¿Qué es la antimateria?
Todo el mundo sabe que nuestro mundo está compuesto de materia, y la materia está compuesta de partículas microscópicas como átomos y moléculas. Pero la antimateria es todo lo contrario. Está compuesta por antipartículas de átomos y moléculas, es decir, antiátomos y antimoléculas. Por tanto, la llamada antimateria aquí se refiere a tener propiedades completamente opuestas a las de la materia.
Esta definición de antimateria lleva mucho tiempo propuesta, pero primero hay que empezar con la predicción y descubrimiento de los positrones. Ya en 1928, el físico británico Dirac descubrió este fenómeno mientras intentaba combinar los principios más importantes del siglo XX, la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, y predijo la existencia de los positrones. Y todo esto es causado por soluciones a la ecuación de onda relativista establecida por Dirac que arrojan valores de energía negativos. En el proceso de resolver esta ecuación, a Dirac-*** se le ocurrieron 4 soluciones que describen el estado interno del electrón, que se utilizó para ilustrar que el electrón debería tener 4 estados internos. Dos de los estados pueden explicarse por el espín del electrón y la presencia de su propio momento magnético; sin embargo, las soluciones a los valores de energía negativos obtenidas al resolver las dos soluciones adicionales de la ecuación llevaron a conclusiones extrañas.
De lo anterior se puede ver que si un electrón realmente puede existir en un estado de energía negativa, entonces no podrá desacelerar lentamente y eventualmente detenerse debido a la colisión con otras partículas, sino que acelerará más rápido. y más rápido, hasta que su velocidad alcanza la velocidad de la luz. Sin embargo, del análisis de las ecuaciones relativistas se desprende claramente que esta propiedad no se puede realizar. Entonces a Dirac se le ocurrió su famosa hipótesis.
La hipótesis que planteó es la siguiente: Lo que todos los días llamamos vacío en realidad no es un vacío, sino un sistema con dos electrones en todos los niveles de energía negativos. Por tanto, en un vacío puede haber un número infinito de electrones. en él, y todos los niveles de energía negativos están ocupados por electrones. Según el principio de Pauliting, es imposible que un electrón salte a un nivel de energía negativo que ya esté ocupado, por lo que tiene que permanecer en uno de los niveles de energía positivos. Por lo tanto, los electrones en el nivel de energía negativo deben saltar al nivel de energía positiva después de ser excitados. En este proceso, al igual que el proceso inverso de un electrón saltando de un nivel de energía positivo a un nivel de energía negativo, suele ser muy probable que suceda siempre que sea excitado por un fotón con energía mayor que el nivel de energía.
Si realmente sucede, entonces este electrón con energía positiva provocará que aparezca un agujero en la posición del nivel de energía negativa de la que salta. ¿Cómo explicar este agujero? Pongamos un ejemplo a continuación. Si tenemos varios globos llenos de hidrógeno atados a nuestras manos, nuestras manos sentirán una fuerza de tracción hacia arriba. Si de repente se rompe la cuerda de uno de los globos, inmediatamente sentiremos una fuerza de tracción hacia arriba. Desde el punto de vista negativo, también podemos interpretarlo como una fuerza adicional de tracción hacia abajo. De la misma manera, un hueco al que le falta un electrón en un nivel de energía negativo se comporta como si allí se produjera una partícula cargada positivamente con energía positiva. Esta partícula es lo que llamamos positrón.
Según el razonamiento anterior, esta es la primera vez que el ser humano predice teóricamente la existencia de antipartículas. Luego, en 1932, Carl Anderson descubrió y confirmó la existencia de positrones mediante el experimento de destratificación de Wilson sobre rayos cósmicos. Después de que Anderson descubriera el positrón, Chamberlain descubrió el antiprotón en 1955 y el neutrón en 1956. Alrededor de la década de 1960, se descubrieron posteriormente una serie de antipartículas. El descubrimiento de las antipartículas una tras otra hizo que la gente se preguntara si todas las partículas tenían antipartículas correspondientes.
Inmediatamente después, en una serie de experimentos, se descubrió que, excepto unas pocas partículas, como los fotones, que tienen antipartículas, casi todas las partículas tienen antipartículas. Los seres humanos han creído que el universo es simétrico desde la antigüedad, lo que hace pensar que si las partículas pueden formar materia, ¿por qué las antipartículas no pueden formar antimateria? La teoría del Big Bang sobre el origen del universo, actualmente reconocida por el público, afirma claramente que la antimateria existe y también predice que debería haber cantidades iguales de materia y antimateria en el universo.
Sin embargo, el camino para explorar la antimateria es largo y difícil.
Han pasado casi 70 años desde que se descubrió la primera antipartícula. Durante este período, la gente sólo ha obtenido algunas antipartículas a través de experimentos, y sólo en los últimos años se ha sintetizado artificialmente el primer antiátomo, el átomo de antihidrógeno. Sin embargo, no se ha encontrado nada sobre otros tipos de antiátomos y antimoléculas que puedan constituir antimateria, y mucho menos antimateria. La razón de estas dificultades es que todas las antipartículas descubiertas se obtienen de rayos cósmicos, y los rayos cósmicos primero deben atravesar una atmósfera de 3000 a 4000 kilómetros de espesor para llegar a la Tierra, por lo que la mayoría de las antipartículas de los rayos son neutralizadas por partículas en la atmósfera antes de llegar a la Tierra. Por lo tanto, hay muy pocas antipartículas que las personas puedan detectar, y las antipartículas son muy inestables y pueden aniquilarse fácilmente con las partículas de materia circundantes.
Por lo tanto, la opinión de los científicos es que es imposible que exista antimateria en el mundo material en el que vivimos ahora. Incluso si existiera, neutralizaría rápidamente la materia circundante. Por lo tanto, sólo podemos depositar nuestra esperanza en explorar la antimateria en el universo. Puede haber un espacio en las profundidades del universo completamente opuesto al mundo material, donde habrá una gran cantidad de antimateria. A partir de esta consideración, científicos de muchos países han trabajado juntos durante varios años para finalmente llegar a una conclusión. la "Conferencia de Espectrometría Magnética Alfa" Asciende al espacio. Después de un viaje espacial de 10 días, realizará una detección preliminar de si hay antimateria en el universo. En 2002, el "Espectrómetro Magnético Alfa" se colocará en la recién formada estación espacial "Discovery" y, a partir de entonces, comenzará la detección a gran escala de antimateria.
En realidad, si se demuestra que la antimateria es real, este será el experimento más poderoso para verificar la teoría existente sobre el origen del universo y la teoría de la mecánica cuántica relativista establecida sobre esta base. Todos sabemos que según la ecuación masa-energía de Einstein E=mc2, la masa reducida de materia se convertirá en energía. La reacción nuclear actual aprovecha esto, pero la reacción nuclear no puede convertir completamente la masa en energía; y la antimateria se neutraliza porque producen fotones r de masa cero, por lo que su masa se convertirá completamente en energía. La energía liberada por la fisión completa de 1 kilogramo de uranio-235 equivale a la energía química liberada por la combustión completa de 2.000 toneladas de carbón de alta calidad. ¡La energía liberada por la neutralización de materia y antimateria de la misma masa es más de 3200 veces mayor que la del uranio 235! Por tanto, la exploración de la antimateria también es de gran importancia para la sociedad moderna, donde la energía es relativamente escasa. Si los resultados de la detección prueban que no hay antimateria en el universo. Esto, entonces, sería una modificación de la teoría existente que no supone la mayor modificación en los fundamentos de la física teórica.