எதிர் அணுக்களின் இருப்பு பற்றிய கோட்பாடுகள்

எதிர் அணுக்களின் இருப்பு பற்றிய கோட்பாடுகள்

நவீன இயற்பியலில் எதிர்பொருள் என்பது மிகவும் சுவாரஸ்யமான கருத்துக்களில் ஒன்றாகும். ஏனெனில், அது நாம் அறிந்த பொருளின் 'இரட்டை' போலத் தோன்றினாலும், அதற்கு நேர் எதிரான பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது. பொதுமக்களின் கற்பனையில், எதிர்பொருள் பெரும்பாலும் ஒரு சூப்பர் எரிபொருளாகவோ அல்லது பொருளுடன் தொடர்பு கொள்ளும்போது 'வெடிக்க'க்கூடிய அபாயகரமான ஒன்றாகவோ சித்தரிக்கப்படுகிறது. இருப்பினும், அறிவியல் புனைகதைக் கதைகளுக்கு அப்பால், எதிர்பொருள் என்பது ஆய்வகத்தில் காணப்பட்டு, உருவாக்கப்பட்டு, ஆய்வு செய்யப்படும் ஒரு உண்மையான பௌதீகப் பொருளாகும். பெரிய கேள்வி என்னவென்றால்: எதிர்பொருளும் பொருளுக்கு நிகரான அளவில் இருக்க வேண்டும் என்றால், நாம் காணும் இந்தப் பிரபஞ்சம் ஏன் ஏறக்குறைய முழுவதுமாகப் பொருளால் ஆனது?

எதிர் அணுக்களைப் புரிந்துகொள்வதும், அக்கருத்தின் தோற்றமும்

துகள் இயற்பியலில், ஒவ்வொரு அடிப்படைத் துகளுக்கும் பொதுவாக ஒரு எதிர்த் துகள் இணை உண்டு. எதிர்த் துகள்கள், அவற்றின் இணைத் துகள்களைப் போலவே அதே நிறையைக் கொண்டிருக்கும், ஆனால் எதிர் மின்னூட்டத்தையும் மற்றும் பல குவாண்டம் எண்களையும் கொண்டிருக்கும். இதற்கு மிக எளிய உதாரணம் எதிர்மின்னூட்டம் கொண்ட எலக்ட்ரான் ஆகும், அதேசமயம் அதன் எதிர்த் துகள் இணை நேர்மின்னூட்டம் கொண்ட பாசிட்ரான் ஆகும். இதேபோல், புரோட்டான்களுக்கு எதிர்ப்புரோட்டான்களும், நியூட்ரான்களுக்கு எதிர்நியூட்ரான்களும் உள்ளன, இப்படியே தொடர்கிறது.

குவாண்டம் கோட்பாடு மற்றும் சார்பியல் ஆகியவற்றின் வளர்ச்சியிலிருந்து எதிர்-பொருள் பற்றிய கருத்து உருவானது. 1920களின் பிற்பகுதியில், பால் டிராக், எலக்ட்ரான்களை சார்பியல் ரீதியாக விவரிக்க டிராக் சமன்பாட்டை உருவாக்கினார். இந்த சமன்பாடு ஆரம்பத்தில் குழப்பத்தை ஏற்படுத்திய ஒரு கணிதத் தீர்வைக் கொடுத்தது: நேர்மறை ஆற்றல் தீர்வுடன், ஒரு "எதிர்மறை" ஆற்றல் தீர்வும் இருந்தது. அதை நிராகரிப்பதற்குப் பதிலாக, எலக்ட்ரானைப் போன்ற ஆனால் எதிர் மின்னூட்டம் கொண்ட மற்றொரு துகள் இருப்பதைக் குறிப்பதாக டிராக் இந்தத் தீர்வை விளக்கினார். 1932ல் கார்ல் ஆண்டர்சன் அண்டக் கதிர்களின் தடத்தில் பாசிட்ரானைக் கண்டுபிடித்தபோது இந்தக் கணிப்பு உறுதி செய்யப்பட்டது. அன்று முதல், எதிர்-பொருள் துகள் இயற்பியலின் ஒரு அடிப்படைப் பகுதியாக மாறியுள்ளது.

இயற்கையில் எதிர் அணுக்கள் எவ்வாறு “இருக்கின்றன”

கோட்பாட்டளவில், எதிர் பருப்பொருள் பல்வேறு வழிமுறைகள் மூலம் நிலைத்திருக்க முடியும்:

1. ஜோடி உற்பத்தி
போதுமான அளவு அதிக ஆற்றல், துகள்-எதிர்த்துகள் ஜோடிகளாக உருமாற முடியும். உதாரணமாக, ஒரு உயர் ஆற்றல் ஃபோட்டான் ஒரு எலக்ட்ரானையும் ஒரு பாசிட்ரானையும் உருவாக்க முடியும். இந்த செயல்முறைக்கு, கனமான அணுக்கருக்களுக்கு அருகில், நியூட்ரான் நட்சத்திரங்களின் அருகாமையில், அல்லது உயர் ஆற்றல் துகள் மோதல்கள் போன்ற தீவிரமான சூழ்நிலைகள் தேவைப்படுகின்றன.

2. அண்டக் கதிர்கள் மற்றும் வானியற்பியல் நிகழ்வுகள்
அண்டக் கதிர்கள் வளிமண்டலத்துடனோ அல்லது விண்மீன்களுக்கு இடையேயான பொருளுடனோ மோதும்போது எதிர்ப் பொருளும் இயற்கையாகவே உருவாகிறது. எனவே, பாசிட்ரான்களையும் ஆன்டிபுரோட்டான்களையும் விண்வெளிக் கருவிகளால் கண்டறிய முடியும். இருப்பினும், அவற்றின் அளவு மிகக் குறைவானது; பிரபஞ்சத்தின் ஒரு முக்கிய அங்கமாக இருப்பதை விட, அவை "தூசி" போன்றே உள்ளன.

3. உயர் ஆற்றல் அணுக்கரு வினைகள்
சூப்பர்நோவா வெடிப்புகள், கருந்துளைப் பீறிடல்கள் அல்லது காமா கதிர் வெடிப்பு நிகழ்வுகள் போன்ற அசாதாரண நிகழ்வுகளில், மிகப்பெரிய ஆற்றல்கள் எதிர் துகள்கள் உட்பட பல்வேறு துகள்களை உருவாக்கக்கூடும்.

இயற்கையில் காணப்பட்டாலும், எதிர் அணுக்கள், அணுக்களை எதிர்கொள்ளும்போது விரைவாக "மறைந்து" விடுகின்றன மற்றும் அழிவைச் சந்திக்கின்றன.

அழித்தல்: பருப்பொருள் எதிர்ப்பொருளைச் சந்திக்கிறது

ஒரு துகள் அதன் எதிர் துகளைச் சந்திக்கும்போது, ​​அவை ஒன்றையொன்று அழித்துக்கொண்டு, நிறையை ஆற்றலாக மாற்றுகின்றன; இந்த ஆற்றல் பொதுவாக காமா ஃபோட்டான்கள் அல்லது பிற துகள்களின் வடிவில் வெளிப்படுகிறது. இதனால்தான் அன்றாட வாழ்வில் எதிர் பருப்பொருள் "அரிதாக"த் தோன்றுகிறது: நம் உலகில் பருப்பொருளே ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது, எனவே ஏதேனும் எதிர் பருப்பொருள் தோன்றினால், அது சுற்றியுள்ள பருப்பொருளுடன் விரைவாக மோதிக்கொள்ளும்.

அழிவு என்பது 'தடயமே இல்லாமல் மறைந்து போவது' என்று பொருளல்ல, மாறாக ஐன்ஸ்டீனின் ஆற்றல் மற்றும் நிறை-ஆற்றல் பாதுகாப்பு விதியின்படி (E=mc²) நிகழும் ஓர் ஆற்றல் உருமாற்றம் ஆகும். இந்தச் செயல்முறைதான் எதிர் அணுக்களை ஆற்றல் பயன்பாட்டிற்குக் கோட்பாட்டு ரீதியாக மிகவும் கவர்ச்சிகரமானதாக ஆக்குகிறது, ஆனால் அதன் உற்பத்தியும் சேமிப்பும் மிகவும் சவாலானவையாக இருப்பதால், நடைமுறையில் பயன்படுத்துவதை மிகவும் கடினமாக்குகிறது.

பொருள்-எதிர்பொருள் சமநிலையின்மை கோட்பாடு (பேரியான் சமச்சீரின்மை)

அண்டவியலில் உள்ள மிகப்பெரிய கேள்விகளில் ஒன்று: பிரபஞ்சத்தில் ஏன் பருப்பொருள் ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது? பெருவெடிப்பு சம அளவிலான பருப்பொருளையும் எதிர்ப்பொருளையும் உருவாக்கியிருந்தால், அவை ஒன்றையொன்று அழித்து, கதிர்வீச்சைத் தவிர வேறொன்றுமில்லாத ஒரு பிரபஞ்சத்தை உருவாக்கியிருக்க வேண்டும். விண்மீன் திரள்கள், நட்சத்திரங்கள், கோள்கள் மற்றும் மனிதர்கள் இருப்பது, ஆரம்பத்தில் எதிர்ப்பொருளை விட பருப்பொருள் சிறிதளவு "அதிகமாக" இருந்தது என்பதைக் காட்டுகிறது.

இந்த நிகழ்வு பேரியான் சமச்சீரின்மை என்று அழைக்கப்படுகிறது. ஆன்டிபேரியான்களை விட பேரியான்கள் (புரோட்டான்கள் மற்றும் நியூட்ரான்கள் போன்றவை) ஏன் அதிகமாக உள்ளன என்பதை விளக்க, இயற்பியலாளர்கள் சாகரோவ் நிபந்தனைகள் (1967) எனப்படும் நிலைமைகளைக் குறிப்பிடுகின்றனர்; இவை பிரபஞ்சத்தில் பொருளின் சமநிலையின்மை ஏற்படுவதற்கான மூன்று நிபந்தனைகளாகும்:

1. பேரியான் எண் பாதுகாப்பை மீறும் ஒரு செயல்முறை இருக்க வேண்டும்.
2. C (மின்சுமை) மற்றும் CP (மின்சுமை-சமநிலை) சமச்சீர்மையில் மீறல் இருக்க வேண்டும்.
3. வெப்பச் சமநிலைக்கு அப்பாற்பட்ட ஒரு நிலை ஏற்பட வேண்டும்.

துகள் இயற்பியலின் திட்ட மாதிரியில், CP மீறல் உள்ளது (எடுத்துக்காட்டாக, சில மீசான்களின் சிதைவில்), ஆனால் நாம் காணும் பருப்பொருளின் ஆதிக்கத்தை விளக்க அதன் அளவு போதுமானதாகத் தெரியவில்லை. இது திட்ட மாதிரிக்கு அப்பாற்பட்ட புதிய இயற்பியலுக்கான சாத்தியக்கூறைத் திறக்கிறது.

CPT சமச்சீர் மற்றும் எதிர் அணுக்களின் இயற்பியல் பண்புகள்

குவாண்டம் புலக் கோட்பாட்டின் கட்டமைப்பிற்குள், CPT சமச்சீர் எனப்படும் ஒரு அடிப்படைக் கொள்கை உள்ளது. இது மூன்று உருமாற்றங்களின் ஒரு கலவையாகும்: C (துகள்களுக்குப் பதிலாக எதிர் துகள்களை இடுதல்), P (கண்ணாடியைப் போல இடஞ்சார்ந்த ஆயங்களை மாற்றுதல்), மற்றும் T (காலத்தின் திசையை மாற்றுதல்). பொதுவாக, சார்பியல் மற்றும் குவாண்டம் இயக்கவியலுடன் ஒத்துப்போகும் கோட்பாடுகள், CPT பாதுகாக்கப்பட வேண்டும் என்று கணிக்கின்றன.

ஆகையால், எதிர்-பொருளானது பொருளைப் போன்றே நிறை மற்றும் அணு ஆற்றல் நிறமாலை (எதிர் மின்னூட்டக் குறிகளுடன்) போன்ற மிக ஒத்த பண்புகளைக் கொண்டிருக்க வேண்டும். எதிர்-ஹைட்ரஜன் மீதான அளவீடுகள் உட்பட, துல்லியமான சோதனைகள், கணிக்கப்பட்ட அனைத்து அம்சங்களிலும் எதிர்-பொருளானது உண்மையில் பொருளைப் போன்றதா என்பதைத் தொடர்ந்து சோதித்து வருகின்றன. இதுவரை, CPT-ஐ மீறும் எந்த வேறுபாடுகளும் கண்டறியப்படவில்லை, ஆனால் காலப்போக்கில் சோதனைகள் மேலும் கடுமையாகி வருகின்றன.

எதிர்ஹைட்ரஜனும் எதிர்பொருளைக் கைப்பற்றும் முயற்சியும்

ஆன்டிபுரோட்டான் மற்றும் பாசிட்ரான் ஆகியவற்றால் ஆன ஆன்டிஹைட்ரஜன் என்ற அணுவை வெற்றிகரமாக உருவாக்கிப் பொறியில் சிக்க வைத்தது ஒரு முக்கியமான மைல்கல் ஆகும். CERN-இல் உள்ள ALPHA போன்ற சோதனைகள், ஆன்டிஹைட்ரஜனை அதன் பண்புகளை அளவிடும் அளவுக்கு நீண்ட நேரம் ஒரு காந்தப் பொறியில் வெற்றிகரமாகத் தக்கவைத்துக் கொண்டன. சாதாரண ஹைட்ரஜனின் நிறமாலையுடன் ஒப்பிட்டு ஆன்டிஹைட்ரஜனின் நிறமாலையை அளவிடுவது, அடிப்படை சமச்சீர்களைச் சோதிப்பதற்கு மிகவும் நுட்பமான ஒரு வழியை வழங்குகிறது.

எதிர்பொருள் ஆராய்ச்சியில் உள்ள முக்கிய சவால் சேமிப்பாகும். எதிர்பொருளை சாதாரண கொள்கலன்களில் சேமிக்க முடியாது, ஏனெனில் அது பொருளால் ஆன சுவர்களுடன் தொடர்பு கொள்ளும். எனவே, துகள்கள் பொருளுடன் தொடர்பு கொள்ளாமல் "மிதப்பதற்கு" உயர் வெற்றிடம் மற்றும் மிகக் குறைந்த வெப்பநிலையில் மின்காந்தப் பொறிகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

எதிர்ப்பொருளும் ஈர்ப்பு விசையும்: இரண்டும் ஒன்றேவா?

மற்றொரு சுவாரஸ்யமான கேள்வி: எதிர் அணுக்கள் ஈர்ப்பு விசைக்கு எவ்வாறு பதிலளிக்கின்றன? பொது சார்பியல் கோட்பாட்டின்படி, ஈர்ப்பு விசையானது ஆற்றல் மற்றும் நிறையைச் சார்ந்துள்ளது, எனவே எதிர் அணுக்களும் அணுக்களைப் போலவே கீழ்நோக்கி விழ வேண்டும். இருப்பினும், இதை நேரடியாக அளவிடுவது மிகவும் கடினம், ஏனெனில் எதிர் அணுக்களை உருவாக்குவதும் கட்டுப்படுத்துவதும் கடினம்.

நவீன சோதனைகள் எதிர்ஹைட்ரஜனின் வீழ்ச்சி முடுக்கத்தை அளவிட முயற்சிக்கின்றன. எதிர் அணுக்கள் வித்தியாசமாக விழுகின்றன என்று தெரியவந்தால், அது ஈர்ப்பு விசை மற்றும் இயற்கையின் சமச்சீர்மைகள் பற்றிய நமது புரிதலை அசைத்துவிடும் ஒரு மாபெரும் கண்டுபிடிப்பாக அமையும். ஆனால் பெரும்பாலான முக்கிய கோட்பாடுகள் பெரிய வேறுபாடுகள் எதுவும் இருக்காது என்று கணிக்கின்றன; அவை புதிய இயற்பியலை வெளிப்படுத்தக்கூடிய சாத்தியமான சிறிய விலகல்களையே தேடுகின்றன.

அண்டவியலில் எதிர்பொருள் கோட்பாடு: “எதிர்பொருள் அண்டம்” என்று ஒன்று உள்ளதா?

அண்டவியலில் நீண்ட காலமாக இருந்துவரும் ஒரு கருத்து, எதிர்பொருள் விண்மீன் திரள்கள் அல்லது விண்மீன் திரள் கொத்துகள் போன்ற, பிரபஞ்சத்தின் பெரும் பகுதிகள் எதிர்பொருளால் ஆதிக்கம் செலுத்தப்படுவதற்கான சாத்தியம் என்பதாகும். இது உண்மையாக இருந்தால், பொருளும் எதிர்பொருளும் சந்திக்கும் எல்லையானது, பேரளவு அழிவின் சிறப்பியல்புடைய காமா கதிர்களை உருவாக்கும்.

இன்றுவரை, வானியல் ஆய்வுகள், நெருங்கிய அண்டவியல் தொலைவுகளில் ஒரு "எதிர்பொருள் மண்டலம்" இருப்பதற்கான வலுவான சான்றுகளைக் கண்டறியவில்லை. காமா-கதிர் தரவுகளும் அண்டக் கதிர் அளவீடுகளும், காணக்கூடிய பிரபஞ்சத்தில் பெரும்பாலும் பொருளே ஆதிக்கம் செலுத்துகிறது என்பதையே சுட்டிக்காட்டுகின்றன. இருப்பினும், எடுத்துக்காட்டாக, ஆன்டிஹீலியம் அணுக்கருக்கள் அல்லது மிகவும் அரிதான பிற கனமான எதிர் துகள்களைத் தேடும் விண்வெளி உணரிகளைப் பயன்படுத்தி இந்தத் தேடல் தொடர்கிறது.

மூடுகிறது

எதிர் அணுக்களின் இருப்பு பற்றிய கோட்பாடு வெறும் ஊகமல்ல, மாறாக அது சோதனைகள் மூலம் சரிபார்க்கப்பட்ட இயற்பியலின் ஒரு உண்மையான பகுதியாகும். சார்பியல் குவாண்டம் இயக்கவியலின் அடிப்படைச் சமன்பாடுகளின் ஒரு நேர்த்தியான விளைவாக எதிர் அணுக்கள் இருக்கின்றன; பாசிட்ரானின் கண்டுபிடிப்பு, முடுக்கிகளில் எதிர் துகள்களின் உருவாக்கம் மற்றும் எதிர் ஹைட்ரஜனின் உருவாக்கம் ஆகியவற்றின் மூலம் இது நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. இருப்பினும், மிகப்பெரிய மர்மம் நீடிக்கிறது: பிரபஞ்சம் ஏன் எதிர் அணுக்களை விடப் பொருளைத் 'தேர்ந்தெடுக்கிறது'?

இந்தக் கேள்விக்குப் பதிலளிக்க, விஞ்ஞானிகள் CP மீறலைச் சோதித்து, ஹைட்ரஜன் மற்றும் எதிர்ஹைட்ரஜனின் பண்புகளைத் துல்லியமாக ஒப்பிட்டு, ஈர்ப்பு விசையில் எதிர்ப்பொருள் எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதை ஆராய்ந்து வருகின்றனர். மேலும் மேலும் துல்லியமாகும் ஒவ்வொரு அளவீடும், பிரபஞ்சத்தின் தோற்றம், அதன் அடிப்படை விதிகள், மற்றும் ஒருவேளை திட்ட மாதிரிக்கு அப்பாற்பட்ட இயற்பியல் ஆகியவற்றைப் பற்றிய புதிய புரிதல்களுக்கு வழி திறக்கக்கூடும். இறுதியில், எதிர்ப்பொருள் என்பது பொருளின் எதிர்நிலை மட்டுமல்ல, அது இயற்கையைப் பற்றிய நமது புரிதல் முழுமையானதா அல்லது அது இன்னும் ஆழ்ந்த இரகசியங்களைக் கொண்டிருக்கிறதா என்பதை வெளிப்படுத்தக்கூடிய ஒரு கண்ணாடியாகும்.