Kita hidup di alam semesta di mana ada banyak materi dan, pada umumnya, tidak ada antimateri sama sekali. Dua dari pembaca kami ingin tahu apa itu antimateri, dan seorang fisikawan memberi mereka jawaban untuk pertanyaan ini.
Antimateri. Dari kata ini bernafas buku dan film yang menarik di mana penjahat mendapatkan bahan peledak dari antimateri atau pesawat ruang angkasa melakukan perjalanan dengan bahan bakar tersebut.
Tetapi apakah zat ini - pada dasarnya apa itu antimateri?
Para pembaca Wiedenskub sangat ingin mengetahui hal ini. Mereka telah membaca beberapa dari banyak artikel yang telah kami terbitkan tentang eksperimen fisikawan dengan antimateri, tetapi mereka ingin mengetahui lebih banyak.
Pertama, kita harus menjelaskan bahwa antimateri fisikawan tidak boleh disamakan dengan antibodi yang kita kenal dari biologi dan kedokteran. Antibodi (juga disebut imunoglobulin) adalah senyawa protein khusus, bagian dari pertahanan tubuh melawan penyakit. Mereka dapat mengikat molekul asing dan dengan demikian melindungi tubuh dari mikroorganisme dan virus.
Tapi di sini kita tidak akan membicarakannya. Kami menghubungi seorang ilmuwan dari dunia fisika: Nikolaj Zinner, seorang guru dari Departemen Fisika dan Astronomi di Aarhus University, akan dengan senang hati memberi tahu kami tentang antimateri.
Zat dengan muatan berlawanan
Video promosi:
“Semua partikel yang, seperti yang kita ketahui, ada di alam, segala sesuatu yang terdiri dari dunia kita, ada dalam varian dengan muatan berlawanan. Ini antimateri,”kata Nikolai Sinner.
“Antimateri terlihat persis sama dan memiliki massa yang sama dengan materi biasa, tetapi muatannya justru berlawanan. Misalnya, positron bermuatan positif memiliki elektron bermuatan negatif. Positron adalah antipartikel elektron."
Jadi tidak ada yang secara fundamental luar biasa tentang antimateri. Itu hanyalah zat dengan muatan yang berlawanan relatif terhadap zat di lingkungan tempat kita biasanya ditemukan. Tetapi mengapa jumlahnya sangat sedikit hanyalah sebuah misteri, dan kita akan kembali ke ini nanti.
“Dalam kehidupan sehari-hari kita tidak menemukan antimateri, tetapi muncul dalam banyak situasi, misalnya, selama peluruhan radioaktif, di bawah pengaruh radiasi kosmik, dan akselerator. Ini menghilang dengan sangat cepat lagi. Ketika positron bertemu elektron, hasilnya adalah energi murni dalam bentuk dua partikel cahaya berenergi tinggi - kuanta.
Hilang dalam sekejap cahaya
“Ini adalah elektron dan positron, mereka memiliki muatan berlawanan, jadi mereka menarik. Mereka bisa sangat dekat satu sama lain, dan ketika ini terjadi, mereka bergabung dan membentuk dua foton. Ini adalah konsekuensi dari hukum alam, - kata Nikolai Sinner. "Massa dua partikel diubah menjadi energi dalam bentuk dua partikel - kuanta radiasi gamma."
“Jika Anda memiliki banyak antimateri, dan Anda membiarkannya bersentuhan dengan materi biasa, Anda akan menimbulkan reaksi yang sangat kuat. Dan sebaliknya: energi dapat diubah menjadi materi dan antimateri, dan ini terjadi pada akselerator partikel."
Digunakan dalam pemindai medis
Fenomena ini, ketika pertemuan materi dan antimateri menyebabkan hilangnya mereka dan pelepasan energi, mungkin hal pertama yang memesona para penulis fiksi ilmiah.
Misalnya, antimateri memainkan peran penting dalam Dan Brown's Angels and Demons, dan dalam Star Trek, kapal antarbintang berjalan dengan antimateri.
Namun di dunia nyata, antimateri memiliki aplikasi yang lebih damai.
Antimateri berupa positron dari peluruhan bahan radioaktif digunakan di rumah sakit dalam pemindai PET (positron emission tomography), yang dapat mengambil gambar organ dalam dan mendeteksi proses tidak sehat di dalamnya.
Jadi antimateri tidak terlalu mistis. Ini adalah bagian dari alam yang kami nikmati,”kata Nikolai Sinner.
Kami juga membuka diri terhadap antimateri dengan makan pisang. Mereka mengandung kalium, yang sedikit radioaktif dan melepaskan positron saat meluruh. Kira-kira setiap 75 menit, pisang memancarkan positron, yang dengan cepat bertabrakan dengan sebuah elektron, dan mereka berubah menjadi dua foton gamma.
Tapi semua ini sama sekali tidak berbahaya. Untuk mendapatkan dosis radiasi yang sesuai dengan apa yang kita dapatkan saat melakukan rontgen, kita harus mengonsumsi beberapa ratus buah pisang.
Itu telah diprediksi bahkan sebelum penemuan
Anda dapat lebih memahami apa itu antimateri jika Anda melihat sejarah penemuannya. Menariknya, keberadaan antimateri telah diprediksi bahkan sebelum ditemukan.
Pada 1920-an, ternyata teori baru yang disebut mekanika kuantum sangat cocok untuk mendeskripsikan partikel terkecil dari materi - atom dan partikel elementer. Tetapi tidak mudah untuk menggabungkan mekanika kuantum dengan teori besar kedua abad ke-20, teori relativitas.
Fisikawan muda Inggris Paul Dirac bergegas untuk memecahkan masalah ini dan berhasil mendapatkan persamaan yang menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus.
Dengan bantuan persamaan ini, gerakan elektron dapat dideskripsikan, meskipun kecepatannya mendekati kecepatan cahaya.
Tapi persamaan itu membuat kejutan. Dia punya dua solusi, seperti persamaan "x² = 4": x = 2 dan x = -2 ". Artinya, ia tidak hanya dapat mendeskripsikan elektron terkenal, tetapi juga partikel lain - elektron dengan energi negatif.
Ditemukan di sel Wilson
Kemudian mereka tidak tahu apa-apa tentang partikel berenergi negatif, dan Paul Dirac menafsirkan penemuannya sebagai berikut: mungkin ada partikel yang persis sama dengan elektron, dengan pengecualian muatan yang berlawanan.
Jika elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel yang bermuatan positif. Menurut perhitungan, aturan yang sama harus berlaku untuk semua partikel elementer, yaitu, secara umum, semua partikel yang menyusun dunia.
Dan perburuan anti-elektron dimulai. Fisikawan Amerika Carl Anderson menggunakan kamera kabut (alias kamera Wilson) untuk mendeteksi jejak partikel dari luar angkasa yang memiliki massa yang sama dengan elektron, tetapi dengan muatan yang berlawanan.
Beginilah cara anti-elektron Dirac ditemukan, yang dinamai positron - kependekan dari "elektron positif". Sejak saat itu, selangkah demi selangkah, antipartikel baru ditemukan.
Semesta adalah energi murni pada awalnya
Dirac menyarankan bahwa bintang-bintang yang jauh - mungkin setengah dari semua yang kita lihat di langit - mungkin terdiri dari antimateri, bukan materi. Ini mengikuti, misalnya, dari pidatonya, yang dia berikan saat menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1933.
Tetapi hari ini kita tahu bahwa segala sesuatu di alam semesta hanya terdiri dari materi, bukan antimateri. Dan ini benar-benar misterius, karena pada awal keberadaan alam semesta seharusnya ada jumlah keduanya yang kira-kira sama, Nikolai Sinner menjelaskan.
“Jika kita mulai memundurkan perkembangan alam semesta, energinya akan semakin banyak. Kepadatan akan meningkat, suhu akan meningkat. Akhirnya, semuanya akan berubah menjadi energi murni - pembawa energi atau partikel gaya seperti foton. Ini adalah awal dari alam semesta, menurut teori kosmologis kami yang paling umum."
“Dan jika kita maju lagi dari titik acuan ini, maka pada titik tertentu energi harus mulai berubah menjadi materi. Sangat mungkin untuk menciptakan materi dari energi murni, tetapi dalam hal ini Anda mendapatkan antimateri sebanyak materi. Itulah masalahnya - Anda akan mengharapkan jumlah keduanya yang sama."
“Pasti ada hukum alam yang bertanggung jawab atas fakta bahwa saat ini ada lebih banyak materi daripada antimateri. Dan tidak ada lagi yang bisa dikatakan tentang ketidakseimbangan ini. Dan asimetri ini bisa dijelaskan."
Neutrino akan membantu memecahkan teka-teki itu
Pertanyaan besarnya adalah di mana dalam hukum alam seseorang harus mencari alasan kemenangan materi atas antimateri. Fisikawan mencoba mencari tahu ini melalui eksperimen.
Di Pusat Penelitian CERN di Swiss, antimateri diproduksi dan terperangkap dalam medan magnet, dan melalui serangkaian eksperimen dengan antihidrogen, fisikawan mencoba menemukan jawaban atas pertanyaan apakah materi dan antimateri adalah bayangan cermin yang tepat satu sama lain.
Mungkin masih ada perbedaan kecil di antara keduanya, dengan pengecualian muatan, dan perbedaan ini akan membantu menjelaskan mengapa ada begitu banyak materi di alam semesta relatif terhadap antimateri.
Berhasil membuat antihelium
Karena antimateri sangat langka dan dengan cepat menghilang ketika bertemu dengan suatu zat, tidak ada molekul antimateri di alam, dan hanya molekul terkecil yang dapat dibuat.
Pada 2011, ilmuwan Amerika berhasil menciptakan antihelium. Tidak ada atom yang lebih besar.
Kami di Wiedenskab telah menulis banyak tentang eksperimen ini, yang sejauh ini menunjukkan bahwa antimateri berperilaku persis sama dengan materi, seperti yang dijelaskan, misalnya, dalam artikel "Ilmuwan Aarhus Melakukan Pengukuran Antihidrogen Paling Akurat dalam Sejarah". Dan, mungkin, memecahkan teka-teki ini akan membantu kita menemukan partikel elementer yang disebut neutrino. Kami menulis tentang ini di artikel "Eksperimen es akan mengungkap rahasia materi."
“Kami bisa berharap menemukan jawabannya di neutrino, karena kami sudah tahu bahwa ia berperilaku aneh. Ada banyak celah dalam fisika di sini, jadi sebaiknya Anda mulai menggali di sini,”kata Nikolai Sinner.
Antimateri sendiri tidak terlalu mistis, tetapi fisikawan belum mengetahui mengapa ada lebih banyak materi daripada antimateri di alam semesta saat ini. Mereka sedang menangani masalah ini.
Henrik Bendix
