Antimateria – egenskaper, historia och användningsområden

Inom fysiken finns alla elementarpartiklar, eller de grundläggande byggstenarna i de saker vi kan ta på, i par. Varje partikel har en så kallad antipartikel. Denna kan se ut och agera precis som den vanliga partikeln, med undantag för en stor skillnad. Ett exempel är elektronen och positronen.

Andra antimateriepartiklar är på samma sätt, där de har samma vikt, ser ut och beter sig på samma sätt som vanliga partiklar, men deras elektriska laddning är motsatsen till vanliga partiklar. Antiväte, till exempel, har positronen, som är positivt laddad, som kretsar runt en antiproton, som är negativt laddad, vilket är motsatsen till hur vanligt väte ser ut, som har elektronen (negativ laddning), som kretsar runt en proton (positiv laddning).

Albert Einstein hittade en formel som visar hur mycket energi en viss mängd av något har, oavsett om det är materia eller antimateria. Formeln är E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} och är en av de mest kända ekvationerna. Enkelt uttryckt: om man tar massan av något och sedan multiplicerar den med ljusets hastighet, och sedan multiplicerar den med ljusets hastighet igen, får man fram hur mycket ren energi en viss bit av något har. Eftersom ljusets hastighet är en så stor siffra innebär detta att även en liten mängd materia kan ha mycket energi (det har beräknats vara fyra gånger mer effektivt per massa än kärnklyvning).

År 1928 letade fysikern Paul Dirac efter en ekvation som skulle kunna förutsäga hur mycket snabba partiklar skulle bete sig. Det fanns redan en annan ekvation som kunde beskriva långsamma partiklar, Schrödingerekvationen, men Einsteins speciella relativitetsteori sade att snabba partiklar kunde vara mycket annorlunda än långsamma partiklar. Dirac visste att partiklar som elektroner vanligtvis rörde sig mycket snabbt. Han insåg att den gamla ekvationen inte skulle ge bra förutsägelser för snabba partiklar. Så han kom på en ny ekvation som kunde beskriva partiklar som rörde sig nära ljusets hastighet.

För snabba partiklar är det inte längre sant att energin är E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . I stället fungerade Diracs nya ekvation för partiklar där energin gavs av E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}}}^{2}c^{2}}} . I den nya ekvationen för energi kallas symbolen p → {\displaystyle {\vec {p}}}} för impuls, och den mäter hur snabbt partikeln rör sig och hur svårt det är att stanna. Denna ekvation säger att mycket snabba partiklar har mer energi, så de skiljer sig från långsamma partiklar. Du kan ta kvadratroten av varje sida av denna ekvation, eftersom båda sidorna är lika stora. Varje verklig kvadratrot har dock två svar, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} och E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} . Du kan tänka dig att svaret med negativ energi är antimateria.

Anledningen till att detta är viktigt för att förstå antimateria är att forskarna upptäckte att när materia och antimateria rör vid varandra kommer den mängd energi som frigörs mycket nära den mängd energi E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}}} säger att de två bitarna borde vara samlade. Anledningen är att varje materiepartikel, när den rör vid sin antipartikel i antimateriavärlden, båda övergår till ren energi, eller förintar varandra. Detta frigörande av en så stor mängd energi är anledningen till att många science fiction-författare använder antimateria som bränsle i sina berättelser. Till exempel använder författaren Dan Brown antimateria i "Änglar och demoner" som ett mycket kraftfullt vapen. Man tittar också på antimateria som en bränslekälla för verkliga uppdrag i yttre rymden i framtiden.

Många forskare tror att både materia och antimateria blandades i de första ögonblicken efter Big Bang, som skapade universum för mycket länge sedan. Om Big Bang skapade lika stora mängder materia och antimateria skulle de två förintas och bli energi. Efter en lång tid skulle det inte finnas någon materia och ingen antimateria kvar, bara energi. Men vårt universum i dag ser ut att bestå av nästan bara materia och knappt någon antimateria. Fysikerna vet ännu inte säkert att lika stora mängder materia och antimateria skapades, och därför undrar de också vart antimaterian tog vägen, och om det fanns något kvar från universums början.

En förklaring är att det fanns bara lite mer materia än antimateria i början, så att det som blev över efter att det mesta av materien och antimaterian förintats till energi blev det universum som till största delen består av materia som vi ser idag. En annan teori är att det finns mycket antimateria på andra sidan av universum, gömd långt bortom vår syn. De kan också ha bildat egna galaxer och solsystem.

Eftersom antimateria kan producera så mycket energi kan den användas till många olika saker, till exempel som bränsle för rymdfärder eller i våra bilar. Problemet är att antimateria är mycket dyrt att tillverka och nästan lika dyrt att lagra, eftersom den inte kan röra vanlig materia. Det krävs flera hundra miljoner dollar för att tillverka mindre än en miljondel av ett gram antimateria. Det är faktiskt det dyraste och sällsyntaste ämnet på jorden. Eftersom det är så dyrt innebär detta att antimateria inte är praktiskt användbart som vapen eller energikälla, eftersom det går att få tag på så lite av det.

Nyligen har dock forskare fångat antimateria i över 16 minuter (totalt 1000 sekunder).

Den kan användas inom medicinen, eftersom en speciell typ av skanner som kallas PET (positronemissionstomografi) använder positroner för att gå in i människokroppen. Läkare kan titta på hur positronerna omvandlas till energi i en människas kropp, och på så sätt se om något är fel i kroppen. Den här typen av maskin fungerar annorlunda än en röntgenmaskin eller en magnetresonanstomografimaskin (MRI) och kan hjälpa läkare att se saker som dessa andra maskiner inte kan se.