Zagonetka asimetrije sveta

 Antimaterija 

Otkriće antimaterije samo je jedan od rezultata koji su fizici doneli potpuni trijumf na naučnom polju, tokom poslednjih stotinu godina. «Ponekad treba da prođe mnogo vremena da bi se nešto otkrilo ili otkriće dovelo do kraja. Naelektrisanje su”, veli Šijački, “otkrili još stari Grci, ono je jedna od osnovnih karakteristika materije. Ali, da bi eksperimentalno otkrili materiju sa suprotnim naelektrisanjem, antimateriju, trebalo je da prođe dve hiljade godina. Fizika polazi od iskustva i proverava sve kroz iskustvo”.

Antimaterija se sastoji od antiprotona, antineutrona i pozitrona (antielektrona), što znači da su atomska jezgra antimaterije negativno naelektrisana i oko njih kruže pozitroni. Kakva je razlika izmeđi neutrona i antineutrona s obzirom na to da neutron nema naelektrisanje? Njihove konstitutivne čestice, kvarkovi i antikvarkovi, imaju suprotna naelektrisanja, iako je njihovo naelektrisanje jednako nuli a imaju i suprotnu vrednost barionskog naboja. Što se pozitrona tiče, američki fizičar Džon Viler smatra da se on može tumačiti kao elektron koji u vremenu putuje unazad. Ričard Fejnman je za matematičku razradu ove ideje dobio Nobelovu nagradu 1965.

Postoji li, ipak, izvesna “misterija” sa antimaterijom?

- Samo u tome što u našem okruženju ima više čestica nego antičestica - lakonski odgovara profesor Šijački. - Reč misterija se koristi uslovno, da označi ‘štos' u odnosu materije i antimaterije. Jer, kad bi bio jednak broj čestica i antičestica, pitanje materije i antimaterije niko ne bi ni postavljao.

Prvi put su u CERNu antimateriju( atome antivodonika) uspeli pohraniti još 2010.Tada su zadržali atome svega delić sekunde, tj.172 milisekunde ili manje od jedne petine sekunde. 2016.godine su je zadržali čak 16 minuta i 40 sekundi ( 1000 sekundi)! To im je pošlo za rukom tako što su antimateriju pohranili u magnetsku bocu, kojaih je 'držala' mirnima.


Veliki prasak

Pitanje postojanja materije i antimaterije u prirodi je na određeni način vezano i za formiranje svemira. Savremena nauka smatra da je svemir nastao iz Velikog praska (Big bang). U nekom kratkom intervalu posle nastanka svemira, pošto je stvorena velika količina energije, stvarale su se čestice i antičestice, materija i antimaterija, i to u istoj meri, prema zakonu o CPT simetriji. U kasnim 1950-im određeno je da je količina antimaterije u našoj galaksiji manja od jednog stomilionitog dela. Naučnike muči tajna kako se to dogodilo. Nijedna dosad ponuđena teorija nije prihvaćena kao konačno tačna.

Prema najjednostavnijoj pretpostavci, u nekoj galaksiji dominira materija a u drugoj antimaterija. «Ne možemo isključiti mogućnost da negde postoji neka antimaterijska zvezda ili galaksija», kaže fizičar Džerald Šar. Ako bi zaista bilo tako, primetili bismo velike količine zračenja iz graničnih područja materije i antimaterije, mnoge čestice i antičestice bi se sudarale i međusobno anihilirale, oslobađajući veliku količinu energije u obliku gama zraka. Drugo objašnjenje, navodi naš sagovrnik, veli da je neki deo CPT simetrije, koja je očuvana u većini procesa u prirodi, narušen. U stvari, CP podsimetrija. Ako pretpostavimo da je ovaj deo CPT simetrije narušen, i to sasvim neznatno, možemo dobiti višak jednih čestica nad drugim, više materije nego antimaterije i obratno, objašnjava Šijački.

U savremenoj fizici čitav univerzum opisuju kvantna mehanika i teorija relativnosti. One su u srži i pitanja antimaterije. Što se teorije relativnosti tiče, značajno je ono što je Ajnštajn pokazao kroz čuvenu formulu E= mc2, da postoji veza između mase, impulsa i energije čestica. To znači da, ako imamo dovoljno energije, možemo je raznim fizičkim procesima transformisati i dobiti druge dve čestice ili gomilu drugih čestica. Čestice su osnovni objekt od koga se sastoji sve u Univerzumu.

Osnovna čestica koja prenosu elektromagnetne pojave je foton. Veliki broj fotona formira elektromagnetno polje. Pojam polja je drugi važan fizički pojam. Polje i čestica su tesno povezani. Čestica je najmanji delić polja ili kvant polja. Postoje dve vrste polja – polja koja prenose (ili opisuju) sile ili interakcije i polja materije. Kad se kaže materija, ne podrazumevaju se polje ili čestice koje prenose interakcije ili sile (npr. elektromagnetno polje).

CPT simetrija

Za materiju, kao i za polja interakcija, važe zakoni održanja energije, impulsa i naboja. Naelektrisanje je samo jedna od fizičkih veličina mikrosveta, veličina koje nazivamo naboji. Drugi značajni naboji za naše postojanje su barionski, leptonski i drugi. Za sve naboje važi zakon održanja. Naboji, međutim, imaju i svojstvo simetrije, zvane CPT simetrija, koja ih prevodi u naboje suprotnog znaka. Naelektrisanje + 1 simetrija prevodi u naleketrisanje – 1, isto tako i svaku drugu fizičku veličinu tipa naboja CPT: Q — - Q.

CPT simetrija se sastoji iz tri dela. C-deo prevodi naelektrisanje u naelektrisanje suprotnog znaka, ako je reč o barionskom broju ona će B prevesti u –B. T-deo menja znak smera vremena. Vreme t prevodi u – t. To znači da, ako u fizici imamo dva procesa koji su jedan drugome slika u odnosu na promenu smera vremena, kažemo da imamo T-simetriju. ”T-simetrija povezuje procese koji se dešavaju u toku vremena sa procesima koji bi se dešavali ako bismo vreme, poput filma, posmatrali/pustili unazad”, kaže Šijački.

Ako je T inverzija vremena, P je inverzija prostora. To znači da koordinate menjaju znak. Kombinacijom inverzije prostora i inverzije vremena i promene znaka naelektrisanja dobijamo CPT-simetriju koja je univerzalna u vasioni. Svaki proces ima CPT simetričan proces, svaka čestica ima svoju antičesticu. Pošto je C deo CPT simetrije, čestice i antičestice imaju suprotne vrednosti. Antičestice od antičestica su čestice. Slika čestice u odnosu na CPT simetriju je antičestica. Ako se materija sastoji iz čestica, antimaterija se sastoji iz antičestica.

Postoje i takve čestice koje su same sebi antičestice, ali one ne mogu da imaju barionski broj, kaže Šijački. Te čestice imaju barionski broj 0 (ako bi barionski broj bio različit od nule, antičestice bi imale suprotnu vrednost od barionskog broja). Ove čestice se nazivaju mezoni i one su same sebi antičestice. Naravno, ne sve. U takvim slučajevima ne možemo da ih odredimo ni kao materiju ni kao antimateriju. Primer takve čestice je mezon koji se naziva “pi nula”. Postoje još dve “pi” čestice: “pi +” i “pi –“ koje su jedna drugoj antičestice, a samo je “pi 0” sama sebi antičestica. I ovaj primer govori da oko antimaterije za fizičare nema nikakvih tajni.

Kreacija i anihilacija

Nema univerzalne istine koja kaže ovo je plus a ovo minus, bitno je da se čestice i antičestice međusobno razlikuju po znaku. Razne grupe istraživača u svetu, i teorijski i eksperimentalno, rade na razumevanju postojanja viška materija nad antimaterijom, bilo da je reč samo o našem delu svemira ili u celom svemiru. Za našu galaksiju se sa ogromnom pouzdanošću može tvrditi da ima više materije a veoma malo antimaterije. Da između materije i antimaterije postoji potpuna simetrija, one bi trebalo potpuno da anihiliraju i ostave samo energiju.

Kada se materija i antimaterija nađu zajedno, ako imamo dovoljno energije, možemo da formiramo čestice materije i antimaterije u jednakim količinama ili da se čestice materije i antimaterije anihiliraju, pređu u elektromagnetno polje veoma velike energije. Kroz proces stvaranja velike količine energije, shvatili bismo da je došlo do susreta materije i antimaterije. Kada bi takvih susreta u svemiru bilo, imali bismo signale velikih energija. Mi takvih procesa u našoj galaksiji a i u opaženom delu svemira nemamo, što jasno ukazuje da u našoj galaksiji nema značajne količine antimaterije.

Proces u kome nestaju neke čestice naziva se anihilacija a proces kojim dobijamo nove čestice kreacija. Nove čestice možemo da stvaramo samo ako imamo čestice velike energije. Do tridesetih godina prošlog veka u nauci se znalo za mali broj čestica (elektron, proton, neutron). Od ovih čestica se sastoji veći deo materije koja nas okružuje. U eksperimentalnoj situaciji su otkrivene stotine i stotine čestica i u njima zakonitosti materije. Najlakše se eksperimentiše sa protonima i elektronima, a uređaji koji ih ubrzavaju zovu se akceleratori. Ubrzanje je srazmerno veličini uređaja.

Proton i neutron se sastoje od čestica za koje danas smatramo da su elementarne a nazivaju se kvarkovi. Proton se sastoji od tri kvarka a antiproton od tri antikvarka. Cela priča o česticama i antičesticama se tako svodi na kvark i antikvark. Kvark je čestica materije a antikvark čestica antimaterije. Mezoni se sastoje od kvarkova i antikvarkova i oni su sami sebi antičestice. Neutralna čestica je istovremeno čestica i materije i antimaterije.

Razne čestice nemaju proizvoljne vrednosti naboja nego se oni «simetrično» slažu. Recimo, mezoni koji su složeni u tri čestice – pi 0, eta 0 i eta prim, koje su u isto vreme i antičestice. Antičestica pi + je pi -, k+ ima antičesticu k - , a k 0 antičesticu – k 0. Kod svih drugih čestica koje dobijemo u eksperimentu, a nisu nam dostupne, proizvodimo istu količinu materije i antimaterije, kaže Šijački.

Funadamentalna znanja o svetu u kome živimo su prva korist od fizike elementarnih čestica. U istraživanjima mikrosveta i kosmosa nema neposredne koristi, a ipak je reč o fantastičnim koristima (koje se gotovo ne mogu zamisliti). Ona se investitoru isplate kroz čitav niz proizvoda. Svemirski program i fizika elementarnih čestica su dve komplementarne discipline. Gradnja jedne svemirske stanice ili slanje čoveka u kosmos zahteva tehnološka rešenja koja nemamo na raspolaganju. Uzgred se dobije desetina hiljada proizvoda koji su komercijalne prirode. World wide web je, npr., napravljen u CERN-u da bi fizičari elementarnih čestica mogli međusobno, istovremeno, lako da izmenjuju tekst, sliku, zvuk i druge podatke na pristupačan način. Komunkacija sa svemirskom stanicom koju šaljemo na Mesec je mnogo veći izazov nego između dva mesta u istoj državi, jer je potreban drugi kvalitet veze. I Zapad i bivši SSSR su imali svemirski i nuklearni program, ali na Istoku je iz ideoloških razloga sve bilo u domenu tajne, a komericijalno orijentisani Zapad je znao šta je važno čuvati u tajnosti a šta se maksimalno može izvući iz programa i izneti na tržište.

Nova hemija

Na pitanje gde bi istraživanje antimaterije imalo praktičnog značaja, profesor Šijački odgovara da ne vidi neki naročiti značaj, navodeći neku vrstu hemije, gde bi se hemijski elementi pravili od antimaterije, od antiatoma. «Naučnici su 1995. godine uspeli da proizvedu antiatome vodonika, kao i jezgra antideuterijuma koja se sastoje od antiprotona i antineutrona ali ne i jezgra složenijih atoma. Antivodonik je dobijen bombardovanjem mete od atoma ksenona antiprotonima proizvedenim u akceleratoru. Kad se antiproton primakne jezgru ksenona, formira se par elektron-pozitron i postoji konačna verovatnoća da antiproton ‘zarobi' pozitron i tako formira atom vodonika. Verovatnoća dobijanja jednog atoma vodonika od jednog antiprotona je strahovito mala i iznosi oko 10a-19, tako da je jasno da ovaj metod ne predstavlja efikasan način proizvodnje antivodonika», kaže Šijački.

U nedavnim eksperimentima ATRAP i ATHENA naučnih kolaboracija u CERN-u pozitroni dobijeni iz radioaktivnog natrijuma i antiprotoni su dovođeni u kontakt u ‘magnetnim zamkama' što je, kako navodi naš sagovornik, rezultiralo formiranjem sto antivodonikovih atoma u svakoj sekundi. Antivodonik je na ovaj način počeo da se dobija 2002, a do kraja prošle godine je proizvedeno oko 100 hiljada atoma antivodonika. «Načelno, dovoljno velika količina antimaterije bi mogla da omogući antijezgra ostalih elemenata i cele antiatome, koji bi imali iste hemijske osobine kao odgovarajući elementi materije. Nažalost, realizacija takve ‘periodne tabele antielemenata' je veoma malo verovatna, jer podrazumeva raspolaganje sa praktično astronomskim količinama antimaterije», kaže Šijački.

Zašto ogroman energetski potencijal antimaterije ne može da se iskoristi (reč je o «čistoj» energiji koja ne stvara zagađenje ni radijaciju a čija jedna kap bi, kažu, mogla snabdevati Njujork strujom čitav jedan dan)?. CERN ima pogon (decelerator antiprotona) za proizvodnju mnogo većih količina antimaterije nego do sada.

U sudaru materije i antimaterije, objašnjava Šijački, kompletna masa mirovanja čestica prelazi u energiju, koja je po jedinici mase oko deset milijardi puta veća od hemijske energije i oko sto puta veća od nuklearne energije. Primera radi, reakcija 1 kg materije i 1 kg antimaterije dala bi energiju od oko 1,8x10a17J, dok sagorevanje 1 kg nafte daje oko 4,2x107J, a termonuklearna fuzija 1kg vodonika daje 2,6x10a15J. «Korisni deo energije dobijene u materija/antimaterija reakciji nije veći od 50 odsto, jer preostalu energiju nose neutrini», glasi zaključak istraživača.

Fizika neutrina

Proučavanje fizike neutrina je postala jedan od vrućih tema fizike elementarnih čestica. Interes za ovu problematiku raste, grade se novi eksperimentalni uređaji, a očekuju se odgovori na neka od najinteresantnijih pitanja fizike mikrosveta i savremene kosmologije. «Poslednjih nekoliko godina dobijeni su novi eksperimentalni rezultati proučavanja atmosferskih, solarnih i akceleratorskih neutrina. Eksperimentalni rezultati jasno ukazuju», veli Šijački, »da neutrini imaju masu, doduše vrlo malu, što je obrt prema višedecenijskom ‘verovanju' da neutrini imaju nultu masu. Ovi rezultati iziskuju reviziju tzv. ‘standardnog modela' fizike mikrosveta, tj. teorije koja vrlo uspešno opisuje bazične čestice materije i fundamentalne interakcije koje vladaju u mikrosvetu».

Jedno od značajnih novih saznanja je efekat neutrinskih oscilacija, narušenje CP simetrije i odgovarajući «disbalans materije u odnosu na antimateriju u svemiru».

Neutrino! Kakva je to elementarna čestica? Na početku se znalo za jednu, a sada se zna za tri neutrino čestice: elektronski-neutrino, mionski-neutrino i tau-neutrino, koji se javljaju u procesima elementarnih čestica zajedno sa elektronom, mionom i tau česticom. «Neutrino čestica je ušla u fiziku na čudan način, još 1931», priča profesor Šijački. «Profesor Volfgang Pauli je predložio postojanje ove čestice da bi ‘spasao' zakon o održanju energije – jedan od temelja fizike. U tzv. beta (malo grčko slovo) raspadu neutrona na proton i elektron konstatovano je da ne važi zakon o održanju energije. Pauli, vrlo smelo za to vreme, smatra da u raspadu učestvuje još jedna čestica koju je teško opaziti i koja odnosi deo energije. Ime neutrino je dao Enriko Fermi sa idejom da ukaže da ova čestica ‘izgleda' kao neki mali neutron. Fizika je spasena a počinje mukotrpna potraga za neutrinom, koja je urodila plodom tek 1956.»

Neutrino je čestica spina 1/2 (kao elektron, proton i neutron), smatralo se da je nulte mase i učestvuje samo u slabim interakcijama (određeni raspadi čestica, fuzioni procesi). Interakcija neutrina sa drugom materijom je tako slaba da oni jednostavno prelaze enormna rastojanja bez ikakvog kontakta sa drugom materijom. Samo otkriće neutrina, proizvedenih u nuklearnom reaktoru, bilo je značajan događaj, ali je mnogo skeptika u naučnim krugovima uticalo da se Nobelova nagrada za ovo otrkiće dodeli tek 1995.

Kao što Dirakova relativistička jednačina opisuje masene čestice spina 1/2, tako je daroviti mladi naučnik Etore Majorana (na misteriozan način nestao sa broda na jugu Italije) konstruisao jednačinu za opis neutrina (Majoranova jednačina). Pretpostavka da neutrini imaju malu nenultu masu i da zbog svojih specifičnih svojstava u toku vremena međusobno osciluju, tj. prelaze iz jedne vrste u drugu, eksperimentalno je potvrđena 1998, na Super Kamiokande detektoru u Japanu, a potom i u više drugih eksperimenata.

Neutrinske oscilacije

«Neutrini su u stvari svugde oko nas», kaže Šijački. «Procene o količini neutrina nastalih u ‘big bengu' su da u svakom kubnom centimetru svemira ima oko 330 neutrina. Glavni veštački izvor neutrina su nuklearni reaktori koji u proseku proizvedu 50.000 ovih čestica u sekundi. Neutrini u Zemlji nastaju kao posledica radioaktivnih procesa, sunčani neutrini nastaju u fuzionim procesima koji daju energiju Sunca, a važan su proizvod supernova. Većinu energije koju proizvede supernova, kada se u njenom jezgru stvaraju neutroni iz protona i elektrona, odnosi mlaz neutrina. Ova pojava je prvi put eksperimentalno primećena 1987, posmatranjem supernove 1987a. Smatra se da bi se neutrini proizveli u značajnim količinama i pri sudaru dve neutronske zvezde».

Po nekim teorijama, u suštini i nema razlike između neutrina i antineutrina, oni su istovremeno i materija i antimaterija. Što se neutrinskih oscilacija tiče, one su odraz narušenja CP simetrije. Naučnici smatraju da su u periodu ranog svemira one mogle da dovedu do povećanja količine materije u odnosu na antimateriju, koja je potom bila praćena anihilacijom antimaterije i odgovarajuće količine materije. Neto rezultat je, veli profesor Šijački, dominacija materije (razlika količine materije i antimaterije) u svemiru, koja je kasnije «kondenzovana u kosmičku prašinu iz koje su nastale zvezde, planete i konačno živi svet na zemlji»

Fizika je u bazičnim znanjima poslednjih pedeset godina otišla strahovito daleko, više nego ikada ranije. Možemo da rekonstruišemo šta se praktično dešavalo od nastanka svemira (posle vremena od 10 na –42 sekunde). U oblasti rastojanja i vremena nema nepoznanica. Nema nepoznanica od čega se sastoji bilo koja materija u svemiru. Ceo svemir se sastoji od kvarkova i leptona. Postoji šest kvarkova čije su oznake – u, d. s, c, b, t, leptoni su zajedničko ime za sve druge čestice. Antimaterija postoji unutar protona i neutrona, u nezamislivo kratkim intervalima, i uvek u kombinaciji sa materijom. Stalno nastaje i nestaje, a bez tog stalnog nastajanja i nestajanja ne bi bilo veze među kvarkovima.

Osnovne sile

Sve što se događa u svemiru događa se pod uticajem jedne od četiri osnovne sile: gravitacione, elektromagnetne, jake (nuklearne) i slabe (koja se manifestuje u termonuklearnim procesima). Kad bismo imali jednaku smešu materije i antimaterije ne bismo imali ovaj naš svet ovakav kakav jeste, kaže Šijački. Materija i antimaterija bi stalno bile u kontaktu i izazivale ekspolozije i raspadanje i ne bi bilo mogućnosti da se na duže vreme formiraju atomi, od atoma molekuli, pa kondenzovana stanja i složeniji sistemi.

Da li ljudsko telo ima i antimateriju? U principu ima, ali na vrlo dubokom nivou. Antimaterije nema na niovu atoma, ni elektronskog omotača. Ima je na nivou jezgra, ali se ona javlja u veoma kratkim intervalima i nestaje. Zato ne možemo direktno kazati da naše telo ima antimateriju. Međutim, kad imamo neki gluon on će stvoriti kvark i antikvark, pri čemu se u veoma kratkim intervalima stvaraju i čestice antimaterije i nestaju. U tom aspektu, veli profesor Šijački, stalno imamo antičestice, bez kojih ni kvarkovi ni protoni ne bi bili na okupu i jednostavno ne bismo postojali. Na ovom nivou u svakom od nas u svakom trenutku postoji antimaterija.

Miloslav Rajković
izvor 


prof.dr. Đorđe Šijački, o autoru 

ARHIVA - FIZIKA 

Zanimljivosti :
1. gram materije procenjen je na 100 milijardi dolara

2. u knjizi "Anđeli i demoni" Dan Brown piše da je svega nekoliko grama antimaterije jednako kao dvadesetak atomskih bombi ( u romanu ukradenih od strane tajne organizacije)

3.Fizičar Fujiwara potvrđuje da bi bilo bi opasno kada bismo uspeli napraviti nekoliko grama antimaterije, ali da za to treba milijarde godina