Antimateriyaning mavjudligi haqidagi nazariyalar
Antimateriya zamonaviy fizikadagi eng qiziqarli tushunchalardan biridir, chunki u biz bilgan materiyaning "egizagi" kabi eshitiladi, ammo qarama-qarshi xususiyatlarga ega. Ommabop tasavvurda antimateriya ko'pincha super yoqilg'i yoki xavfli narsa sifatida tasvirlanadi, chunki u materiya bilan aloqa qilganda "portlashi" mumkin. Biroq, ilmiy fantastika hikoyasidan tashqari, antimateriya laboratoriyada kuzatiladigan, ishlab chiqarilgan va o'rganiladigan haqiqiy jismoniy mavjudotdir. Katta savol shundaki: agar antimateriya materiya bilan taqqoslanadigan miqdorda mavjud bo'lishi kerak bo'lsa, nega biz ko'rib turgan olam deyarli butunlay materiyadan iborat?
Antimateriya va uning kelib chiqishini tushunish
Zarrachalar fizikasida har bir elementar zarracha odatda antizarracha o'xshashiga ega. Antizarrachalar o'zlarining analoglari bilan bir xil massaga ega, ammo elektr zaryadi va boshqa bir qancha kvant sonlariga qarama-qarshi. Eng oddiy misol manfiy zaryadlangan elektron, uning antizarracha o'xshashi esa musbat zaryadlangan pozitrondir. Xuddi shunday, protonlarda antiprotonlar, neytronlarda antineytronlar va boshqalar mavjud.
Antimateriya g'oyasi kvant nazariyasi va nisbiylik nazariyasining rivojlanishidan kelib chiqqan. 1920-yillarning oxirlarida Pol Dirak elektronlarni nisbiy jihatdan tavsiflash uchun Dirak tenglamasini tuzdi. Bu tenglama dastlab jumboqli bo'lgan matematik yechimni berdi: musbat energiya yechimidan tashqari, "manfiy" energiya yechimi ham mavjud edi. Dirak bu yechimni rad etish o'rniga, elektronga o'xshash, ammo teskari zaryadga ega bo'lgan boshqa zarrachaning mavjudligini ko'rsatuvchi sifatida talqin qildi. Bu bashorat 1932-yilda Karl Anderson kosmik nurlar izidan pozitronni kashf etganida tasdiqlandi. O'shandan beri antimateriya zarrachalar fizikasining asosiy qismiga aylandi.
Antimateriya tabiatda qanday "mavjud"
Nazariy jihatdan, antimateriya bir nechta mexanizmlar orqali mavjud bo'lishi mumkin:
1. Juft ishlab chiqarish
Yetarlicha yuqori energiyalar zarracha-antizarracha juftliklariga aylanishi mumkin. Masalan, yuqori energiyali foton elektron va pozitron hosil qilishi mumkin. Bu jarayon og'ir atom yadrolari yaqinida, neytron yulduzlari yaqinida yoki yuqori energiyali zarrachalar to'qnashuvida kabi ekstremal sharoitlarni talab qiladi.
2. Kosmik nurlar va astrofizik hodisalar
Antimateriya ham kosmik nurlar atmosfera yoki yulduzlararo materiya bilan to'qnashganda tabiiy ravishda hosil bo'ladi. Shuning uchun pozitronlar va antiprotonlarni kosmik asboblar yordamida aniqlash mumkin. Biroq, ularning miqdori juda kichik, koinotning asosiy tarkibiy qismidan ko'ra ko'proq "chang"ga o'xshaydi.
3. Yuqori energiyali yadro reaksiyalari
O'ta yangi yulduz portlashlari, qora tuynuklar oqimi yoki gamma-nurlanish portlashi kabi favqulodda hodisalarda ulkan energiyalar antizarrachalarni o'z ichiga olgan turli zarrachalarni paydo bo'lishiga olib kelishi mumkin.
Antimateriya tabiatda mavjud bo'lsa-da, u materiyaga duch kelganda tezda "yo'qolib ketadi" va yo'q bo'lib ketadi.
Yo'q qilish: Materiya Antimateriya bilan uchrashadi
Zarracha o'zining antizarrachasi bilan to'qnashganda, ular bir-birini yo'q qilishi, massani energiyaga aylantirishi mumkin, odatda gamma fotonlar yoki boshqa zarrachalar shaklida. Shuning uchun antimateriya kundalik hayotda "kam uchraydigan" ko'rinadi: bizning dunyomiz materiya tomonidan boshqariladi, shuning uchun agar biron bir antimateriya paydo bo'lsa, u tezda atrofdagi materiya bilan to'qnashadi.
Yo'q qilish "izsiz yo'qolib ketish" degani emas, balki Eynshteynning energiyani saqlash va massa-energiya printsipiga (E=mc²) muvofiq energiyaning o'zgarishi deganidir. Bu jarayon antimateriyani nazariy jihatdan energiya uchun jozibador qiladi, ammo uni ishlab chiqarish va saqlash juda qiyin bo'lgani uchun amalda foydalanishni qiyinlashtiradi.
Materiya nazariyasi-antimateriya nomutanosibligi (barion assimetriyasi)
Kosmologiyadagi eng katta savollardan biri: nima uchun koinot materiya tomonidan boshqariladi? Agar Katta portlash teng miqdorda materiya va antimateriyani hosil qilganida, ular bir-birini yo'q qilib, faqat nurlanish bilan to'la koinotni qoldirishi kerak edi. Galaktikalar, yulduzlar, sayyoralar va odamlarning mavjudligi dastlab antimateriyaga nisbatan materiyaning kichik "ortiqcha" bo'lganligini ko'rsatadi.
Bu hodisa barion assimetriyasi deb ataladi. Nima uchun antibarionlarga qaraganda ko'proq barionlar (masalan, proton va neytronlar) borligini tushuntirish uchun fiziklar Saxarov shartlari (1967) deb nomlanuvchi shartlarga murojaat qilishadi, bu koinotning materiya nomutanosibligini keltirib chiqarishi uchun uchta shartdir:
1. Barion sonining saqlanishini buzadigan jarayon bo'lishi kerak.
2. C (zaryad) va CP (zaryad-paritet) simmetriyasining buzilishi bo'lishi kerak.
3. Issiqlik muvozanatidan tashqarida holat yuzaga kelishi kerak.
Zarrachalar fizikasining standart modelida CP buzilishi mavjud (masalan, ma'lum mezonlarning parchalanishida), ammo uning kattaligi biz kuzatayotgan materiyaning dominantligini tushuntirish uchun yetarli emasga o'xshaydi. Bu standart modeldan tashqarida yangi fizika imkoniyatlarini ochadi.
CPT simmetriyasi va antimateriyaning fizik xususiyatlari
Kvant maydon nazariyasi doirasida CPT simmetriyasi deb ataladigan asosiy printsip mavjud bo'lib, u uchta o'zgarishning kombinatsiyasidan iborat: C (zarrachalarni antizarrachalar bilan almashtirish), P (fazoviy koordinatalarni oyna kabi teskari aylantirish) va T (vaqt yo'nalishini teskari aylantirish). Umuman olganda, nisbiylik va kvant mexanikasiga mos keladigan nazariyalar CPT saqlanib qolishi kerakligini bashorat qiladi.
Binobarin, antimateriya materiyaga juda o'xshash xususiyatlarga ega bo'lishi kerak, masalan, bir xil massa va bir xil atom energiyasi spektri (qarama-qarshi zaryad belgilari bilan). Antivodorod bo'yicha o'lchovlarni o'z ichiga olgan aniq tajribalar antimateriyaning barcha bashorat qilingan jihatlarda materiya bilan bir xil ekanligini tekshirishda davom etmoqda. Hozircha CPTni buzadigan hech qanday farqlar topilmadi, ammo vaqt o'tishi bilan sinovlar yanada qat'iylashib bormoqda.
Antivodorod va antimateriyani ushlashga urinish
Muhim bosqichlardan biri antiproton va pozitrondan tashkil topgan atom bo'lgan antivodorodning muvaffaqiyatli yaratilishi va ushlanishi bo'ldi. CERNdagi ALPHA kabi tajribalar antivodorodni uning xususiyatlarini o'lchash uchun yetarlicha uzoq vaqt magnit tuzoqda muvaffaqiyatli ushlab turdi. Oddiy vodorod spektriga nisbatan antivodorod spektrini o'lchash fundamental simmetriyalarni sinashning juda sezgir usulini ta'minlaydi.
Antimateriya tadqiqotlaridagi asosiy qiyinchilik saqlashdir. Antimateriyani oddiy idishlarda saqlash mumkin emas, chunki u materiyadan tashkil topgan devorlar bilan aloqa qiladi. Shuning uchun, zarrachalarning materiya bilan aloqa qilmasdan "levitatsiyalanishi" uchun yuqori vakuum va juda past haroratlarda elektromagnit tuzoqlardan foydalaniladi.
Antimateriya va tortishish kuchi: ular bir xil narsami?
Yana bir qiziqarli savol: antimateriya tortishish kuchiga qanday javob beradi? Umumiy nisbiylik nazariyasiga ko'ra, tortishish kuchi energiya va massaga bog'liq, shuning uchun antimateriya materiya kabi pastga tushishi kerak. Biroq, buni to'g'ridan-to'g'ri o'lchash juda qiyin, chunki antimateriyani yaratish va saqlash qiyin.
Zamonaviy tajribalar antivodorodning tushish tezlanishini o'lchashga urinmoqda. Agar antimateriya boshqacha tushishi ma'lum bo'lsa, bu tortishish kuchi va tabiat simmetriyalari haqidagi tushunchamizni o'zgartiradigan yirik kashfiyot bo'ladi. Ammo aksariyat asosiy nazariyalar hech qanday katta farqlarni bashorat qilmaydi; ular yangi fizikani ochib berishi mumkin bo'lgan mumkin bo'lgan kichik og'ishlarni qidirmoqdalar.
Kosmologiyada antimateriya nazariyasi: "Antimateriya olami" mavjudmi?
Kosmologiyada uzoq vaqtdan beri mavjud bo'lgan g'oyalardan biri bu koinotning katta mintaqalari, masalan, antimateriya galaktikalari yoki galaktika klasterlari tomonidan boshqarilishi ehtimoli. Agar bu haqiqat bo'lsa, materiya va antimateriya uchrashadigan chegara keng ko'lamli yo'q bo'lib ketishga xos bo'lgan gamma nurlarini hosil qiladi.
Bugungi kunga qadar astronomik kuzatishlar yaqin kosmologik masofalarda "antimateriya domeni" borligiga kuchli dalillarni topa olmadi. Gamma-nurlanish ma'lumotlari va kosmik nur o'lchovlari kuzatiladigan olam materiya tomonidan boshqarilishini ko'rsatadi. Biroq, qidiruv, masalan, kosmosdagi antigeliy yadrolari yoki boshqa juda noyob og'ir antipartikullarni qidiradigan detektorlardan foydalanishda davom etmoqda.
Yopish
Antimateriyaning mavjudligi nazariyasi shunchaki taxmin emas, balki tajribalar orqali tasdiqlangan fizikaning haqiqiy qismidir. Antimateriya pozitronning kashf etilishi, tezlatgichlarda antizarrachalarning hosil bo'lishi va antivodorodning yaratilishi orqali isbotlangan relyativistik kvant mexanikasining asosiy tenglamalarining oqlangan natijasi sifatida mavjud. Biroq, eng katta sir saqlanib qolmoqda: nima uchun koinot antimateriya o'rniga materiyani "tanlaydi"?
Bu savolga javob berish uchun olimlar CP buzilishini tekshirmoqdalar, vodorod va antivodorodning xususiyatlarini aniq taqqoslamoqdalar va antimateriyaning tortishish kuchida qanday harakat qilishini o'rganmoqdalar. Har bir aniqroq o'lchov koinotning kelib chiqishi, uning asosiy qonunlari va hatto standart modeldan tashqaridagi fizika haqida yangi tushunchalar eshigini ochishi mumkin. Antimateriya, oxir-oqibat, materiyaning aksi emas, balki tabiat haqidagi tushunchamiz to'liqmi yoki u hali ham chuqur sirlarni saqlaydimi yoki yo'qligini ochib beradigan oynadir.
