Материя және антиматерияның түсіндірмесі
Пендахулуан
Физика әлемінде «материя» және «антиматерия» терминдері бізді ғаламдағы жұмбақ пен таңғажайып әлемге алып келеді. Бұл екі ұғым, әр түрлі болғанымен, тығыз байланысты және әртүрлі ғарыштық құбылыстарды қалай түсінетінімізге әсер етеді. Бұл мақалада біз материя мен антиматерияның не екенін, олардың қалай өзара әрекеттесетінін және олардың қазіргі космологияда неліктен соншалықты маңызды екенін түсіндіреміз.
Материя дегеніміз не?
Материя – массасы бар және кеңістікті алып жатқан кез келген нәрсе. Айналамыздағы үстелдер, орындықтар, жануарлар және адамдар сияқты заттардың барлығы материядан тұрады. Материя негізінен атомдарды түзу үшін біріккен протондар, нейтрондар және электрондар сияқты элементар бөлшектерден тұрады. Содан кейін бұл атомдар молекулаларды түзеді, олар өз кезегінде әртүрлі химиялық қосылыстар мен басқа заттарды түзеді.
Зат үш негізгі күйде болады: қатты, сұйық және газ тәрізді. Заттың бұл күйлері олар өмір сүретін ортаның температурасы мен қысымына байланысты. Бұл негізгі күйлерден басқа, плазма сияқты басқа да формалар бар, олар жұлдыздардың ішінде, соның ішінде Күнде де кездеседі.
Антиматерия дегеніміз не?
Антиматерия – қасиеттері бірдей, бірақ заряды қарама-қарсы материяның «егізі». Мысалы, электронның антибөлшегі – оң заряды бар, бірақ массасы электронмен бірдей позитрон. Сол сияқты, антипротонның теріс заряды бар, бірақ массасы кәдімгі протонмен бірдей.
Антиматерияны алғаш рет 1928 жылы Пол Дирак кванттық механиканы Эйнштейннің салыстырмалылық теориясымен біріктіретін Дирак теңдеуі арқылы болжаған. Дирак кәдімгі бөлшектердің қасиеттеріне қарама-қарсы бөлшектердің бар екенін болжаған. Позитронның бар екенін кейінірек 1932 жылы Карл Андерсон эксперименталды түрде растады.
Материя мен антиматерияның өзара әрекеттесуі
Материя мен антиматерия кездескенде, олар аннигиляция деп аталатын процесстен өтеді. Бұл процесте бөлшектер мен антибөлшектер бір-бірін жойып, олардың массасын Эйнштейннің әйгілі теңдеуіне (E=mc2) сәйкес энергияға айналдырады. Бұл аннигиляция өте энергетикалық гамма-сәулелердің шығарылуын тудырады.
Зат пен антиматерияны жою массаны энергияға айналдырудың өте тиімді процесі болып табылады. Бұл ғылыми фантастикадағы көптеген сценарийлерге, мысалы, осы принцип бойынша жұмыс істейді деп саналатын «Жұлдызды жолдағы» варп қозғалтқышының тұжырымдамасына шабыт берді. Зат пен антиматерияны жоюдың тиімділігіне қарамастан, көп мөлшерде антиматерияны өндіру және сақтау нақты әлемде маңызды мәселе болып қала береді.
Әлемдегі антиматерия
Қазіргі уақытта біз бақылайтын әлем толығымен дерлік материядан тұрады. Жердегі табиғи жағдайларда антиматерия өте сирек кездеседі. Физикадағы негізгі сұрақтардың бірі - неге ғаламдағы материя мен антиматерия мөлшері арасында «бариондық асимметрия» мәселесі деп аталатын үлкен асимметрия бар.
Үлкен жарылыс теориясы бойынша, ғалам пайда болған кезде материя мен антиматерия тең мөлшерде жаратылған. Дегенмен, егер материя мен антиматерия бастапқыда тең мөлшерде болса, олар бір-бірін жойып, ғарышты аморфты энергияға толтырар еді. Шын мәнінде, бұл болған жоқ, ал ғаламның басым көпшілігі материяға толы.
Мұны түсіндіру үшін ұсынылған теориялардың бірі - заряд тепе-теңдігінің бұзылуы (CP-бұзылуы) теориясы. CP-бұзылуы бөлшектер физикасы кейде материя мен антиматерияны ажырата алатынын көрсетеді. Бұл құбылыс каондармен және B-мезондармен жүргізілген тәжірибелерде байқалды, бірақ бұл материя мен антиматерияның толық асимметриясын түсіндіру үшін жеткіліксіз.
Антиматерияны қолдану және онымен тәжірибелер
Сирек кездесетініне қарамастан, антиматерия CERN-дегі Үлкен Адрон Коллайдері (LHC) сияқты бөлшектер үдеткіштерін пайдаланатын зертханаларда аз мөлшерде өндірілді. Алынған антиматерия бөлшектердің негізгі қасиеттерін және олардың өзара әрекеттесуін зерттеу үшін әртүрлі ғылыми тәжірибелерде жиі қолданылады.
Антиматерияның практикалық қолданылуының бірі - медициналық бейнелеу әдістерінде, мысалы, позитронды-эмиссиялық томографияда (ПЭТ) қолдану. ПЭТ сканерлеу кезінде позитрондарды түзетін радиоактивті изотоп денеге енгізіледі. Позитрондар дене тіндеріндегі электрондармен кездескенде, олар жойылып, дененің метаболикалық белсенділігінің суретін жасау үшін анықталатын гамма-сәулелер жұбын шығарады.
Сонымен қатар, антиматерияны энергия көзі ретінде пайдалану мүмкіндігі де бар. Жойылу кезінде бөлінетін орасан зор энергияның арқасында, егер оны өндіру және сақтау мәселесі шешілсе, антиматерия өте тиімді ресурс бола алады. Бұл антиматерияны болашақ энергетикалық зерттеулер мен ғарыштық қозғалыс үшін әлеуетті кандидат етеді.
Материя мен антиматерияны зерттеудің болашағы
Материя мен антиматерияны зерттеу ғаламды түсінуімізді жақсарту үшін ғана емес, сонымен қатар технология мен адам денсаулығының болашағын өзгерте алатын практикалық қолданыстар үшін де маңызды. Бүгінгі таңдағы негізгі мәселе - антиматерияның айтарлықтай мөлшерін қауіпсіз және тиімді түрде өндіру, сақтау және өңдеу.
Бөлшектерді үдеткіш және детектор технологиясының дамуымен материя мен антиматерияны зерттеу одан әрі терең түсініктер береді және маңызды жаңалықтарға әкеледі деп күтуге болады. Жапониядағы Belle II және Еуропадағы High Luminosity LHC сияқты ірі жобалар материя-антиматерия асимметриясының құпиясын шешу және бөлшектер физикасын тереңірек түсіну үшін көп жұмыс істеуде.
Қорытынды
Материя мен антиматерия – бізді ғаламды түсінуге жақындататын екі негізгі ұғым. Олар кездескенде бір-бірін жойып жібергенімен, олардың өзара әрекеттесуі бөлшектер физикасы, космология және табиғаттың негізгі принциптері туралы терең түсінік береді. Көптеген сұрақтар жауапсыз қалғанымен, бұл саладағы үздіксіз зерттеулер ғаламды түсінуімізді өзгертіп, технология мен адам өмірінде керемет практикалық қолданыстарды ашатын жаңа ашылуларды уәде етеді.
