Śladowe ilości antymaterii powstają w procesach naturalnych, a od pewnego czasu również w naszych laboratoriach. Czy możemy jednak wykluczyć, że gdzieś w odległych zakątkach kosmosu, funkcjonują całe galaktyki, mgławice, gwiazdy i układy planetarne – złożone z antycząstek i antyatomów?

Wielka wojna anihilacyjna

Nigdy nie istniał powód, dla którego z błysku wiel­kiego wybuchu musia­łyby wyłonić się jedynie elek­trony, protony, neutrony i reszta “stan­dar­do­wej” mena­że­rii cząstek ele­men­tar­nych. Natura wręcz wymaga, aby w akcie prze­kształ­ca­nia energii w materię, każdej nowo naro­dzo­nej cząstce towa­rzy­szyła jej anty­cząstka. Potężna porcja pro­mie­nio­wa­nia gamma, daje zawsze jed­no­cze­sny początek ujemnie nała­do­wa­nemu elek­tro­nowi jak i pozy­to­nowi o ładunku dodatnim. To natu­ralna kolej rzeczy, wyni­ka­jąca z zasady zacho­wa­nia ładunku.

W tym miejscu mamy pełne prawo zapytać: dlaczego więc wszystko co znamy składa się akurat z elek­tro­nów, protonów i neu­tro­nów, a nie z pozy­to­nów, anty­pro­to­nów i anty­neu­tro­nów? (Na mar­gi­ne­sie, neutrony jak i anty­neu­trony co prawda posia­dają neu­tralny ładunek elek­tryczny, jednak ich wewnętrzna struk­tura się różni). Dlaczego wid­nie­jące na nie­bo­skło­nie gwiazdy to kule wodoru, a nie anty­wo­doru, zbu­do­wa­nego z anty­pro­to­nów okrą­ża­nych przez pozytony? Notabene, w CERN już dawno udało nam się wytwo­rzyć takie anty­atomy i dowieść, iż są elek­trycz­nie obojętne – nie inaczej od atomów zwykłego wodoru. Teo­re­tycz­nie nie powinno być więc kłopotów z powsta­niem związków che­micz­nych anty­wo­doru z innymi anty­pier­wiast­kami. Można by zatem skon­stru­ować anty­pla­netę zamiesz­kałą przez anty­or­ga­ni­zmy oddy­cha­jące anty­po­wie­trzem i pijące antywodę.
Proton i antyprotonNaj­bar­dziej roz­po­wszech­niona jest teza, jakoby w pierw­szych sekun­dach po wielkim wybuchu, nie­mow­lęcy wszech­świat rze­czy­wi­ście wypeł­niały cząstki i anty­cząstki. W idealnym sce­na­riu­szu – tj. gdyby materii i anty­ma­te­rii było abso­lut­nie tyle samo – wszyst­kie drobiny uległyby ani­hi­la­cji wracając do postaci pro­mie­nio­wa­nia gamma. Ku chwale symetrii. Wiemy jednak, że do tego nie doszło, czego naj­lep­szym dowodem jest fakt, że sie­dzi­cie teraz przed moni­to­rem i czytacie te słowa. Oznacza to, iż łut szczę­ścia lub któraś z cech fizyki mikro­świata, pozwo­liła zachować mini­malną przewagę materii i wyjść jej z tej batalii z tarczą. Owa resztka cząstek, które prze­trwały, składa się na wszystko co obser­wu­jemy obecnie w kosmosie.

Czy antymateria się schowała?

Przyj­mijmy jednak inny sce­na­riusz, nieco strasz­niej­szy, ale i cie­kaw­szy. Wyobraźmy sobie, że młody wszech­świat eks­pan­do­wał tak gwał­tow­nie, iż nie wystar­czyło czasu aby każda drobina mogła trafić na swe lustrzane odbicie i ulec znisz­cze­niu. W takim wypadku, współ­cze­sny kosmos mogłyby wypeł­niać w równym stopniu gromady galaktyk zbu­do­wane z kla­sycz­nej materii, jak i grupy anty­ga­lak­tyk – oddzie­lone od siebie gigan­tycz­nymi obsza­rami pustki. Roz­ko­szu­jąc się cudow­nymi foto­gra­fiami wyko­ny­wa­nymi przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a widzie­li­by­śmy zarówno jedne jak i drugie. Co by je odróż­niało? Właśnie w tym problem. Nic.

Dzięki spek­tro­sko­pii astro­no­mo­wie potrafią bez więk­szych kłopotów podać skład che­miczny dowol­nego ciała nie­bie­skiego. Potrze­bują do tego jedynie analizy docie­ra­ją­cego do Ziemi światła, cha­rak­te­ry­stycz­nego dla poszcze­gól­nych pier­wiast­ków. Dlatego nie musimy odwie­dzać egzo­pla­nety ani nawet jej zbyt dobrze widzieć, aby stwier­dzić obecność na jej powierzchni tlenu czy węgla. Ta sama metoda nie rozwiąże jednak naszej zagwozdki. Światło składa się z fotonów, a foton de facto pozo­staje anty­cząstką sam dla siebie.
Anihilacja oraz kreacja par z udziałem materii i antymaterii

Prosty schemat ani­hi­la­cji i kreacji par. Zauważmy, że fotony są zawsze takie same.

Wszelkie przejawy pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego emi­to­wa­nego przez anty­gwiazdy, nie będą się więc różniły niczym, od światła naszych gwiazd. Oczy­wi­ście nie możemy być tu zupełnie pewni czy hipo­te­tyczne anty­ciało nie­bie­skie wyglą­da­łoby dokład­nie tak samo jak każde inne – ponieważ sami nie zgro­ma­dzi­li­śmy dotąd anty­ma­te­rii w ilo­ściach pozwa­la­ją­cych na zaob­ser­wo­wa­nie takiej grudki nie­uzbro­jo­nym okiem (z czym mogli­ście się zetknąć m.in. w książce Anioły i demony). Mimo to, nie mamy powodów aby domnie­my­wać ist­nie­nia jakichś wyjąt­ko­wych kolorów lub innych nie­ty­po­wych cech wizu­al­nych sub­stan­cji zło­żo­nych z anty­ato­mów.

Kiedyś sądzono, że jeśli nie światło, to może gra­wi­ta­cja pomoże ziden­ty­fi­ko­wać anty­ga­lak­tyki. Tego typu myślenie pre­fe­ro­wał nieco kon­tro­wer­syjny włoski fizyk Ruggero Santilli z Uni­wer­sy­tetu w Turynie. Był on święcie prze­ko­nany, iż anty­ma­te­ria powinna oddzia­ły­wać w sposób nie­ty­powy; a nawet gene­ro­wać coś na kształt efektów anty­gra­wi­ta­cyj­nych (przy okazji Santilli próbował nanieść własne poprawki na ogólną teorię względ­no­ści). Nie udało mu się jednak poprzeć swoich publi­ka­cji żadnymi danymi obser­wa­cyj­nymi, co raczej nie dziwi współ­cze­snych fizyków. Anty­cząstki różnią się od swojego rodzeń­stwa jedynie prze­ciw­stwa­nym ładun­kiem elek­trycz­nym. Pozyton posiada masę iden­tyczną z elek­tro­nem i nie ma powodu aby obie cząstki ele­men­tarne miały inaczej naciskać na płótno cza­so­prze­strzeni. Ale tu znów, z ana­lo­gicz­nych powodów co powyżej, musimy zostawić sobie margines omyłki. Nie bada­li­śmy nigdy większej ilości anty­ma­te­rii a jedynie poje­dyn­cze drobiny, których masa jest zde­cy­do­wa­nie zbyt mała aby móc zmierzyć wywo­ły­wane przezeń efekty gra­wi­ta­cyjne.

Czy jest zatem jaka­kol­wiek poszlaka pozwa­la­jąca w ogóle rozważać sce­na­riusz odle­głych anty­ga­lak­tyk? Albo raczej, czy wiemy w ogóle czego szukać?

Łapanie antycząstek

W 2011 roku na Mię­dzy­na­ro­do­wej Stacji Kosmicz­nej zain­sta­lo­wany został Magne­tyczny Spek­to­metr Alfa. Ważący 7 ton moduł ana­li­zuje docie­ra­jące w pobliże Ziemi pro­mie­nio­wa­nie kosmiczne. Celów takiego badania jest oczy­wi­ście wiele, lecz entu­zja­ści poszu­ki­wań kosmicz­nych skupisk anty­ma­te­rii łączą z nim wyjąt­kowe nadzieje.

W promieniowaniu kosmicznym brakuje antycząstek

Pro­mie­nio­wa­nie wpa­da­jące w atmos­ferę daje początek wielu różnym cząstkom.

Co kon­kret­nie marzy im się znaleźć? Niestety nie chodzi o uchwy­ce­nie jakiej­kol­wiek anty­cząstki, bo to zro­bi­li­śmy już dawno temu. Drobiny wpa­da­jące w powie­trze z ogromną pręd­ko­ścią, zacho­wują się podobnie do tych roz­pę­dza­nych przez naukow­ców w akce­le­ra­to­rach. Nie szokują nas więc śladowe ilości pozy­to­nów i anty­pro­to­nów, będących pro­duk­tami zderzeń w górnych war­stwach atmos­fery. Tym, co mogłoby pod­eks­cy­to­wać uczonych, byłoby zło­wie­nie atomu lub przy­naj­mniej jądra antyhelu. Mało praw­do­po­dobne aby powstał on samo­rzut­nie w atmos­fe­rze, toteż dawałaby to asumpt to snucia dalszych rozważań. Tak jak Słońce emituje znaczną ilość jąder helu (czyli cząstek alfa), tak wśród wyziewów hipo­te­tycz­nych anty­gwiazd powinny znaleźć się jądra antyhelu (czyli anty­czą­stek alfa). Gdybyśmy wyłapali strumień takiego anty­pro­mie­nio­wa­nia, dobie­ga­ją­cego z kierunku kon­kret­nej galak­tyki, zyska­li­by­śmy nie­ba­ga­telną poszlakę. Jednakże, na chwilę obecną polo­wa­nia pozo­stają bez­owocne.

Może i to lepiej? Jak zapewne wiecie, ani­hi­la­cja cząstki z anty­cząstką oznacza uni­ce­stwie­nie obu obiektów ze stu­pro­cen­tową wydaj­no­ścią. Cała masa ulega kon­wer­sji w czystą energię i neutrina, w zgodzie ze słynnym rów­na­niem Ein­ste­ina. Nie­wielka bryłka anty­ma­te­rii zawsty­dzi­łaby swoją mocą cały ziemski arsenał masowego rażenia.

Mówimy o zaledwie kilku, kil­ku­na­stu gramach tego mate­riału. Wyobraź­cie sobie teraz ani­hi­la­cję ciał nie­bie­skich: dwóch gwiazd, albo, o zgrozo, pary galaktyk. Pomy­śl­cie o eks­plo­zji, przy której wszelkie super­nowe i roz­bły­ski gamma, wydają się zaledwie drobnymi tąp­nię­ciami na bez­kre­snym nie­bo­skło­nie.

Literatura uzupełniająca:
S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesny obraz początku wszechświata, przeł. A. Blum, Warszawa 1980;
M. Kaku, Fizyka rzeczy niemożliwych. Naukowa wyprawa do świata fazerów, pól siłowych, teleportacji i podróży w czasie, przeł. B. Bieniok, Warszawa 2011;
K. Tate, How the Antimatter-Hunting Alpha Magnetic Spectrometer Works (Infographic), [online: www.space.com/11673-nasa-alpha-magnetic-spectrometer-antimatter-infographic-explainer.html];
R. Santilli, The mystery of detecting antimatter asteroids, stars and galaxies, [online: www.santilli-foundation.org/docs/antimatter-asteroids.pdf].
podpis-czarny

  • pl

    …łud? A co to?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Cynka

    Ciekawy artykuł, ale zasta­na­wia mnie jedna kwestia. Biorąc pod lupę pierwszą, naj­bar­dziej roz­po­wszech­nioną tezę na powsta­nie materii i anty­ma­te­rii oraz odnosząc się do zasady zacho­wa­nia ładunku, w jaki sposób cząstki i anty­cząstki nie uległy natych­mia­sto­wej ani­hi­la­cji? Czy istnieje jakaś teoria/hipoteza, która by tłu­ma­czyła ten fenomen? Jest to bardzo inte­re­su­jący problem, który chcia­ła­bym zgłębić, ale potrze­buję punktu zacze­pie­nia.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Ile książek, tylu autorów roz­kła­da­ją­cych w tym miejscu ręce. Tzn., owszem — hipotezy istnieją — ale nikt nawet nie udaje, że są one zado­wa­la­jące. Zwo­len­nicy inflacji kosmo­lo­gicz­nej przyj­mują np., że w tym pier­wot­nym piekle leptony i kwarki mogły tworzyć nie­wy­stę­pu­jące dzisiaj cząstki X i w nich mogły zachować się więcej cząstek materii. (Szcze­gó­łów w tym momencie nie przy­wo­łam, bo nie posiadam przy sobie książki Gutha). Koniec końców, gdybyśmy posia­dali zado­wa­la­jącą hipotezę, wszystko stałoby się jasne, a roz­wa­ża­nia takie jak powyższe w ogóle nie miałyby racji bytu.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • jo44

        Może w chwili wiel­kiego wybuchu powstały dwa światy: nasz i ten z anty­ma­te­rii? Nie byłoby problemu z ani­hi­la­cją.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Dawid

    Można by sobie pote­ore­ty­zo­wać w ten sposób: Zakła­da­jąc na chwile, ze galak­tyki złożone z anty­ma­te­rii generują pole anty gra­wi­ta­cyjne czyli de facto odpy­chają wszystko od siebie są w tej chwili cał­ko­wi­cie bez­pieczne bo anty gra­wi­ta­cja dba, aby nie zbliżała się do nich materia. Wiec spo­koj­nie sobie dryfują w pustym wszech­świe­cie i nikomu nie wadzą.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Dominik Kurek

      Pytanie, czy anty­gra­wi­ta­cja pozwo­li­łaby na stwo­rze­nie skupisk anty­ma­te­rii

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Kamil Bruchal

        Nie bardzo rozumiem jak ta anty­gra­wi­ta­cja miałaby działać, ale jeżeli materia przy­ciąga materię i odpycha anty­ma­te­rię to może anty­ma­te­ria też przy­ciąga anty­ma­te­rię. Trochę odwrot­nie niż z elek­tro­ma­gne­ty­zmem.
        Ale to bajanie bez podstaw.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Sta­ni­sław Mił­kow­ski

      Anty­ma­te­ria nie wytwarza anty­gra­wi­ta­cji, tylko normalną siłę ciążenia.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Kordian Zadrożny

    A może to my jesteśmy anty?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Kwestia nazwy jest tu nie istotna. Roz­wi­nięta wersja pytania brzmi: dlaczego w naszych atomach ujemnie nała­do­wane elek­trony okrążają dodatnie jądra, a nie na odwrót.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Marcin Makowski

    Hm, wypro­wadź­cie mnie z błędu jeśli moje rozu­mo­wa­nie jest błędne, ale skoro przyj­miemy powszechne wystę­po­wa­nie anty­ma­te­rii (a tym samym moż­li­wość kolizji z materią, a tym samym ani­hi­la­cji dającej jak Autor zauważa nie­praw­do­po­dobną wręcz ilość energii, nie dającej się porównać z naj­sil­niej­szymi nawet wybu­chami super­no­wych czy roz­bły­skami gamma, to czy w takiej sytuacji — przy­padki takich spek­ta­ku­lar­nych wydarzeń nie zosta­łyby do tej pory zauwa­żone? 🙂

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Arek Wit­t­brodt

      Dokład­nie tak samo rozumuje Stephen Hawking.

      Dosłow­nie parę dni temu skoń­czy­łem czytać “Krótką historię czasu” i w książce zadane jest dokład­nie to samo pytanie. Hawking udziela nastę­pu­ją­cej odpo­wie­dzi (piszę z głowy):

      Jeśli istnieją we wszech­świe­cie obszary wypeł­nione anty­ma­te­rią, to w strefach gra­ni­czą­cych z obsza­rami wypeł­nio­nymi materią musi docho­dzić do ani­hi­la­cji i musi być pro­du­ko­wane cha­rak­te­ry­styczne pro­mie­nio­wa­nie (zakładam, że chodzi o pro­mie­nio­wa­nie gamma o cha­rak­te­ry­stycz­nej energii), które można by wykryć.

      Jak dotąd takiego pro­mie­nio­wa­nia nie wykryto.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Marcin Makowski

        Wow, biorę to za mega kom­ple­ment 🙂 Dziękuję 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Tak jak napisał Arek, istnieje szansa, że ewen­tu­alny błysk po zde­rze­niu materii z anty­ma­te­rią mogli­by­śmy pra­wi­dłowo zin­ter­pre­to­wać. Wiemy jak mniej więcej pro­cen­towo wygląda pro­mie­nio­wa­nie emi­to­wane przy eks­plo­zji super­no­wej czy przy roz­bły­sku gamma (ile neutrin, ile światła widzial­nego, ile pro­mie­nio­wa­nia gamma itp.). Ale jak zauwa­ży­łeś, jako że niczego takiego nie napo­tka­li­śmy, to dość mało praw­do­po­dobna hipoteza i raczej zakła­damy, że dużych skupisk anty­ma­te­rii we wszech­świe­cie nie ma.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Arek Wit­t­brodt

        Dla uzu­peł­nie­nia: spraw­dzi­łem dokład­nie w książce — Hawking pisze o “pro­mie­nio­wa­niu o dużym natę­że­niu” a nie, jak napi­sa­łem o “cha­rak­te­ry­stycz­nym pro­mie­nio­wa­niu”. (polski przekład)

        Czyli trochę minąłem się z rze­czy­wi­sto­ścią pisząc swój komen­tarz 😉 (co, jak myślę, niczego w sumie nie zmienia, bo potwier­dzi­łeś to, co pisał Hawking, jego wniosek do którego doszedł, podając tylko inne — i chyba lepsze wg. mnie — wyja­śnie­nie?)

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Ale cha­rak­te­ry­styka również jest istotna. Akurat nie pamiętam tego wątku u Hawkinga, ale wielu autorów go pod­no­siło; cho­ciażby Michio Kaku.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Arek Wit­t­brodt

    Coś mi przyszło do głowy, ale w sumie to nie wiem, co by miało z tego wynikać.

    Wspo­mnia­łeś o zasadzie zacho­wa­nia ładunku. Czy dobrze mówię, że wszech­świat jest elek­trycz­nie obojętny? Ale jeśli tak, to ta obo­jęt­ność wynika z równej ilości protonów i elek­tro­nów, dobrze mówię? A one nie są wcale swoimi anty­cząst­kami.

    Jak powie­dzia­łem, nie wiem, co miałoby z tego wynikać, ale jeśli dobrze cię zro­zu­mia­łem, w momencie “wiel­kiego wybuchu” z energii miałaby powstać rów­no­ważna ilość cząstek i anty­czą­stek ze względu na zasadę zacho­wa­nia ładunku. To co napi­sa­łem powyżej (jeśli jest prawdą) usuwa poniekąd tę koniecz­ność (ale nic więcej).

    No i czemu powstała taka sama ilość protonów i elek­tro­nów?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Nie, nie, nie, to nie tak ;). To zupełnie różne cząstki i powstały nie­za­leż­nie. Przede wszyst­kim protony same w sobie od razu się nie naro­dziły: najpierw był moment zaist­nie­nia tzw. zupy kwarkowo glu­ono­wej i dopiero z tych kwarków mogły formować się protony i neutrony. A kwarki, tak jak elek­trony rodziły się z pier­wot­nego pro­mie­nio­wa­nia gamma i w myśl zasady zacho­wa­nia ładunku kreowały się pary kwark-anty­kwark. Wła­ści­wie to — zależnie od modelu — era lep­to­nowa i kreacja elek­tro­nów z pozy­to­nami, zaczęła się ułamek sekundy później.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Maciej

    Myślę że ta hipoteza może okazać się praw­dziwa jednak nigdy nie uda nam się jej zwe­ry­fi­ko­wać. Aby to zro­zu­mieć należy mieć na uwadze że według sza­cun­ków nie­któ­rych kosmo­lo­gów cały wszech­świat jest nie­wy­obra­żal­nie większy nawet 10^38 razy od wszech­świata obser­wo­wal­nego , lub nawet nie­skoń­czony. Więc być może istnieją anty-galak­tyki lub części wszech­świata w których jest tylko anty­ma­te­ria, jednakże są tak nie­wy­obra­żal­nie daleko że ich światło nigdy do nas nie dotrze.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Miki Roż

    Czyli, jak dobrze rozumiem, nie mie­li­by­śmy szans zbadać takiej anty­ga­lak­tyki oso­bi­ście, ponieważ ule­gli­by­śmy ani­hi­la­cji?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Zależy co rozu­miesz poprzez badanie. Zakła­da­jąc, że takowa istnieje, możemy ją sobie oglądać, ale raczej niewiele ponadto.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Miki Roż

        Chodziło mi o to, że gdyby hipo­te­tycz­nie w jakiś sposób ludz­ko­ści lub jakie­mu­kol­wiek innemu ist­nie­niu opartemu na materii udało się dotrzeć do takiej anty­ga­lak­tyki — np. podróżą przez czarną dziurę lub innym nie­zna­nym sposobem — co wtedy? Czy po prostu nasze zetknię­cie z granicą ist­nie­nia anty­ma­te­rii spo­wo­duje natych­mia­stową ani­hi­la­cję i wyzwo­le­nie w to miejsce czystej energii? Czy da się przed tym w jakiś sposób uchronić?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        No niestety. Zetknię­cie materii naszych ciał czy statków z jaką­kol­wiek grudką anty­ma­te­rii dopro­wa­dzi do olbrzy­miej eks­plo­zji. Wątpię czy dałoby się cokol­wiek w tej sytuacji zrobić. Chyba, że uży­wa­li­by­śmy czegoś w stylu magne­tycz­nego pola ochron­nego, ale wtedy trudno byłoby cokol­wiek badać.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Rafał Przybysz

    Rozumiem, że raczej nie istnieje moż­li­wość, by w naszej galak­tyce znaj­do­wały się takie systemy z anty­pla­ne­tami i anty­gwiaz­dami?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • http://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      W naszej galak­tyce to skrajnie nie­praw­do­po­dobne. Zresztą powsta­nie takiego rodzynka w galak­tyce złożonej ze “zwykłej” materii nie wydaje się możliwe.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0