Pre nekoliko godina moj otac i ja smo napisali veliku knjigu, kojoj po sadržaju nema konkurencije na našem govornom području. U njoj su predstavljene teme iz nekoliko oblasti prirodnih nauka: astronomije, matematike, elektrotehnike, fizike, geologije, biologije, antropologije, itd. Na koji način su pisani tekstovi, koji nivo znanja i informisanosti pokriva i kome se knjiga obraća? Danas bih predstavio jedan deo teksta iz knjige, koji govori o neobičnoj pojavi u svetu mikročestica, temi koja podjednako zaokuplja fizičare i pisce naučne fantastike.
Postojanje čestica antimaterije direktna je matematička posledica principa Kvantne mehanike i Specijalne teorije relativnosti. Veza između čestice i antičestice je uzajamna. Pozitron (e+) je antičestica elektronu (e–), a u isto vreme je elektron antičestica pozitronu. Pozitron, kao antičestica, ima suprotan električni naboj od elektrona a istu masu i spin. Ekvivalenti antičesticama bez naelektrisanja, kao što je npr. neutron, pošto ne mogu da poseduju suprotno naelektrisanje, poseduju magnetni momenat suprotnog znaka.
Kad se elektron sudari sa pozitronom naboji se ponište (anihiliraju), a energija njihovih masa pretvori se u zračenje (dva fotona gama zračenja). To je razlog zašto se pozitroni retko sreću u prirodi, jer se odmah sudaraju sa elektronima i nestaju u anihilaciji. Otkriven je tek 1932. godine i to u kosmičkim zracima. Važno je napomenuti da proces anihilacije može ići i suprotnim smerom, tj. dva fotona dovoljne energije (oko 1 MeV) mogu pri sudaru proizvesti par elektron–pozitron, pri čemu se energije virtualnih fotona pretvaraju u mase elektrona i pozitrona. To se zove proizvodnjom parova.
Da bi dva fotona pri čeonom sudaru proizveli pozitron i elektron, potreban je jedan uslov, a to je da energija svakog fotona prevazilazi energiju mirovanja pozitrona ili elektrona, a ona, po jednačini E = m·C2, iznosi za elektron (ili pozitron, pošto su iste mase) ~ 0,511 MeV. Osim ovoga, potrebno je znati graničnu temperaturu pri kojoj fotoni mogu posedovati toliku energiju. Tu temperaturu možemo izračunati ako vrednost energije mirovanja podelimo sa Štefan–Bolcmanovom konstantom koja iznosi:
8,6173385(73)×10–5 eV po Kelvinu (eV/K)
Ta vrednost iznosi oko 6×109 (K), odnosno, šest milijardi kelvina. Šta to znači? To znači da bi pri međusobnim sudarima fotona na svakoj temperaturi višoj od ove bio stvoren po jedan par elektrona i pozitrona[1]. Da bismo pojmili kolika je to temperatura, recimo da je u središtu Sunca ”svega” 1,5×107 kelvina.
Opšte je pravilno moderne fizike da za svaku česticu u prirodi postoji odgovarajuća antičestica sa istom masom a suprotnim električnim nabojem i magnetnim momentom. Od tog opšteg pravila izuzetak čine svega par čestica, poput fotona i neutralnog piona, koje su zapravo same sebi i antičestice. Fotoni su izuzetni još po nečemu, jer su u snažnom električnom polju, kao što je ono oko nukleusa, fotoni gama zračenja u stanju da stvore parove elektrona/pozitrona. Tako nešto se dešavalo u prvoj sekundi nakon Velikog praska, kada je nastajao Svet i kada su vladale nepojmljive temperature. Rekli smo da je postojanje pozitrona kao antielektrona teorijski prvi predvideo Pol Dirak 1928. godine. Njegovim otkrićem 1932. godine potvrđena je teorija antičestica i jednovremeno dokazano da proton ne predstavlja elektronovu antičesticu, jer proton već ima svoju koja se zove antiproton i koji će 1955. godine biti otkrivena na Berkliju.
Za svaku česticu postoji odgovarajuća antičestica, osim za nekoliko neutralnih koje su same sebi antičestice, ali na zaprepašćenje svih je otkriveno da to ne važi za sve čestice bez naelektrisanja, što je predstavljalo narušavanje jednog od naših najosnovnijih postulata. Tek kasnije su utvrđeni pravi razlozi za to. Ipak, zašto u vasioni ima više bariona od antibariona još uvek intrigira naučnike.
Ostaje, dakle, da je antineutrino antičestica neutrinu, da je antiproton antičestica protonu, itd. Antimaterija se jednostavno sastoji od antiprotona, antineutrona, i antielektrona ili pozitrona. Najprostiji ”atom” sačinjen od antičestica jeste pozitronijum, elektronski i pozitronski par, koji se može na kratko pojaviti pre njihove anihilacije.
Ranije se verovalo da negde u dubinama vasione postoje čitave galaksije antimaterije ali današnja osmatranja opovrgavaju te teorije. Eksperimenti sa neutralnim kaonima koje su 1964. godine na Prinstonu izveli Val Fič(Val Fitch) i Džon Kronin (John Cronin) dokazali su određene asimetrije u reakcijama materije i antimaterije (narušavanje CP simetrije), što je objasnilo prevagu obične materije oko nas nad antimaterijom. Za to su 1980. godine podelili Nobelovu nagradu za fiziku.
Kombinujući pozitrone i antiprotone, naučnici italijansko–nemačkog tima, na čelu sa Valterom Elertom (Walter Oelert), iz Evropskog centra za nuklearna istraživanja u Švajcarskoj (CERN) su septembra 1995. godine veštački stvorili prve atome antimaterije: bilo je to devet atoma antivodonika (jedan pozitivno naelektrisan pozitron se okreće oko negativno naelektrisanog antiprotona). Životni vek im je bio svega 40 milijarditih delova sekunde, ali kad nemaš ništa i to je nešto.
Činjenica da se celokupna masa čestica neke materije može pretvoriti u čistu energiju veoma je primamljiva za čovečanstvo pritisnuto sve izvesnijom krizom energetskih resursa planete Zemlje. Energija zapretena u kubnom santimetru materije mnogo je veća od one dobijene hemijskim ili nuklearnim reakcijama. Sudarom jednog kilograma antimaterije sa jednim kilogramom materije moglo bi da proizvede 1,8×1017 džula energije. Za poređenje, sagorevanjem jednog litra benzina oslobađa se 4,4×107 J, a nuklearnom fuzijom kilograma vodonika oko 2,6×1015 J (3,6×1012 J = 1.000.000 kW h).
Kao društvo, još uvek smo daleko od eventualne upotrebe antimaterije kao efikasnog izvora energije, jer i danas svet proizvede svega oko 1–10 nanograma antimaterije godišnje. Ograničavajući faktor je i cena – troškovi dobijanja jednog grama antimaterije su oko 25 miliona dolara, što je oko 1.000 puta skuplje od goriva korišćenog za spejs šatlove.
Anihilacija
Šta je sad to? To je poništavanje nečega – od nečega, postaje ništa. Pri sudaru nuklearnih čestica nastaje još jedan neočekivan (od koga neočekivan? Od naučnika nikako!) proces nazvan anihilacija.
Kad se elektron sudari sa svojom antičesticom, a to je pozitron (ime mu kaže da je pozitivno naelektrisan), nestaju oba! Je li to, za ime boga, moguće? Jeste – čestice nestaju. Nestaje elektron i nestaje pozitron. A ostaje li išta? To je pravo pitanje. Ostaje, dabome – ostaje energija. Energija u vidu i obliku jednog fotona. Šta onda biva sa fotonom? Profesor Lederman kaže da se taj foton, prema zakonu o održavanju energije, ne može održati, već se opet pretvara u jedan određeni par čestica, jedan elektron i jedan pozitron, ili (ređe) raspadne se na jedan mion i jedan antimion, odnosno na proton i antiproton.
Prema poznatoj Ajnštajnovoj jednačini da je energija jednaka proizvodu mase i kvadrata brzine svetlosti, anihilacija pretvara masu u energiju i potvrđuje tačnost ove Ajnštajnove teorije.
Ako se jedan elektron i jedan pozitron (antielektron) sudare velikom energijom mogu da preko virtualnog fotona ili virtualnog Z bozona anihiliraju stvarajući B0 i B̄0 mezone. Na prikazu se vide gluonski oblaci, a strelice prikazuju pravac kretanja nastalih kvarkova.
Energija mirovanja jednog protona iznosi oko 1 GeV. Energija ubrzane čestice u sudaru mora biti bar dva puta veća. Što je energija ubrzane čestice veća, to je veća verovatnoća da dođe do sudara i lakše je detektovati dobijene čestice, zato što one steknu i nešto kinetičke energije.
Pri eksploziji jedne nuklearne bombe, samo jedan deo od 1% njene ukupne mase pretvori se u energiju. Kad se sudare čestice materije i čestice antimaterije, masa iščezne 100%. Kad sagorevamo ugalj ili naftu, samo jedan milijarditi deo mase pretvara se u energiju. U fisionim reaktorima samo 0,1 procenat mase goriva pretvara se u energiju. U očekivanom veštačkom fuzionom procesu, na kome se već decenijama radi, očekuje se da će 0,5% mase preći u energiju.
Iz ovoga upoređenja se može zaključiti kolika je ogromna energija dobijena pri sudaru materije i antimaterije, kada sva masa “ode” u energiju. Jedini problem je kako doži do kojeg kilograna antimaterije …
* * *
Čitava knjiga je podeljena u velika poglavlja, a ova u različite manje priče. Pošto sam se držao hronologije, bilo je logično da knjiga započinje poglavljem NASTANAK ZVEZDA I SUNČEVOG SISTEMA, u kome smo „objasnili“ poznate teorije o nastanku i evoluciji zvezda, a u tom svetlu i nastanak našeg bližeg i daljeg komšiluka. Sledilo je poglavlje OTKRIĆA PLANETA I NJIHOVIH SATELITA, u kome sam koncizno opisao svaku planetu ponaosob, zajedno sa njihovim pratiocima. Nisam mogao da izdržim, pa sam u našu porodicu planeta ipak uključio i Pluton, iako on to de facto više nije bio. Pošto našu porodicu ne čine samo osam planeta i 176 njihovih satelita, u nastavku sam pisao i o malim planetama – asteroidima, NEA objektima, trans-neptunskim objektima, vansolarnim planetama, itd. Hteo bih da naglasim da je svaka priča o pojedinačnim planetama i njenim satelitima obogaćena vrednim i jedinstvenim tabelama, u čijem kreiranju sam koristio retke podatke sa sajtova i knjiga bardova tematike, dr Majkla Brauna (M. Brown) i njegovih kolege dr Čedvika Truhilja (C. Trujillo) i Dejvida Rabinovica (D. Rabinowitz). Neizostavno bih želeo da pomenem da sam u pisanju ovih poglavlja koristio podatke iz najboljeg u tom trenutku sajta po pitanju objekata solarnog sistema na Internetu, koji je svakodnevno ažurirao njegov autor, amaterski astronom iz Poljske, Andrej Karon, sa kojim sam i privatno sarađivao a čije su ingeniozne tabele bile objavljivane i na sajtu „Astronomskog Magazina“. To je tada bio najbolji sajt na svetu i sadržavao je proračune i podatke koje nije imao niko drugi.
Posle ovih poglavlja usledilo je poglavlje DVOJNI SISTEM ZEMLJA-MESEC, u kome su detaljno objašnjene teorije o nastanku Meseca, njegovom uticaju na klimu naše planete, njegovim „mesecima“, atmosferi i neizostavnim „Apolo“ misijama.
Kakva bi knjiga ovog tipa bila a da se na kraju ne ispriča priča o našoj planeti? Pored izuzetno zanimljivog geološkog putovanja kroz istoriju Zemlje i njenu evoluciju – geološke periode, pomeranja kontinenata, nastanke i nestanke okeana itd., sledi priča o nastanku života, pojavi čoveka – odakle sam danas preneo jedan uvodni deo, nastanku rasa, ljudskim pronalascima vatre, pisma, knjige, itd.
Tekst koji ste danas pročitali potiče iz nastavka knjige – za koji nemam para za štampanje – ali koja je takođe jako interesantna. Nažalost, ona egzistira jedino na mom HDD u PDF formatu. Ima četvrt miliona reči i podeljena je na sledeća poglavlja:
- POGLAVLJE V: VELIKA GEOGRAFSKA OTKRIĆA
- POGLAVLJE VI: PRONALASCI U ELEKTROTEHNICI
- POGLAVLJE VII: OTKRIĆA U NUKLEARNOJ FIZICI
- POGLAVLJE VIII: NEKA OTKRIĆA I PRONALASCI POZNATIH I NEPOZNATIH AUTORA
- POGLAVLJE IX: MATEMATIČARI
U tom drugom, neobjavljenom tomu, iz koga je danas predstavljeni tekst, u poglavlju o otkrićima u nuklearnoj fizici, pokušao sam da koliko je to moguće nama laicima objasnim neverovatni svet atomskih i subatomskih čestica, njihovo otkriće i naučnike koji su u tome učestvovali. Opisao sam otkrića protona i neutrona, ali i čitav niz fantomskih čestica, čije postojanje zbunjuje čak i najveće nobelovce na planeti. Kakva bi priča o nuklearnoj fizici bila da nije detaljno obrađen i nastanak atomske bombe, koji je koštao više nego put na Mesec. Od čega se sastoji proton? Koje čestice se nalaze između magneta i eksera? Kako izgleda život dug 40 milijarditih delova sekunde? Kako su najveći svetski koncern podigli robijaši iz Aušvica? Ko je čekao Nobelovu nagradu 25 godina? Koliko STVARNO ima elementarnih čestica u prirodi? Kakvog su ukusa subatomske čestice? Koliko treba da je debela olovna ploča da bi zaustavila jedan neutrino? Kako nešto što nema dimenzije može da ima spin? Koji je posao čestica koje ne učestvuju u građi materije? Koliko je godina imao nils bor kada je dobio Nobelovu nagradu? Itd. Itd. Odgovore na ova i mnoga druga pitanja možeš naći u Poglavlju VII ove knjige.
Ako zaključiš da su tvoja interesovanja vezana za brojne teme koje ove knjige „pokrivaju“, prvu možeš naučiti pouzećem ili preko mene lično (Ova adresa el. pošte je zaštićena od spambotova. Omogućite JavaScript da biste je videli., odn. 063/15.74.74.8) ili preko našeg cenjenog sajta. Cena je simbolična i iznosi 680,00 din + troškovi poštarije. Prva knjiga ima 400 strana, dimenzija je B5, sa puno originalnih tabela, šema, c/b slika i zanimljivih kompilacija i priloga.
Za sve drugo vezano za drugu knjigu, javi se i dogovorićemo se.
Pozdrav svima i prijatno čitanje!
[1] Po vladajućoj teoriji, 10–6 sekundi nakon Velikog praska počela je u primordijalnom kosmosu anihilacija elektrona i pozitrona.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
