو المشروع أن تفاعل هذه المكونات سيؤدي إلى بدء تفاعل نووي حراري، حيث ستوفر منتجاتها، التي يتم توجيهها بواسطة مجال مغناطيسي إلى فوهة المحرك، للسفينة قوة دفع كبيرة.

بالنسبة للرحلات الجوية إلى المريخ خلال شهر واحد، يقترح المهندسون الأمريكيون استخدام الانشطار النووي الذي تبدأه البروتونات المضادة. ووفقا لحساباتهم، هناك حاجة إلى 140 نانوجرام فقط من هذه الجسيمات لمثل هذه الرحلة.

ونظرًا للكمية الكبيرة من الطاقة المنبعثة أثناء إبادة المادة المضادة، فإن هذه المادة تعتبر مرشحًا ممتازًا لحشو القنابل والأشياء المتفجرة الأخرى. فحتى كمية صغيرة من المادة المضادة تكفي لصنع سلاح مماثل في قوته للقنبلة النووية. ولكن في الوقت الحالي، من السابق لأوانه القلق بشأن هذا الأمر، لأن هذه التكنولوجيا في المراحل المبكرة جدًا من تطورها. ومن غير المرجح أن يتم تنفيذ مثل هذه المشاريع في العقود المقبلة.

في غضون ذلك، تعد المادة المضادة، أولا وقبل كل شيء، موضوع دراسة العلوم النظرية، والتي يمكن أن تخبر الكثير عن هيكل عالمنا. من غير المرجح أن يتغير هذا الوضع حتى نتعلم كيفية الحصول عليه على نطاق صناعي وتخزينه بشكل موثوق. عندها فقط سيكون من الممكن الحديث عن الاستخدام العملي لهذه المادة.

إذا كان لديك أي أسئلة، اتركها في التعليقات أسفل المقال. سنكون سعداء نحن أو زوارنا بالرد عليهم

المادة المضادة هي مادة تتكون فقط من الجسيمات المضادة. في الطبيعة، كل جسيم أولي لديه جسيم مضاد.بالنسبة للإلكترون، سيكون بوزيترونًا، وبالنسبة للبروتون الموجب الشحنة، سيكون بروتونًا مضادًا. ذرات المادة العادية - وإلا فإنها تسمى مادة العملة- تتكون من نواة موجبة الشحنة تتحرك حولها الإلكترونات. ونوى ذرات المادة المضادة ذات الشحنة السالبة، بدورها، محاطة بالإلكترونات المضادة.

القوى التي تحدد بنية المادة هي نفسها بالنسبة لكل من الجسيمات والجسيمات المضادة. ببساطة، تختلف الجسيمات فقط في علامة شحنتها. من المميز أن "المادة المضادة" ليس الاسم الصحيح تمامًا. إنه في الأساس مجرد نوع من المواد التي لها نفس الخصائص وقادرة على خلق الجاذبية.

الإبادة

في الواقع، هذه هي عملية الاصطدام بين البوزيترون والإلكترون. ونتيجة لذلك، يحدث التدمير المتبادل (الفناء) لكلا الجسيمين مع إطلاق طاقة هائلة. إن إبادة 1 جرام من المادة المضادة يعادل انفجار شحنة TNT بقوة 10 كيلو طن!

توليف

وفي عام 1995، تم الإعلان عن تصنيع أول تسع ذرات للهيدروجين المضاد.لقد عاشوا لمدة 40 نانو ثانية وماتوا، وأطلقوا الطاقة. وبالفعل في عام 2002، كان عدد الذرات التي تم الحصول عليها بالمئات. لكن جميع الجسيمات المضادة الناتجة لا يمكنها البقاء إلا لمدة نانو ثانية. تغيرت الأمور مع إطلاق مصادم الهادرونات: فقد تمكنوا من تصنيع 38 ذرة هيدروجين مضاد والاحتفاظ بها لمدة ثانية كاملة. خلال هذه الفترة الزمنية، أصبح من الممكن إجراء بعض الأبحاث حول بنية المادة المضادة. لقد تعلموا الاحتفاظ بالجزيئات بعد إنشاء مصيدة مغناطيسية خاصة. من أجل تحقيق التأثير المطلوب، يتم إنشاء درجة حرارة منخفضة للغاية. صحيح أن مثل هذا الفخ هو أمر مرهق ومعقد ومكلف للغاية.

في ثلاثية S. Snegov "الناس مثل الآلهة"، يتم استخدام عملية الإبادة في الرحلات الجوية بين المجرات. أبطال الرواية باستخدامه يحولون النجوم والكواكب إلى غبار. لكن في عصرنا، يعد الحصول على المادة المضادة أصعب بكثير وأكثر تكلفة من إطعام البشرية.

كم تبلغ تكلفة المادة المضادة؟

يجب أن يكلف مليغرام واحد من البوزيترونات 25 مليار دولار. ومقابل جرام واحد من الهيدروجين المضاد سيتعين عليك دفع 62.5 تريليون دولار.

لم يظهر بعد شخص كريم جدًا لدرجة أنه يستطيع شراء جزء من مائة من الجرام. وكان لا بد من دفع عدة مئات من الملايين من الفرنكات السويسرية مقابل جزء من مليار من الجرام للحصول على مادة للعمل التجريبي على تصادم الجسيمات والجسيمات المضادة. حتى الآن لا توجد مادة في الطبيعة أغلى من المادة المضادة.

ولكن مع مسألة وزن المادة المضادة، كل شيء بسيط للغاية. وبما أنها تختلف عن المادة العادية المسؤولة فقط، فإن جميع الخصائص الأخرى هي نفسها. اتضح أن جرامًا واحدًا من المادة المضادة يزن جرامًا واحدًا بالضبط.

عالم المادة المضادة

إذا قبلنا بصحة ذلك، فنتيجة لهذه العملية يجب أن تنشأ كميات متساوية من كل من المادة والمادة المضادة. فلماذا لا نلاحظ الأجسام المصنوعة من المادة المضادة بالقرب منا؟ الجواب بسيط للغاية: لا يمكن لهذين النوعين من المادة أن يتعايشا معًا. سوف يدمرون بعضهم البعض بالتأكيد. من المحتمل وجود المجرات وحتى الأكوان المصنوعة من المادة المضادة، وحتى أننا نرى بعض منهم. لكن نفس الإشعاع ينبعث منهم، ويأتي منهم نفس الضوء، كما هو الحال من المجرات العادية. لذلك، لا يزال من المستحيل القول على وجه اليقين ما إذا كان العالم المضاد موجودًا أم أن هذه قصة خيالية جميلة.

هل هو خطير؟

لقد حولت البشرية العديد من الاكتشافات المفيدة إلى وسائل للتدمير. المادة المضادة بهذا المعنى لا يمكن أن تكون استثناءً. ولا يزال من المستحيل تصور سلاح أقوى من ذلك الذي يعتمد على مبدأ الإبادة.ربما ليس الأمر سيئًا لدرجة أنه ليس من الممكن بعد استخراج المادة المضادة وتخزينها؟ هل سيصبح جرس قاتل ستسمعه البشرية في يومها الأخير؟