Tipărire
Categorie: Fizica nucleară şi fizica particulelor
Accesări: 4308

Dacă sunteţi ca mine, atunci cu siguranţă sunteţi formaţi din materie. Dar de unde provine toată această materie? În cele ce urmează vom afla un răspuns la această întrebare. Am primit o mulţime de întrebări în legătură cu unele aspecte generale ale existenţei, aşa că pentru articolul de azi am decis să mă axez puţin pe unele aspecte filozofice şi să răspund unui cititor care se întreabă: eu de unde am provenit?

 


Nu mă refer aici la sensul direct, imediat al întrebării. Aceasta este o discuţie pe care o puteţi avea cu părinţii voştri. De asemenea, nu vreau să vorbesc în continuare despre originea atomilor grei cum ar fi carbonul, oxigenul şi calciul care formează cea mai mare parte din corpul vostru. Aceasta este, de asemenea, o altă poveste interesantă, dar o voi amâna pentru o dată ulterioară.

În schimb azi aş dori să răspund la o întrebare mult mai importantă: de ce există ceva mai degrabă decât nimic? Pentru a explica de ce acest fapt chiar reprezintă o problemă, trebuie să spun mai întâi câteva cuvinte despre antimaterie, cea care de multe ori este înţeleasă greşit.

Materie şi antimaterie

Deoarece sunteţi cititori pasionaţi ai site-ului nostru probabil că sunteţi deja familiarizaţi cu noţiunea de antimaterie. Ideea de bază este că antimateria se comportă aproape exact la fel ca şi materia obişnuită. Aceasta are aceeaşi masă, aceeaşi valoare a spinului, etc, dar are o sarcină electrică opusă şi este caracterizată de alte numere cuantice. Vom vedea în continuare că acest comportament „aproape" la fel cu materia obişnuită are implicaţii importante în cadrul Universului. Un pozitron, de exemplu, se comportă exact ca un electron, dar el are o sarcină electrică pozitivă în comparaţie cu sarcina electrică negativă a electronului. Un antiproton are o sarcină electrică negativă şi aşa mai departe.

Mai există un alt aspect interesant: dacă un electron şi un pozitron (sau orice altă pereche de particule) vin în contact unul cu altul atunci ei se vor anihila complet şi în urma acestui proces prin magia formulei E=mc2 masa lor se transformă într-o mare cantitate de energie. Tocmai de aceea antimateria trebuie întotdeauna izolată de materia obişnuită.

Nu este nimic special în ceea ce priveşte particula pe care o alegem să o denumim „antiparticulă" sau care este particula pe care o considerăm „normală". Am decis că Universul nostru este normal, aşa încât l-am denumit în acest fel. Există unele particule precum fotonii, adică particulele de lumină, care sunt propriile lor antiparticule. Acest lucru ne face să ne punem următoarea întrebare: dacă am fi brusc transportaţi într-un Univers paralel în care particulele obişnuite sunt înlocuite cu antiparticulele lor (inclusiv cele din propriul corp), am putea observa acest lucru? Vom ajunge în curând şi la răspunsul la această întrebare, dar mai întâi trebuie să abordăm misterul central al materiei şi antimateriei.

Totul există în perechi

Experimental nu se pot crea sau distruge particule fără a face acelaşi lucru şi pentru un număr egal de antiparticule, în acelaşi timp. Amestecaţi un electron şi un pozitron într-o oală şi le veţi distruge pe ambele în ​​urma acestui proces. Pe de altă parte, dacă am adăuga suficientă energie în acest amestec, în cadrul unui accelerator de particule sau în Universul foarte timpuriu, atunci putem crea perechi de particule-antiparticule. Aşa cum am discutat în câteva articole (aici şi aici) anterioare acest gen de evenimente se întâmplă în permanenţă în vid. Particulele şi antiparticulele sunt create şi distruse, în măsura în care putem afirma asta, într-o perfectă armonie.

Cel puţin asta se întâmplă în laborator şi ceea ce susţin toate legile fizicii cu care suntem de acord în prezent.

Dar există o problemă în legătură cu această simetrie perfectă. Universul timpuriu a fost foarte fierbinte şi în acele zile de început a existat o cantitate mare de energie în Univers astfel încât perechi de particule-antiparticule de tot felul au fost create în mod constant. Universul s-a răcit ulterior şi în cele din urmă a ajuns la o temperatură la care noi perechi de particule nu au mai putut fi create. De exemplu, atunci când Universul avea o vârstă de aproximativ 5 secunde, el avea deja o temperatură de aproximativ 6 miliarde de grade Kelvin, adică era prea rece pentru a mai putea produce electroni şi pozitroni (cu toate acestea el era mult mai fierbinte decât interiorul Soarelui nostru din prezent). Deoarece nu mai existau condițiile de a apare noi particule, toate particulele şi antiparticulele existente ar fi trebuit ca în cele din urmă să se întâlnească unele cu altele şi să se anihileze reciproc.

Acesta este marele mister: dacă particulele de materie şi antimaterie sunt întotdeauna create şi distruse în cantităţi egale atunci astăzi nu ar mai trebui să existe nicio particulă care să formeze materia obişnuită. Faptul că Universul este format doar din particule este într-o contradicţie evidentă cu tot ceea ce am observat în laborator.

În concluzie, de unde am provenit?

Cât de diferite sunt materia şi antimateria


Tot ceea ce  observăm în Univers pare să fie format din materie obişnuită. Sigur, vom putea obţine şi câteva antiparticule din razele cosmice sau în cadrul laboratoarelor, dar în cea mai mare parte toate lucrurile sunt formate din materie.

În cazul în care nu sunteţi formaţi din materie obişnuită aţi putea crede că poate jumătate din galaxiile din Univers sunt compuse din materie şi cealaltă jumătate din antimaterie şi că este doar o întâmplare faptul că trăim într-o galaxie formată din materie obişnuită. Ar putea fi posibil, dar trebuie menţionat faptul că galaxiile se ciocnesc în permanenţă unele de altele iar dacă o galaxie formată din materie loveşte o galaxie din antimaterie atunci s-ar produce o puternică emisie de raze X care ar fi vizibilă în Univers. Noi căutăm astfel de lucruri şi dacă astfel ar sta lucrurile atunci ar fi trebuit să putem vedea aceste evenimente cosmice. Până în prezent noi nu am văzut niciun astfel de eveniment.

Pe scurt, Universul nostru pare să fie compus din materie.

Trebuie acum să vă fac o mărturisire. Noi, adică fizicienii, nu ştim cu adevărat de ce există acest dezechilibru, adică de ce Universul este format din materie. Cu toate acestea, avem câteva sugestii. Se pare că materia şi antimateria sunt un pic diferite una de alta.

1. Spinul materiei este orientat în direcţie opusă celui al antimateriei

Am făcut mai devreme un scurt comentariu cu privire la faptul că materia şi antimateria se comportă aproape exact la fel în conformitate cu legile fizicii. Ambele au aceeaşi masă, astfel încât ele reacţionează gravitaţional la fel şi generează aceeaşi gravitaţie. Ele au o sarcină electrică opusă ceea ce înseamnă că din moment ce doi electroni se resping reciproc atunci şi doi pozitroni se vor respinge, de asemenea, între ei. Cu alte cuvinte, dacă vom schimba toate particulele cu antiparticule forţele fundamentale par să acţioneze în acelaşi mod. Cu o excepţie.

Forţa nucleară slabă este, aşa cum probabil vă aşteptaţi, foarte slabă. Aceasta implică particule cum ar fi neutrinii care interacţionează atât de rar cu materia încât aceştia pot călători prin spaţiu fără să fie împrăştiaţi de vreun atom. Forţa slabă este incredibil de importantă din moment ce ea guvernează reacţiile nucleare din Soare care permit, de exemplu, existenţa voastră.

Forţa slabă, şi doar ea, pune în evidenţă o mică diferenţă între materie şi antimaterie. Fără a intra în prea multe detalii, ideea de bază este că atunci când o particulă cum ar fi, de exemplu, un neutrin este creată în urma unei reacţii nucleare slabe aceasta va fi întotdeauna de stânga, ceea ce este doar un alt mod de a spune că atunci când aceasta se îndreptă spre voi ea se învârte în sensul acelor de ceasornic. Antiparticulele, pe de altă parte, au acelaşi spin, dar sensul acestuia este în direcţia opusă. Asta este tot. Aceasta este diferenţa între materie şi antimaterie.

Într-adevăr, noi nu avem nicio idee cu privire de unde provine această diferenţă fundamentală şi de ce se manifestă ea în acest fel şi nu în alt mod. Noi am adăugat această diferenţă în ecuaţii. De asemenea, încă nu ştim prin ce este materia mai bună decât antimateria pentru ca întregul Univers să fie format din materie.

2. Lucrurile se dezintegrează, dar nu identic

Se pare că putem învăţa o mulţime de lucruri despre Univers studiind modul în care se dezintegrează anumite lucruri. De exemplu, la energii foarte mari particulele cunoscute sub numele de kaoni pot fi produse în acceleratoarele de particule împreună cu antiparticule lor. În cea mai mare parte aceşti kaoni şi anti-kaoni se comportă la fel şi ele generează în urma dezintegrării lor particule foarte asemănătoare, aşa cum pot face în cele din urmă toate particulele masive. Cu toate acestea, într-un caz din aproximativ o mie, kaonii generează produse de dezintegrare diferite în comparaţie cu anti-kaonii. Un efect minor, dar care reprezintă o demonstraţie că Universul face, într-adevăr, distincţie între materie şi antimaterie.

Trebuie să menţionez că deşi rezultatele iniţiale cu privire la dezintegrarea kaonilor au fost obţinute de mai bine de 50 de ani, între timp au avut loc o serie de experimente similare care au fost chiar mai impresionante. În acest sens vă puteţi reaminti de unele rezultate recente care au evidenţiat o asimetrie în ceea ce priveşte dezintegrarea „mezonului B". Rezultatele au fost interesante, dar ele nu au evidenţiat generarea de materie în exces comparativ cu antimateria. Cu toate acestea, s-a dovedit încă o dată că materia şi antimateria se dezintegrează diferit una faţă de cealaltă.

Totuşi, în cele din urmă toate acestea nu ne spun de ce există o diferenţă între materie şi antimaterie sau, mai la obiect, care au fost reacţiile exacte care au permis să se creeze o cantitate mai mare de materie în comparaţie cu antimateria. De aici ajungem imediat la întrebarea din articolul de azi: noi de unde am provenit?

Atât cât putem afirma în momentul de faţă, s-ar părea că provenim în urma unei încălcări a simetriei din Universul foarte timpuriu. A fost un efect foarte mic. Pentru fiecare miliard de antiparticule care au fost create au existat un miliard plus unu particule de materie obişnuită. În cele din urmă toate antiparticulele s-au anihilat cu aproape toate particulele lăsând în urmă o parte dintr-un miliard ce a format toate „lucrurile" pe care le vedem în prezent.

Pentru a ne exprima într-un alt mod, cu toţii reprezentăm o eroare ce s-a produs după aproximativ 10-35 secunde după Big Bang. Nu-i aşa că asta va face să vă simţiţi foarte importanţi?

Traducere de Cristian-George Podariu după where-did-matter-come-from