Antimateria

Di cosa è fatto?

In fisica, tutte le particelle elementari, o gli elementi di base delle cose che possiamo toccare, sono in coppia. Ogni particella ha quella che viene chiamata antiparticella. Questa può avere lo stesso aspetto e agire come la particella normale, tranne che per una differenza importante. Un esempio è l'elettrone e il positrone.

Altre particelle di antimateria sono allo stesso modo, dove hanno lo stesso peso, e hanno lo stesso aspetto e comportamento delle particelle regolari, ma la loro carica elettrica è l'opposto delle particelle regolari. L'antiidrogeno, per esempio, ha il positrone, che è caricato positivamente, che orbita intorno ad un antiprotone, che è caricato negativamente, che è il modo opposto in cui appare l'idrogeno regolare, che ha l'elettrone (carica negativa), che orbita intorno ad un protone (carica positiva).

Annientamento

AlbertEinstein ha trovato una formula che può mostrare quanta energia ha una certa quantità di qualcosa, che sia materia o antimateria. Questa formula è E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} ed è una delle equazioni più conosciute. In termini semplici, se si prende la massa di qualcosa e la si moltiplica per la velocità della luce, e poi la si moltiplica ancora per la velocità della luce, si ottiene quanta energia pura ha un dato pezzo di qualcosa. Dato che la velocità della luce è un numero così grande, questo significa che anche una piccola quantità di materia può avere un sacco di energia (è stato calcolato che è 4 volte più efficace per massa della fissione nucleare).

Nel 1928, il fisico Paul Dirac stava cercando un'equazione che predicesse il comportamento delle particelle molto veloci. C'era già un'altra equazione che poteva descrivere le particelle in movimento lento, l'equazione di Schrödinger, ma la teoria della relatività speciale di Einstein diceva che le particelle veloci potevano essere molto diverse dalle particelle lente. Dirac sapeva che particelle come gli elettroni di solito si muovono molto velocemente. Si rese conto che la vecchia equazione non avrebbe fatto buone previsioni per le particelle veloci. Così se ne uscì con una nuova equazione che poteva descrivere le particelle che si muovevano vicino alla velocità della luce.

Per le particelle veloci, non è più vero che l'energia è E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2}} . Invece, la nuova equazione di Dirac funzionava per particelle in cui l'energia era data da E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}^{2}c^{2}} . Nella nuova equazione per l'energia, il simbolo p → {displaystyle {\vec {p}}} è chiamato quantità di moto, e misura quanto velocemente la particella sta andando e quanto è difficile da fermare. Questa equazione dice che le particelle molto veloci hanno più energia, quindi sono diverse dalle particelle lente. Puoi prendere la radice quadrata di ogni lato di questa equazione, poiché entrambi i lati sono uguali. Tuttavia, qualsiasi radice quadrata reale ha due risposte, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=+{sqrt {m^{2}c^{4}+{vec {p}^{2}c^{2}}}} ed E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {displaystyle E=-{sqrt {m^{2}c^{4}+{vec {p}^{2}c^{2}}}} . Si può pensare che la risposta con energia negativa sia l'antimateria.

La ragione per cui questo è importante per capire l'antimateria è perché gli scienziati hanno scoperto che quando la materia e l'antimateria si toccano, la quantità di energia che viene rilasciata si avvicina molto alla quantità di energia E = m c 2 {displaystyle E=mc^{2} dice che dovrebbe essere tutta insieme in quei due pezzi. La ragione è che ogni particella di materia, quando tocca la sua antiparticella nel mondo dell'antimateria, entrambe si trasformano in pura energia, o si annichilano a vicenda. Questo rilascio di una così alta quantità di energia è il motivo per cui molti scrittori di fantascienza usano l'antimateria come combustibile nelle loro storie. Per esempio, l'autore Dan Brown usa l'antimateria in "Angeli e Demoni" come arma molto potente. Viene anche presa in considerazione come fonte di carburante per missioni reali nello spazio esterno in futuro.

Dov'è tutta l'antimateria?

Molti scienziati pensano che nei primi momenti dopo il Big Bang, che ha creato l'universo molto tempo fa, sia la materia che l'antimateria si siano mescolate. Se il Big Bang ha creato quantità uguali di materia e antimateria, allora le due si annichilerebbero e diventerebbero energia. Dopo molto tempo, non ci sarebbe più materia e antimateria, solo energia. Ma il nostro universo oggi sembra essere quasi tutta materia e quasi nessuna antimateria. I fisici non sanno ancora con certezza che siano state create quantità uguali di materia e antimateria, e per questo si chiedono anche dove sia finita l'antimateria, e se ne sia rimasta qualcuna dall'inizio dell'universo.

Una spiegazione è che all'inizio c'era solo un po' più materia che antimateria, così che ciò che è rimasto dopo che la maggior parte della materia e dell'antimateria si è annichilita in energia è diventato l'universo di materia che vediamo oggi. Un'altra teoria è che ci sia molta antimateria dall'altra parte dell'universo, nascosta ben oltre la nostra visione. Anche loro potrebbero aver formato le loro galassie e i loro sistemi solari.

Usa

Poiché l'antimateria può produrre così tanta energia, può essere usata per molte cose, come il carburante per andare nello spazio o nelle nostre auto. Il problema è che l'antimateria è molto costosa da produrre, ed è quasi altrettanto costosa da immagazzinare, poiché non può toccare la materia normale. Ci vogliono diverse centinaia di milioni di dollari per fare meno di un milionesimo di grammo di antimateria. In effetti, è la sostanza più costosa e più rara sulla Terra. Essendo così costosa, questo significa che l'antimateria non è pratica da usare come arma o come fonte di energia, perché se ne può ottenere così poca.

Recentemente, tuttavia, gli scienziati hanno intrappolato l'antimateria per oltre 16 minuti (1000 secondi in totale).

Ha un uso in medicina, perché un tipo speciale di scanner chiamato PET, che sta per tomografia a emissione di positroni, usa i positroni per entrare nel corpo umano. I medici possono guardare il modo in cui i positroni si trasformano in energia all'interno del corpo di una persona ed essere in grado di dire se c'è qualcosa di sbagliato all'interno di una persona. Questo tipo di macchina funziona diversamente da una macchina a raggi X o una macchina per la risonanza magnetica (MRI), e può aiutare i medici a vedere cose che queste altre macchine non possono vedere.