Antimaddənin Mövcudluğu Haqqında Nəzəriyyələr
Antimaddə müasir fizikada ən maraqlı anlayışlardan biridir, çünki bildiyimiz maddənin "əkiz"i kimi səslənir, lakin əks xüsusiyyətlərə malikdir. Məşhur təsəvvürdə antimaddə tez-tez super yanacaq və ya təhlükəli bir şey kimi təsvir olunur, çünki maddə ilə təmasda olduqda "partlaya" bilər. Lakin, elmi fantastika hekayəsindən kənarda, antimaddə laboratoriyada müşahidə edilən, istehsal edilən və öyrənilən real fiziki varlıqdır. Əsas sual budur: əgər antimaddə maddə ilə müqayisə edilə bilən miqdarda mövcud olmalıdırsa, gördüyümüz kainat niyə demək olar ki, tamamilə maddədən ibarətdir?
Antimaddə və Konsepsiyanın Mənşəyi Anlamaq
Zərrəciklər fizikasında hər elementar hissəciyin ümumiyyətlə antipartikulyar qarşılığı olur. Antipartikullar qarşılıqları ilə eyni kütləyə malikdir, lakin əks elektrik yükünə və bir neçə digər kvant ədədinə malikdir. Ən sadə nümunə mənfi yüklü elektron, onun antipartikulyar qarşılığı isə müsbət yüklü pozitrondur. Eynilə, protonların antiprotonları, neytronların antineytronları və s. var.
Antimaddə ideyası kvant nəzəriyyəsi və nisbiliyin inkişafından irəli gəlmişdir. 1920-ci illərin sonlarında Pol Dirak elektronları nisbi olaraq təsvir etmək üçün Dirak tənliyini tərtib etmişdir. Bu tənlik əvvəlcə çaşdırıcı olan riyazi bir həll yolu vermişdir: müsbət enerji həllinə əlavə olaraq, "mənfi" enerji həlli də mövcud idi. Dirak bu həlli rədd etmək əvəzinə, elektrona bənzər, lakin əks yüklü başqa bir hissəciyin mövcudluğunu göstərən bir şey kimi şərh etmişdir. Bu proqnoz 1932-ci ildə Karl Anderson kosmik şüaların izində pozitronu kəşf etdikdə təsdiqlənmişdir. O vaxtdan bəri antimaddə hissəciklər fizikasının fundamental bir hissəsinə çevrilmişdir.
Antimaddə Təbiətdə Necə “Mövcuddur”
Nəzəri olaraq, antimaddə bir neçə mexanizm vasitəsilə mövcud ola bilər:
1. Cüt istehsal
Kifayət qədər yüksək enerji hissəcik-antihissəcik cütlərinə çevrilə bilər. Məsələn, yüksək enerjili foton elektron və pozitron yarada bilər. Bu proses ağır atom nüvələrinin yaxınlığında, neytron ulduzlarının yaxınlığında və ya yüksək enerjili hissəciklərin toqquşması kimi ekstremal şərait tələb edir.
2. Kosmik şüalar və astrofizik hadisələr
Antimaddə də kosmik şüalar atmosfer və ya ulduzlararası maddə ilə toqquşduqda təbii olaraq əmələ gəlir. Buna görə də, pozitronlar və antiprotonlar kosmik cihazlar vasitəsilə aşkar edilə bilər. Lakin onların miqdarı çox azdır, kainatın əsas komponentindən daha çox "toz"a bənzəyir.
3. Yüksək enerjili nüvə reaksiyaları
Supernova partlayışları, qara dəlik reaktivləri və ya qamma şüalanması partlaması kimi fövqəladə hadisələrdə nəhəng enerjilər antipartikullar da daxil olmaqla müxtəlif hissəciklərə səbəb ola bilər.
Təbiətdə mövcud olsa da, antimaddə maddə ilə qarşılaşdıqda tez bir zamanda "yox olmağa" və məhv olmağa meyllidir.
Məhv: Maddə Antimaddə ilə Qarşılaşır
Bir hissəcik öz antipartikulu ilə qarşılaşdıqda, onlar bir-birini məhv edə və kütləni enerjiyə çevirə bilərlər, adətən qamma fotonları və ya digər hissəciklər şəklində. Buna görə də antimaddə gündəlik həyatda "nadir" görünür: dünyamız maddə tərəfindən idarə olunur, ona görə də hər hansı bir antimaddə meydana çıxsaydı, o, tez bir zamanda ətrafdakı maddə ilə toqquşacaqdı.
Məhv olma "izsiz yox olmaq" demək deyil, Eynşteynin enerjinin qorunması və kütlə-enerji prinsipinə (E=mc²) görə enerjinin çevrilməsi deməkdir. Bu proses antimaddəni nəzəri cəhətdən enerji üçün bu qədər cəlbedici, lakin istehsalı və saxlanması çox çətin olduğu üçün praktik olaraq istifadəsini bu qədər çətinləşdirir.
Maddə Nəzəriyyəsi-Antimateriya Balansı (Barion Asimmetriyası)
Kosmologiyada ən böyük suallardan biri budur: kainat niyə maddə tərəfindən idarə olunur? Əgər Böyük Partlayış bərabər miqdarda maddə və antimaddə yaratsaydı, onlar bir-birini məhv etməli və yalnız radiasiya ilə dolu bir kainat yaratmalı idilər. Qalaktikaların, ulduzların, planetlərin və insanların mövcud olması, əvvəlcə antimaddə üzərində kiçik bir "artıqlıq" maddənin olduğunu göstərir.
Bu fenomen barion asimmetriyası adlanır. Antibarionlardan daha çox barionların (məsələn, proton və neytronların) olmasının səbəbini izah etmək üçün fiziklər kainatın maddənin tarazlığını pozması üçün üç şərt olan Saxarov şərtləri (1967) kimi tanınan şərtlərə istinad edirlər:
1. Barion ədədinin qorunmasını pozan bir proses olmalıdır.
2. C (yük) və CP (yük-paritet) simmetriyasının pozulması olmalıdır.
3. İstilik tarazlığından kənar bir vəziyyət baş verməlidir.
Zərrəciklər fizikasının Standart Modelində CP pozuntusu mövcuddur (məsələn, müəyyən mezonların parçalanmasında), lakin onun böyüklüyü müşahidə etdiyimiz maddənin dominantlığını izah etmək üçün kifayət deyil. Bu, Standart Modeldən kənarda yeni fizika imkanlarını açır.
CPT Simmetriyası və Antimaddənin Fiziki Xüsusiyyətləri
Kvant sahə nəzəriyyəsi çərçivəsində CPT simmetriyası adlanan fundamental bir prinsip mövcuddur və bu prinsip üç çevrilmənin kombinasiyasıdır: C (zərrəcikləri antizərrəciklərlə əvəz etmək), P (fəza koordinatlarını güzgü kimi tərsinə çevirmək) və T (zamanın istiqamətini tərsinə çevirmək). Ümumiyyətlə, nisbilik və kvant mexanikası ilə uyğun nəzəriyyələr CPT-nin qorunub saxlanılmalı olduğunu proqnozlaşdırır.
Nəticə etibarilə, antimaddə maddə ilə çox oxşar xüsusiyyətlərə malik olmalıdır, məsələn, eyni kütlə və eyni atom enerjisi spektri (əks yük işarələri ilə). Antihidrogen üzərində ölçmələr də daxil olmaqla dəqiq təcrübələr, antimaddənin bütün proqnozlaşdırılan cəhətlərdə maddə ilə eyni olub olmadığını yoxlamağa davam edir. İndiyə qədər CPT-ni pozan heç bir fərq tapılmadı, lakin sınaqlar zamanla daha sərt hala gəlir.
Antihidrogen və Antimaddəni Tutmaq Səyləri
Əhəmiyyətli mərhələlərdən biri antiproton və pozitrondan ibarət olan bir atom olan antihidrogenin uğurla yaradılması və tutulması idi. CERN-də aparılan ALPHA kimi təcrübələr antihidrogeni xüsusiyyətlərini ölçmək üçün kifayət qədər uzun müddət maqnit tələsində saxladı. Adi hidrogenlə müqayisədə antihidrogen spektrinin ölçülməsi fundamental simmetriyaları sınaqdan keçirmək üçün yüksək həssaslıq təmin edir.
Antimaddə tədqiqatlarında əsas çətinlik saxlamadır. Antimaddə adi qablarda saxlanıla bilməz, çünki o, maddədən ibarət olan divarlarla təmasda olardı. Buna görə də, hissəciklərin maddə ilə təmas etmədən "havaya qalxmasına" imkan vermək üçün yüksək vakuumda və ultra aşağı temperaturda elektromaqnit tələlərdən istifadə olunur.
Antimaddə və Cazibə Qüvvəsi: Onlar eyni şeydirmi?
Başqa bir maraqlı sual: antimaddə cazibə qüvvəsinə necə reaksiya verir? Ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə görə, cazibə qüvvəsi enerji və kütlədən asılıdır, buna görə də antimaddə maddə kimi aşağı enməlidir. Lakin bunu birbaşa ölçmək çox çətindir, çünki antimaddəni yaratmaq və saxlamaq çətindir.
Müasir təcrübələr antihidrogenin düşməsinin sürətlənməsini ölçməyə çalışır. Əgər antimaddənin fərqli şəkildə düşdüyü ortaya çıxsa, bu, cazibə qüvvəsi və təbiətin simmetriyası haqqında anlayışımızı sarsıdacaq böyük bir kəşf olardı. Lakin əksər əsas nəzəriyyələr heç bir əsas fərq proqnozlaşdırmır; onlar yeni fizikanı ortaya çıxara biləcək mümkün kiçik sapmalar axtarırlar.
Kosmologiyada Antimaddə Nəzəriyyəsi: "Antimaddə Kainatı" mövcuddurmu?
Kosmologiyada uzun müddətdir mövcud olan fikirlərdən biri, kainatın böyük bölgələrinin, məsələn, antimaddə qalaktikaları və ya qalaktika klasterlərinin antimaddə tərəfindən idarə olunması ehtimalıdır. Əgər bu doğrudursa, maddə ilə antimaddənin qarşılaşdığı sərhəd genişmiqyaslı məhv üçün xarakterik olan qamma şüaları yaradacaq.
Bu günə qədər astronomik müşahidələr yaxın kosmoloji məsafələrdə "antimateriya sahəsi" üçün güclü dəlil tapmayıb. Qamma şüaları məlumatları və kosmik şüa ölçmələri müşahidə edilə bilən kainatın maddə tərəfindən idarə olunduğunu göstərir. Lakin, məsələn, kosmosda antihelium nüvələrini və ya digər olduqca nadir ağır antipartikulları axtaran detektorlardan istifadə etməklə axtarış davam edir.
Bağlanır
Antimaddənin mövcudluğu nəzəriyyəsi sadəcə fərziyyə deyil, təcrübələrlə təsdiqlənmiş fizikanın real bir hissəsidir. Antimaddə, pozitronun kəşfi, sürətləndiricilərdə antipartikulların istehsalı və antihidrogenin yaradılması ilə sübut edilmiş relyativistik kvant mexanikasının fundamental tənliklərinin zərif bir nəticəsi kimi mövcuddur. Lakin ən böyük sirr hələ də qalır: kainat niyə antimaddə əvəzinə maddəni "seçir"?
Bu suala cavab vermək üçün elm adamları CP pozuntusunu yoxlayır, hidrogen və antihidrogenin xüsusiyyətlərini dəqiq müqayisə edir və antimaddənin cazibə qüvvəsində necə davrandığını araşdırırlar. Getdikcə daha dəqiq olan hər bir ölçmə kainatın mənşəyi, onun fundamental qanunları və bəlkə də Standart Modeldən kənarda fizika haqqında yeni anlayışlara qapı aça bilər. Antimaddə, nəticə etibarilə, maddənin əksi deyil, təbiət haqqında anlayışımızın tam olub-olmadığını və ya hələ də dərin sirlərə sahib olub-olmadığını ortaya qoya bilən bir güzgüdür.
