Antihmota: definice, vlastnosti, antičástice a anihilace

Ve fyzice se všechny elementární částice, neboli základní stavební kameny věcí, kterých se můžeme dotknout, vyskytují v párech. Každá částice má tzv. antičástici. Ta může vypadat a chovat se stejně jako běžná částice, až na jeden zásadní rozdíl. Příkladem jsou elektron a pozitron.

Ostatní částice antihmoty jsou na tom stejně, mají stejnou hmotnost a vypadají a chovají se stejně jako běžné částice, ale jejich elektrický náboj je opačný než u běžných částic. Například antivodík má pozitron, který je nabitý kladně, obíhá kolem antiprotonu, který je nabitý záporně, což je opačný způsob, než jak vypadá běžný vodík, který má elektron (záporný náboj), obíhající kolem protonu (kladný náboj).

Albert Einstein nalezl vzorec, podle kterého lze určit, kolik energie má určité množství něčeho, ať už jde o hmotu nebo antihmotu. Tento vzorec zní: E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. a je jednou z nejznámějších rovnic. Zjednodušeně řečeno, když vezmete hmotnost něčeho a pak ji vynásobíte rychlostí světla a pak ji opět vynásobíte rychlostí světla, dostanete, kolik má daný kus něčeho čistou energii. Protože rychlost světla je tak velké číslo, znamená to, že i malé množství hmoty může mít hodně energie (předpokládá se, že je 4krát účinnější na hmotnost než štěpení jádra).

V roce 1928 hledal fyzik Paul Dirac rovnici, která by předpověděla, jak by se měly chovat velmi rychlé částice. Existovala již jiná rovnice, která popisovala pomalu se pohybující částice, Schrödingerova rovnice, ale Einsteinova speciální teorie relativity říkala, že rychlé částice se mohou od pomalých částic velmi lišit. Dirac věděl, že částice jako elektrony se obvykle pohybují velmi rychle. Uvědomil si, že stará rovnice by pro rychlé částice neposkytovala dobré předpovědi. Proto přišel s novou rovnicí, která by dokázala popsat částice pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla.

Pro rychlé částice již neplatí, že energie je E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}. . Místo toho fungovala nová Diracova rovnice pro částice, kde byla energie dána vztahem E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}. . V nové rovnici pro energii se symbol p → {\displaystyle {\vec {p}}} nazývá hybnost a udává, jak rychle částice letí a jak těžké je ji zastavit. Tato rovnice říká, že velmi rychlé částice mají větší energii, takže se liší od pomalých částic. Každou stranu této rovnice můžete vynásobit druhou odmocninou, protože obě strany jsou si rovny. Každá skutečná odmocnina má však dvě odpovědi, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} a E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Odpověď se zápornou energií si můžete představit jako antihmotu.

Důvod, proč je to důležité pro pochopení antihmoty, je ten, že vědci zjistili, že když se hmota a antihmota vzájemně dotknou, množství energie, které se uvolní, se velmi blíží množství energie E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} říká, že by měla být v těchto dvou částech pohromadě. Důvodem je to, že každá částice hmoty se při dotyku se svou antičásticí ve světě antihmoty obě změní na čistou energii neboli vzájemně anihilují. Toto uvolnění tak velkého množství energie je důvodem, proč mnoho spisovatelů science fiction používá ve svých příbězích antihmotu jako palivo. Například autor Dan Brown používá antihmotu v knize Andělé a démoni jako velmi silnou zbraň. Uvažuje se o ní také jako o zdroji paliva pro skutečné mise do vesmíru v budoucnosti.

Mnozí vědci se domnívají, že v prvních okamžicích po velkém třesku, který před velmi dlouhou dobou vytvořil vesmír, se smísila hmota i antihmota. Pokud by velký třesk vytvořil stejné množství hmoty a antihmoty, pak by obě složky anihilovaly a staly se energií. Po dlouhé době by nezůstala žádná hmota ani antihmota, pouze energie. Náš dnešní vesmír však vypadá tak, že je téměř celý tvořen hmotou a téměř žádnou antihmotou. Fyzikové zatím s jistotou nevědí, že vzniklo stejné množství hmoty a antihmoty, a proto si také kladou otázku, kam se poděla antihmota a zda nějaká nezůstala z počátku vesmíru.

Jedním z vysvětlení je, že na počátku bylo jen o trochu více hmoty než antihmoty, takže to, co zbylo po anihilaci většiny hmoty a antihmoty na energii, se stalo převážně hmotným vesmírem, který vidíme dnes. Podle jiné teorie je spousta antihmoty na druhé straně vesmíru, ukrytá daleko za hranicemi našeho dohledu. Mohla také vytvořit vlastní galaxie a sluneční soustavy.

Protože antihmota dokáže vyrobit tolik energie, lze ji využít k mnoha účelům, například jako palivo pro lety do vesmíru nebo v našich autech. Problém je, že výroba antihmoty je velmi drahá a téměř stejně drahé je její skladování, protože se nemůže dotýkat běžné hmoty. Na výrobu méně než jedné miliontiny gramu antihmoty je potřeba několik set milionů dolarů. Ve skutečnosti je to nejdražší a nejvzácnější látka na Zemi. Protože je tak drahá, znamená to, že antihmotu není praktické používat jako zbraň nebo zdroj energie, protože se jí dá získat tak málo.

Nedávno však vědci zachytili antihmotu na více než 16 minut (celkem 1000 sekund).

Má své využití v medicíně, protože speciální druh skeneru zvaný PET, což je zkratka pro pozitronovou emisní tomografii, využívá pozitrony k průniku do lidského těla. Lékaři mohou sledovat, jak se pozitrony v těle člověka mění na energii, a zjistit, zda je v těle člověka něco v nepořádku. Tento druh přístroje funguje jinak než rentgen nebo magnetická rezonance a může lékařům pomoci vidět věci, které tyto přístroje vidět nemohou.