Αντι-ϋλη:Το καύσιμο του μέλλοντος;

Από την NASA ΜάΙος 2000

Δεξιά: Μια διαπλανητική συσκευή ρομπότ, όπως την φαντάστηκε ένας καλλιτέχνης, προωθούμενη με αντιύλη καθώς περνάει κοντά από πλανήτες ενός φανταστικού ηλιακού συστήματος. Ο πίνακας ανήκει στο Εργαςστήριο Επιστήμης Ενεργητικών Σωματιδίων του πολιτειακού πανεπιστημίου της Pennsylvania.

Για αρκετούς επιστήμονες της NASA και ερευνητές πανεπιστημίων, η αντιύλη μπορεί να είναι το μέλλον για τα διαστημικά ανθρώπινα ταξίδια. Όταν μιλάμε για αποθήκευση συμπυκνωμένης ενέργειας που θα χρησιμοποιηθεί για προώθηση διστημικών συσκευών, η χρήση αντιδράσεων ύλης/αντιύλης είναι ακαταμάχητη. Όταν ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο συναντούνται, εξαφανίζονται και τα δυο και η συνολική τους μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια.

Το 1928 ο Βρετανός φυσικός Paul A.M. Dirac (1902-1984) διατύπωσε μια θεωρία για την κίνηση των ηλεκτρονίων σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Παρόμοιες θεωρίες είχαν διατυπωθεί και στο παρελθόν, αλλά η μοναδικότητα της θεωρίας του Dirac ωφειλόταν στο γεγονός ότι περιλάμβανε τα αποτελέσματα της ειδικής θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein. Οι εξισώσεις του Dirac εφαρμόζονταν τέλεια για την περιγραφή πολλών περιπτώσεων της κίνησης των ηλεκτρονίων που οι προηγούμενες εξισώσεις δεν τα κατάφερναν.

Αλλά η θεωρία αυτή οδηγούσε επίσης σε μια πρόβλεψη-έκπληξη ότι το ηλεκτρόνιο έπρεπε να έχει ένα αντισωματίδιο με την ίδια ακριβώς μάζα αλλά ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο (το αντίθετο του συνηθισμένου αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου.) Το 1932 ο Carl Anderson παρατήρησε πειραματικά αυτό το καινούργιο σωματίδιο που ονομάστηκε ποζιτρόνιο. Αυτό ήταν το πρώτο γνωστό παράδειγμα αντιύλης. Το 1955 παράχθηκε στον επιταχυντή Bevatron του Berkeley το αντιπρωτόνιο και το 1995 οι επιστήμονες δημιούργησαν το πρώτο άτομο αντιυδρογόνου στα εργαστήρια του CERN με συνδυασμό ενός αντιπρωτονίου και ενός ποζιτρονίου. Αλλά όταν δημιουργούνται αυτά τα άτομα αντιυδρογόνου, ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και δεν ζουν αρκετά. ( Ο χρόνος ζωής τους είναι της τάξης των 40 νανοδευτερολέπτων.)

Οι εξισώσεις του Dirac πρόβλεπαν ότι όλα τα στοιχειώδη σωματίδια στη φύση πρέπει να έχουν αντίστοιχα αντισωματίδια. Σε κάθε περίπτωση οι μάζες του σωματιδίου και αντισωματιδίου είναι ίδιες και άλλες ιδιότητές τους είναι σχεδόν ίδιες. Αλλά σε όλες τις περιπτώσεις τα πρόσημα μερικών φυσικών μεγεθών τους είναι αντίθετα. Τα αντιπρωτόνια για παράδειγμα έχουν την ίδια μάζα με τα πρωτόνια αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Από τον καιρό του Dirac εκατοντάδες τέτοια ζευγάρια σωματιδίων-αντισωματιδίων έχουν παρατηρηθεί. Ακόμη και σωματίδια που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, όπως είναι το νετρόνιο, έχουν αντισωματίδια. Αυτά έχουν κάποια άλλη ιδιότητά τους προσημασμένη (όπως είναι η μαγνητική ροπή) που μπορεί να πάρει αντίθετη τιμή στο αντισωματίδιο.
Παρουσιάζει ενδιαφέρον το γεγονός ότι δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά στην αντιμετώπιση των σωματιδίων και των αντισωματιδίων στα πλαίσια της φυσικής θεωρίας. Είναι ισοδύναμα. Οι περισσότεροι θεωρητικοί πιστεύουν ότι τη στιγμή του Big Bang σωματίδια και αντισωματίδια γεννήθηκαν σε ίσους αριθμούς. Αλλά τότε γιατί η αντιύλη είναι τόσο σπάνια στη σημερινή εποχή;

Δεξιά Μια παγίδα Penning ελέγχθηκε στο πανεπιστήμιο της Pennsylvania. Οι παγίδες Penning χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό χαμηλών θερμοκρασιών και ηλεκτρομαγνητικών πεδίων για να αποθηκεύσουν την αντιύλη. Αν και οι παγίδες αυτές μπορούν να αποθηκεύσουν απειροελάχιστες μόνο ποσότητες, θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη των απαραίτητων τεχνολογιών για την υλοποίηση προχωρημένων ιδεών προωθητικών μηχανών.

Μια υποθετική απάντηση (είναι υποθετική εφόσον εξακολουθεί να αποτελεί θέμα συνεχιζόμενης έρευνας) προτείνει ότι αν στο Big Bang τα σωματίδια ήταν περισσότερα των αντισωματιδίων κατά 1 προς 100 εκατομμύρια τότε το παρόν Σύμπαν θα μπορούσε να εξηγηθεί με αυτά τα περισσευούμενα σωματίδια που δεν εξαφανίστηκαν συναντώντας κάποιο αντισωματίδιο. Άλλες θεωρίες προτείνουν ότι ακόμη και αν δημιουργήθηκαν αρχικά ίσοι αριθμοί σωματιδίων και αντισωματιδίων κατά το Big Bang η φυσική της ύλης και αντιύλης διαφέρουν ελαφρά. Αυτή η υποθετική διαφορά θα ευνοούσε την επικράτηση της ύλης αφού όλη η αντιύλη θα είχε στο μεταξύ εξαϋλωθεί.

Αυτή λοιπόν είναι η αντιύλη. Είμαστε σίγουροι ότι δεν έχει απομείνει καθόλου αντιύλη σήμερα στο Σύμπαν;

Ο δρ. Charles Meegan, αστροφυσικός στο διαστημικό κέντρο πτήσεων Marshall, παρατήρησε ότι οι δορυφόροι παρατηρητήρια των ακτίνων γάμα έχουν κάνει μετρήσεις του ουρανού στην περιοχή των ενεργειών όπου θα είχαν ανιχνευτεί τα δείγματα της εξαφάνισης της αντιύλης.

Κανένα από τα σημερινά όργανα μετρήσεων στο διάστημα δεν έχει αποκαλύψει σημάδια από σημαντικές ποσότητες αντιύλης στο Σύμπαν, λέει ο Meegan.

Υπάρχουν ενδείξεις ότι πολύ ενέργεια ελευθερώνεται σε αντιδράσεις που συμβαίνουν σε απομονωμένα σημεία στους πυρήνες μερικών γαλαξιών και κβάζαρς. Στις αντιδράσεις αυτές δημιουργείται αντιύλη η οποία στη συνέχεια αντιδρά με την ύλη και εξαφανίζονται αμοιβαία.Αλλά αυτή δεν λογαριάζεται ότι είναι αντιύλη που έχει απομείνει από το Big Bang.

Επάνω:Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει ενδείξεις αντιύλης κοντά στο κέντρο του δικού μας γαλαξία αφού παρατήρησαν φωτόνια ενέργειας 511Kev. Η ενέργεια αυτή εκλύεται όταν ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο συγκρούονται και αλληλοεξαφανίζονται. Η εικόνα δείχνει περιοχές ακτινοβολίας με ενέργεια 511Kev που ανιχνεύτηκαν από το παρατηρητήριο Comton για ακτίνες γάμα, της NASA. Οι περιοχές αυτές έχουν υπερτεθεί πάνω σε μια συνηθισμένη οπτική εικόνα του κέντρου του γαλαξία μας. Η κατακόρυφη δομή είναι ένα ρεύμα ποζιτρονίων και ηλεκτρονίων που εξαϋλώνονται αμοιβαία. Περισσότερες πληροφορίες από το Northwestern University και την Northwestern University και NASA HQ Η εικόνα ανήκει στον Ron Murphy ( Εργαστήριο ερευνών του Ναυτικού.)

Πάνω στη γη, όλη η αντιύλη που υπάρχει βρίσκεται σε μεμονωμένα άτομα. Ποζιτρόνια χαμηλής ενέργειας χρησιμοποιούνται καθημερινά σε μια τεχνική ιατρικής απεικόνισης που λέγεται Τομογραφία με Εκπομπή Ποζιτρονίων. Αυτά τα ποζιτρόνια είναι προϊόν ραδιενεργών διασπάσεων. Ενώ είναι χρήσιμα σε ιατρικές εφαρμογές, δεν υπάρχουν αρκετά από αυτά τα αντιηλεκτρόνια ώστε να παίξουν το ρόλο ενός πρακτικά χρήσιμου καυσίμου πυραύλων.Από την άλλη μεριά, αντισωμάτια υψηλών ενεργειών παράγονται σε μεγάλους αριθμούς μόνο σε μερικούς πολύ ισχυρούς επιταχυντές. Η ρυθμός παραγωγής αντιύλης σήμερα σε παγκόσμια κλίμακα είναι της τάξης των 1 έως 10 νανογραμμάρια (δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου!) ανά έτος.

Πως μπορεί η αντιύλη να βοηθήσει τους ανθρώπους στην εξερεύνηση του διαστήματος; Η απάντηση βρίσκεται στην περίφημη εξίσωση του Einstein E = mc2. Όταν η αντιύλη εξαϋλώνεται με την συνηθισμένη ύλη, όλη η μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια. Η παραγόμενη ενέργεια ανά σωματίδιο ξεπερνάει κατά πολύ την απόδοση σε ενέργεια των χημικών αντιδράσεων όπως λόγου χάριν την καύση υδρογόνου και οξυγόνου που γίνεται στους κινητήρες σημερινών διαστημικών λεωφορείων.
Home