Αντιύλη: επιστημονική φαντασία ή πραγματικότητα;

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί υπάρχουμε;  Ένας τρόπος για να προσεγγίσεις το ερώτημα αυτό είναι φιλοσοφικός.  Ένας άλλος τρόπος όμως έγκειται στη μελέτη των φυσικών νόμων που διέπουν τον κόσμο αυτό.  Και ίσως η απάντηση στο ερώτημά να κρύβεται σε κάτι μυστήριο αλλά πέρα για πέρα αληθινό.  Την αντιύλη!  Πάμε να τη γνωρίσουμε.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΑΝΤΙΥΛΗ

Όσο περίεργο και αν ακούγεται η αντιύλη είναι ουσιαστικά ακριβώς ότι και η ύλη εκτός από το γεγονός ότι τα σωματίδια που την αποτελούν έχουν το αντίθετο φορτίο.  Θα μπορούσε να πει κανείς πως είναι το είδωλο της ύλης σε έναν καθρέφτη αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.  Παραδείγματος χάρη για κάθε πρωτόνιο θα πρέπει να υπάρχει αντιπρωτόνιο ή για κάθε ηλεκτρόνιο υπάρχει ένα αντιηλεκτρονιο ή όπως ονομάζεται ποζιτρόνιο.  Στην περίπτωση του ποζιτρονίου αν εξετάσουμε τα βασικά του χαρακτηριστικά βλέπουμε πως έχουν ίδια μάζα,  ίδιο spin αλλά ακριβώς αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.

ΠΩΣ ΑΝΑΚΑΛΥΦΘΗΚΕ Η ΑΝΤΙΥΛΗ

Ας κάνουμε όμως μία μικρή ιστορική αναδρομή διότι παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ο τρόπος που ανακαλύφθηκε η αντιύλη. Το 1928 ο βρετανός φυσικός Paul Dirac θα διατυπώσει μία εξίσωση με σκοπό να γεφυρώσει την κβαντική θεωρία και τη θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν προκειμένου να περιγράψει την συμπεριφορά ενός ηλεκτρονίου το οποίο θα κινούνταν με σχετικές ταχύτητες.  Μία εξίσωση η οποία θα χαρίσει στον Ρaul Dirac το βραβείο Νόμπελ πέντε χρόνια αργότερα.  Αν θυμάστε στα μαθηματικά η εξίσωση έχει δύο λύσεις.  Η μία είναι ότι χ=+2  και η άλλη έχει λύσει το χ = – 2.  Κατά παρόμοιο τρόπο από την εξίσωση του Dirac προέκυπταν δύο λύσεις.  Μία για το ηλεκτρόνιο με θετική ενέργεια και μία για το ηλεκτρόνιο με αρνητική ενέργεια.  Όμως σύμφωνα με την κλασική φυσική κάτι τέτοιο δεν θα μπορούσε να ευσταθεί μιας και η ενέργεια ενός σωματιδίου είναι πάντοτε ένας θετικός  αριθμός.  Η ερμηνεία που έδωσε ο Dirac  για τις λύσεις της εξίσωσης του ήταν πως για κάθε σώματιδιο υπάρχει ένα αντισωματίδιο πανομοιότυπο αλλά με αντίθετο φορτίο.  Στην περίπτωσή μας,  για το ηλεκτρόνιο θα πρέπει να υπάρχει το αντιηλεκτρόνιο  το οποίο θα έχει θετικό φορτίο.  Άρα τώρα βρισκόμαστε χρονικά στο σημείο που οι εξισώσεις μας υποδεικνύουν την ύπαρξη της αντιύλης και μας μένει τι;  Να την παρατηρήσουμε! Έτος 1932 με πρωταγωνιστή τον Carl Aderson.  Αμερικανός φυσικός που ασχολήθηκε με την μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας.  Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιούσε μία συσκευή που ονομάζεται θάλαμος νέφους.  Η συσκευή αυτή κάνει το αόρατο ορατό,  επιτρέποντας μας να ανιχνεύσουμε και να παρατηρήσουμε μικροσκοπικά σωματίδια καθώς επίσης να δούμε και το ίχνος της τροχιάς που αφήνουν κατά την κίνησή τους.  Κάποια στιγμή λοιπόν ο Άντερσον παρατήρησε ένα σωματίδιο το ίτο οποίο αφήνει ένα ίχνος τροχιάς όπως μπορείτε να παρατηρήσετε στον πίνακα.  Έπειτα από μετρήσεις βλέπει πως το συγκεκριμένο σωματίδιο έχει ακριβώς τη μάζα του ηλεκτρονίου.  Όμως αν το σωματίδιο ήταν το ηλεκτρόνιο το οποίο έχει αρνητικό φορτίο θα έπρεπε να εκτελέσει μία διαφορετική κίνηση σε σχέση με αυτήν που καταγράφηκε εξαιτίας του υπάρχοντος μαγνητικού πεδίου μέσα στο θάλαμο.  θα έπρεπε δηλαδή να καμπυλωθεί  με τον ίδιο τρόπο αλλά σε αντίθετη κατεύθυνση.  Το συμπέρασμα του Άντερσον λοιπόν ήταν πως τα ίχνη αυτά ήταν ενός αντίηλεκτρονίου. Για την ανακάλυψη αυτή του ποζιτρονίου ο Άντερσον θα πάρει το βραβείο Νόμπελ το 1936 το οποίο θα μοιραστεί με τον Victor Hess.

ΤΙ ΘΑ ΣΥΜΒΕΙ ΑΝ Η ΑΝΤΙΥΛΗ ΕΡΘΕΙ ΣΕ ΕΠΑΦΗ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ

Και πάμε τώρα σε ένα πιο φαντασμαγορικό ερώτημα.  Τι συμβαίνει όταν η ύλη έρθει σε επαφή με την αντιύλη;  Ας το εξετάσουμε στην περίπτωση που ένα ηλεκτρόνιο έρθει σε επαφή με ένα ποζιτρόνιο. Αν κοιτάξουμε το σχήμα που φαίνεται πάνω δεξιά στον πίνακα παρατηρούμε πως όταν ένα ηλεκτρόνιο έρθει σε επαφή με ένα ποζιτρόνιο τότε τα δύο σωματίδια εξαϋλώνονται ακυρώνοντας το ένα το άλλο και αφήνουν πίσω τους μόνο δύο φωτόνια για να μεταφέρουν το ποσό ενέργειας που παρήχθη.  Στην περίπτωση αυτή η ενέργεια διατηρείται,  μιας και η μάζα του ηλεκτρονίου μαζί με τη μάζα του ποζιτρονίου,  μετατράπηκαν εξολοκλήρου σε ενέργεια.  Φυσικά η διαδικασία που μόλις περιγράψαμε μπορεί να συμβεί και αντίστροφα,  δηλαδή η ενέργεια στη μορφή φωτονίου μπορεί να σχηματίσει ένα ζεύγος ηλεκτρονίου ποζιτρόνιου,   κάτι το οποίο συνέβη στις απαρχές του σύμπαντος.  Και εδώ προκύπτει ένα αναπάντητο προς το παρόν ερώτημα.  Αν όπως είδαμε μόλις η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται σε ζευγάρια αυτό σημαίνει πως κατά την γέννηση του σύμπαντος θα πρέπει να δημιουργήθηκαν ακριβώς ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.

ΓΙΑΤΙ Η ΑΝΤΙΥΛΗ ΔΕΝ ΕΞΑΥΛΩΣΕ ΟΛΟΚΛΗΡΟ ΤΟ ΣΥΜΠΑΝ

Το ερώτημα είναι γιατί οι δύο ίσες ποσότητες αυτές δεν αντέδρασαν μεταξύ τους εξαυλόνοντας  η μία την άλλη με αποτέλεσμα να αφήσουν πίσω τους μόνο ενέργεια και τίποτα από αυτά που βλέπουμε σήμερα να μην υπάρχει; Μία πιθανή απάντηση στο ερώτημά αυτό είναι πως κάτι στην αρχή του σύμπαντος επηρέασε την συμμετρία αυτή,  τη ισή ποσότητα δημιουργίας ύλης αντιύλης με αποτέλεσμα το σύμπαν να ξεκίνησε με λίγο περισσότερη ύλη σε σχέση με την ποσότητα αντιύλης.  Αν δηλαδή κατά την αρχή υπήρχαν περισσότερα σωματίδια ύλης τότε ορισμένα από αυτά συναντήθηκαν με τα λιγότερα σωματίδια αντιύλης εξαϋλωθηκαν  και έτσι έμεινε μία περίσσεια σωματιδίων ύλης . Για να το κατανοήσουμε  με παράδειγμα φανταστείτε πως βρισκόμαστε σε ένα δωμάτιο 10 άνθρωποι που πεινάμε.  Και στο τραπέζι υπάρχουν οκτώ πιτόγυρα.  Οι 8 από εμάς θα συναντηθούν με τα 8 πιτόγυρα και θα τα εξαυλώσουν.  Έπειτα οι δύο που θα παραμείνουν στο δωμάτιο νηστικοί παίζουν τον ρόλο της ύλης που έμεινε έπειτα από την αρχική εξαΰλωση των ποσοτήτων ύλης αντιύλης.  Μάλιστα γνωρίζουμε πως στις μέρες μας υπάρχουν ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερος αριθμος φωτονίων σε σχέση με τα σωματίδια της ύλης.  Αυτό ουσιαστικά σημαίνει πως για κάθε ένα δισεκατομμύριο σωματιδίων ύλης που εξαυλώθηκαν ένα μόνο επιβίωσε.  Και φυσικά αυτό γέννα την απορία γιατί η ύλη και η αντιύλη δημιουργήθηκαν με αυτήν την μικρή αλλά σωτήρια για εμάς ανισορροπία;

ΤΟ CERN ΚΑΙ ΤΑ ΠΡΩΤΑ ΑΤΟΜΑ ΑΝΤΙΥΛΗΣ

Ένα ερώτημα που φυσικά απασχολεί ακόμα τους ερευνητές οι οποίοι σε πολλά εργαστήρια ανά τον κόσμο προσπαθούν να δώσουν απάντηση στο ερώτημα αυτό ή να θέσουν μία ερώτηση που ακόμα δεν έχουν σκεφτεί.  Ένα από τα μεγαλύτερα και σημαντικότερα σημεία αυτής της έρευνας βρίσκεται δυτικά της Γενεύης,  στα σύνορα Γαλλίας- Ελβετίας.  Και αναφέρομαι στο CERN,  το ευρωπαϊκό συμβούλιο πυρηνικής έρευνας και ειδικότερα ερευνών της σωματιδιακής φυσικής.  Μία ιδιαίτερη ημερομηνία αξία αναφοράς είναι η 15η Σεπτεμβρίου του 1995 όπου θα πραγματοποιηθεί με επιτυχία η πρώτη σύνθεση ατόμων αντιύλης.  Και πιο συγκεκριμένα άτομων  αντι-υδρογόνου.  Το άτομο του υδρογόνου είναι το απλούστερο άτομο που μπορεί να συναντήσει κανείς.  Αποτελείται από ένα πρωτόνιο και γύρω από αυτό υπάρχει σε τροχιά ένα ηλεκτρόνιο και το άτομο του υδρογόνου είναι ένα από τα καλύτερα και πιο  κατανοητά συστήματα στη φυσική.  Η σύγκριση λοιπόν με το αντιυδρογόνο  μας παρέχει εξαιρετικά χρήσιμες πληροφορίες για την κατανόηση της ασυμμετρίας ύλης – αντιύλης στο σύμπαν.

ΠΩΣ ΦΤΙΑΧΝΟΥΜΕ ΕΝΑ ΑΝΤΙΥΔΡΟΓΟΝΟ

Το πρώτο βήμα για αυτήν την διαδικασία είναι να επιταχύνουμε μία δέσμη πρωτονίων σε ταχύτητες που να φτάνουν το 99% της ταχύτητας του φωτός.  Έπειτα αυτά τα πρωτόνια θα χτυπήσουν ένα μεταλλικό στόχο.  Η σύγκρουση αυτή δημιουργεί ένα πλήθος δευτερογενών σωματιδίων μεταξύ των οποίων και πολλά αντίπρωτόνια.  Όμως προς το παρόν αυτά τα αντίπρωτόνια έχουν υπερβολικά μεγάλη ενέργεια για να τα χρησιμοποιήσουμε για την παραγωγή αντίατόμων.  Άρα με κάποιον τρόπο θα πρέπει να μειώσουν αυτήν την ενέργεια…  Και έτσι περνάμε στο δεύτερο βήμα χρησιμοποιώντας μία συσκευή που ονομάζουμε επιβραδυντή  αντίπρωτονίων.  Ο επιβραδυντής  αντιπρωτονίων αποτελείται από κάποιους μαγνήτες που σκοπό έχουν να κρατούν τα αντίπρωτόνια στην ίδια τροχιά, ενώ παράλληλα τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία επιβραδύνουν τα αντίπρωτόνια.   Η διαδικασία αυτή της ελάττωσης ενέργειας ονομάζεται ψύξη και τα αντισώματίδια μας θα χρειαστεί να κάνουν αρκετούς κύκλους μέχρι να επιβραδυνθούν αρκετά.  Κάποιες φορές ένα  αντιπρωτόνιο μετατρέπει ένα μέρος της δικής του ενέργειας σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, έπειτα από μία ιδιαίτερη διαδικασία.  Και σε ορισμένες από αυτές τις κάποιες φορές η ταχύτητα ενός ποζιτρονίου  είναι αρκετά κοντά στην ταχύτητα του άντιπρωτονίου ώστε τα δύο αυτά να έρθουν σε τέτοια θέση προκειμένου να δημιουργήσουν το αντι-υδρογόνο.

Ο δρόμος για να πάρουμε τις απαντήσεις που θέλουμε είναι ακόμα μεγάλος αλλά όπως έγραψε και  ο μεγάλος μας ποιητής Κωνσταντίνος Καβάφης:  Σαν βγεις στον πηγαιμό για την Ιθάκη να εύχεσαι να ναι μακρύς ο δρόμος…  Και ο δρόμος αυτός είναι μακρύς,  γεμάτος περιπέτειες και σίγουρα γεμάτος γνώσεις!