Kas ir antiviela, un kādēļ tā mūs ļoti interesē? Profesora Auziņa zinātnes sleja

Eiropas Apvienotajā kodolpētniecības centrā, ko bieži atpazīstam pēc abreviatūras CERN, ir laboratorija, kuras fasādi rotā intriģējošs uzraksts – Antimatērijas rūpnīca (Antimatter Factory). Starp citu, arī fiziķi no Latvijas Universitātes piedalās šajos antivielas pētījumos un ikdienā strādā Ženēvā, CERN Antimatērijas rūpnīcā. Ko īsti tur ražo un ko pēta jeb kas ir antiviela, un kādēļ tā mūs ļoti interesē?

Piedzima mazliet par vēlu

Šajā rūpnīcā rada antiprotonus un, tos apvienojot ar antielektroniem jeb pozitroniem, tiek veidoti antiūdeņraža atomi. Tie ir ūdeņraža atomi, kas veidoti no antidaļiņām. Antiviela mūs interesē tādēļ, ka tā ir saistīta ar vienu no fizikas lielajiem un joprojām neatbildētajiem jautājumiem. Tas, ko mēs redzam eksperimentos ar elementārdaļiņām daļiņu paātrinātājos un novērojam, kad lielas enerģijas daļiņas no kosmosa nonāk Zemes atmosfērā, rāda, ka viela un antiviela rodas vienādā daudzumā. Tātad arī Visuma pirmsākumos vajadzēja rasties vienādi daudz vielai un antivielai.

Antimatērijas rūpnīca.
Antimatērijas rūpnīca.

Kur palikusi antiviela? Kādēļ šobrīd to ar lielām pūlēm un ļoti mazos daudzumos radām tikai Antimatērijas rūpnīcā?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, jāsāk ar 20. gadsimta pirmo pusi. Fiziķis, kas visciešāk saistīts ar antivielas pētniecības pirmsākumiem, ir 1902. gadā dzimušais anglis Pols Dīraks. Ne tikai angļi, bet daudzi zinātnes vēsturnieki uzskata, ka Pols Dīraks ir viens no pašiem izcilākajiem zinātniekiem, kāds dzīvojis uz Zemes, un viņš var konkurēt par izcilākā fiziķa nosaukumu ar pašu seru Īzaku Ņūtonu.

Tiek apgalvots, ka Pols Dīraks matemātikā, kas ir viens no galvenajiem fiziķa teorētiķa darba instrumentiem, bija ievērojami labāk sagatavots nekā Alberts Einšteins. Taču fiziķu vidē populārs ir stāsts, ka Dīraks kādā brīdī esot teicis, ka viņam nelaimējies, piedzimstot dažus gadus par vēlu. Pols Dīraks nokavēja laiku, kad 20. gadsimta pašā sākumā sāka veidoties modernā fizika – Einšteina relativitātes teorija un kvantu fizika. Tādēļ Dīraka paaudzes pirmklasīgajiem fiziķiem nācās samierināties ar ne tik izciliem rezultātiem, kamēr dažus gadus iepriekš ne tik izcili fiziķi varēja iegūt iespaidīgus rezultātus, jo viss bija jauns un bija jāieliek jaunās fizikas pamatakmeņi. Tā esot apgalvojis Dīraks. Diez vai īsti ir pamats apgalvot, ka tādi mūsdienu fizikas pamatlicēji kā Planks, Einšteins, Debrojī, Heizenbergs vai Šrēdingers nebija izcili fiziķi, bet tas, ka Dīraka laikā šis pirmais jaunās fizikas pamatakmeņu mūrēšanas periods tuvojās beigām, gan ir pilnīga patiesība.

Tomēr nebija jau arī tā, ka viss būtu padarīts. Ervīns Šrēdingers 1926. gadā bija piedāvājis vienādojumu, kas apraksta daļiņas kvantu fizikā. Piemēram, ar šā vienādojuma palīdzību iespējams aprakstīt pašu vienkāršāko (ūdeņraža) atomu, ko veido tikai divas daļiņas – protons atoma centrā, ap kuru kustas viens elektrons. Taču šajā vienādojumā netika ņemts vērā tas, ka elektrons atomā var kustēties ātri. Tā ātrums, cik nu vien kvantu fizikā par to iespējams runāt, ir tikai apmēram simts reižu mazāks par gaismas ātrumu. Tādēļ neņemt vērā Einšteina speciālo relativitātes teoriju, kura norāda, kas jāprecizē Ņūtona mehānikas likumos, kad daļiņu ātrums tuvojas gaismas ātrumam, vairs nevar.

Daļiņa un antidaļiņa

Tad nu, lūk, Pols Dīraks 1928. gadā 26 gadu vecumā piedāvāja Šrēdingera teorijas relatīvistisko versiju. Abi fiziķi – Pols Dīraks un Ervīns Šrēdingers – dalīja 1933. gada Nobela prēmiju fizikā. Šis pētījums nepalika nenovērtēts! Pols Dīraks ir viens no nedaudzajiem fiziķiem, kuram pēc nāves ticis izrādīts gods tikt apglabātam Vestminsteras abatijā Lielbritānijā. Starp citu, uz kapa plāksnes ir iegravēts viņa atklātais vienādojums, ko tagad sauc par Dīraka vienādojumu.

Risinot savu vienādojumu, Dīraks nonāca pie dažiem pat viņam pašam negaidītiem rezultātiem. Vienu jau pieminēju nesenā rakstā LSM.lv portālā. Īsi atgādināšu to. No Dīraka vienādojuma varēja izrēķināt tikai elektrona enerģijas kvadrātu. Kur tad problēma? Nav taču grūti izvilkt kvadrātsakni un izrēķināt pašu enerģiju?! Protams, bet matemātikas skolotāji mums māca, ka, velkot sakni no skaitļa, rezultātam jāpievieno plusa un mīnusa zīme. Četri var iegūt, kāpinot kvadrātā gan divi, gan mīnus divi. Tātad arī pretēji, kvadrātsakne no četri var būt gan divi, gan arī mīnus divi.

Taču brīvs elektrons, kura enerģija ir mazāka par mazāko iespējamo, mazāka par nulli, bija pilnīga bezjēdzība. Tas šķita traki pat Dīrakam, un pagāja vairāki gadi, līdz viņš uzdrošinājās izteikt neprātīgu domu, ka bez mūsdienās jau tik pierastā elektrona var eksistēt vēl viena daļiņa, kas ir ļoti līdzīga elektronam, ar lādiņu, kas ir tikpat liels kā elektrona lādiņš, bet kura zīme ir pretēja.

Taču tas bija tikai pats sākums. Izrādās, ka katrai daļiņai, no kā veidota viela, ir tās antidaļiņa – tā teikt – antipods. Ja daļiņai ir lādiņš, tad antidaļiņas lādiņš ir ar pretēju zīmi. Taču arī neitrālām daļiņām bez lādiņa eksistē to antidaļiņas.

Daļiņas un to antidaļiņas nespēj sadzīvot kopā. Ja daļiņa sastop antidaļiņu, tās abas iet bojā, pārvēršoties lielas enerģijas fotonos, ja tā var teikt – tīrā starojuma enerģijā. Iespējams, šis ir viens no iemesliem, kādēļ fantastiskās literatūras autori mīl domāt un rakstīt par antivielu. Šo procesu sauc par vielas un antivielas anihilāciju.

Anihilācijas process ir galvenais izaicinājums, kad laboratorijā gribam radīt antivielu un veikt ar to eksperimentus. Radītā antiviela jāspēj glabāt atsevišķi no parastas vielas. Citādi tā ies bojā. Varētu šķist, ka tas ir neizpildāms uzdevums. Mūsu pasaulē viss, arī laboratorijā, kas ir šīs pasaules daļa, ir veidots no vielas. Kur tad likt antivielu? Daži risinājumi tomēr ir. Varam veidot slazdus, dažreiz tos sauc arī par traukiem, ko neveido viela, bet gan magnētiskais lauks. Piemēram, pozitrons, citai lādētai daļiņai kustoties magnētiskajā laukā, izjūt lauka iedarbību. Varam izveidot magnētiskā lauka konfigurāciju tā, lai daļiņa kustētos ierobežotā telpas apgabalā, no tā neizkļūstot. Lai mijiedarbības spēki vienmēr virzītu daļiņu uz magnētiskā lauka centru. Ja šis apgabals jeb "trauks" ir vakuumā, pastāv cerība, ka antidaļiņa kādu laiku nepazudīs, jo savu antagonisko partneri no daļiņu pasaules nesatiks.

Tātad, lai atbildētu uz jautājumu, kādēļ šobrīd novērojamais Visums ir veidots tikai no vielas, bet antivielas tajā nav, mums mākslīgi jāveido antiviela un jāmēģina atrast tādas atšķirības starp vielu un antivielu, kas var radīt šo asimetriju.

Hipotēzes jeb iespējamie varianti ir dažādi.

Varbūt tas, ko redzam ap sevi jeb no vielas veidotā pasaule, ir tikai viena saliņa Visumā?…Tas nozīmētu, ka kaut kur citur ir vēl cita līdzīga sala vai salas, kas veidotas no antivielas. Varbūt šajā antivielas pasaulē evolūcija līdzīgi kā mūsu pasaulē ir novedusi pie saprātīgām būtnēm un šie "anticilvēki" tajā pasaulē prāto, kur palikusi viela. Tikai, viņuprāt, mēs noteikti esam veidoti no "antivielas"… Katrs jau sevi noliek pasaules centrā.

Vēl viens iemesls, kas var būt vielas-antivielas asimetrijas pamatā, ir tāds, ka, iespējams, viela un antiviela tomēr atšķiras pavisam nedaudz, bet vairāk nekā tikai ar daļiņu lādiņu zīmi. Tas nozīmētu, ka jau Lielā sprādziena laikā vielas radās mazliet vairāk nekā antivielas. Viela un antiviela savstarpēji anihilēja, un tas, kas atrodas ap mums, ir ļoti nelielais vielas pārpalikums. Šo asimetriju fiziķi sauc par barionu asimetriju. Ir vairāki kosmoloģiski novērojumi, kas ļauj domāt, ka šī hipotēze ir uztverama nopietni. Tomēr nevar viennozīmīgi apgalvot, ka šī asimetrija (ja tā vispār eksistē) ir pietiekami stipra, lai radītu novērojamo vielas pārsvaru pār antivielu.

Latvijas Universitātes doktorants Valts Krūmiņš pie CERN Antimater Factory.
Latvijas Universitātes doktorants Valts Krūmiņš pie CERN Antimater Factory.

Un tad vēl sākumā pieminētais CERN eksperiments, kurā piedalās arī pētnieki no Latvijas. Tā ietvaros fiziķi mēģina noskaidrot, vai ir iespējams, ka gravitācija jeb pievilkšanās spēki starp atomiem, kas veidoti no vielas, un atomiem, kuri ir veidoti no antivielas, nav precīzi vienāda? Varbūt tomēr pastāv kāda atšķirība, kas varētu izskaidrot vielas un antivielas dažādo daudzumu Visumā? Šī eksperimenta nosaukums ir AEGIS – Antivielas eksperiments: gravitācija, interferometrija, spektroskopija.

Tas var izklausīties ļoti abstrakti un attālināti no mūsu ikdienas rūpēm. Var pat jautāt, kam tas viss vajadzīgs? Un tomēr – tie paši dīvainie antielektroni, ko sauc arī par pozitroniem, šobrīd ļoti aktīvi un veiksmīgi tiek izmantoti medicīnas diagnostikā. Tā ir tā saucamā PET jeb pozitronu emisijas tomogrāfijas metode. Tā ļauj iegūt cilvēka iekšējo orgānu trīsdimensionālu attēlu, pacienta ķermenī ievadot vielu, kas izstaro nedaudz pozitronu. Tie anihilē ar ķermenī esošajiem elektroniem. Anihilācijas rezultātā rodas lielas enerģijas fotoni. Tos detektējot, ir iespējams rekonstruēt ķermeņa orgānu trīsdimensiju attēlu. Skan gandrīz vai draudīgi. Anihilācija cilvēka ķermenī!? Jā, bet pozitronu ir pavisam maz un cilvēkam tas ir absolūti nekaitīgi. Pasauļu bojāeja šajā izmeklējumā nav paredzēta.

Starp citu, mūsu pasaulē daļiņu-antidaļiņu grūti izskaidrojamā asimetrija nav vienīgā šāda mīkla.

Piemēram, aminoskābes, ja tās tiek sintezētas laboratorijā, vienādā proporcijā ir savērptas gan virzienā pa labi, gan pa kreisi. Ķīmiķi tās sauc par D un L tipa aminoskābēm. Taču dzīvajos organismos klātesošas ir tikai pa kreisi savērptās jeb L tipa aminoskābes. Kādēļ dzīvā daba devusi priekšroku šim tipam, viennozīmīgas atbildes nav. Taču versiju ir daudz. Sākot ar to, ka tā vienkārši nejauši gadījās un varēja būt arī otrādi, līdz versijai, ka šīs asimetrijas pamatā ir noteikti procesi elementārdaļiņu līmenī.

Tas tikai nozīmē, ka zinātnē vēl ir daudz mīklu, kas gaida pētniekus, kuri varētu tās atminēt. Darba dabaszinātniekiem netrūks arī nākotnē.

Profesora Auziņa zinātnes sleja

Vairāk

Kļūda rakstā?

Iezīmējiet tekstu un spiediet Ctrl+Enter, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Iezīmējiet tekstu un spiediet uz Ziņot par kļūdu pogas, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Saistītie raksti

Vairāk

Svarīgākais šobrīd

Vairāk

Interesanti