एंटीमैटर: भौतिकी में सफलता या सभी जीवित चीजों के लिए खतरा?

इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन - वैज्ञानिकों द्वारा खोजी गई पहली कण-एंटीपार्टिकल जोड़ी है

ब्रह्मांड अद्भुत रहस्यों से भरा है। भयावह ब्लैक होल, "डार्क मैटर" विरोधाभास, अप्रत्याशित दोहरे सितारे। सबसे प्रसिद्ध और पेचीदा पहेली में से एक, एंटीमैटर है, जिसमें "इनसाइड-आउट" मामला शामिल है। इस घटना की खोज पिछली सदी में भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धियों में से एक है।

इस बिंदु तक, वैज्ञानिकों को यह विश्वास था कि प्राथमिक कण ब्रह्मांड के मौलिक और अपरिवर्तनीय इमारत ब्लॉक हैं, जो फिर से पैदा नहीं होते हैं और कभी भी गायब नहीं होते हैं। यह उबाऊ और जटिल तस्वीर अतीत की बात है जब यह पता चला है कि नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉन और इसके विरोधी दुनिया पॉज़िट्रॉन से इसके समकक्ष परस्पर नष्ट हो गए हैं, जिससे ऊर्जा क्वांटा को बढ़ावा मिला है। और बाद में यह स्पष्ट हो गया कि सामान्य रूप से प्राथमिक कण एक दूसरे में, और सबसे विचित्र तरीकों में बदलना पसंद करते हैं। एंटीमैटर की खोज ब्रह्मांड के गुणों के बारे में विचारों के आमूल परिवर्तन की शुरुआत थी।

एंटीमैटर लंबे समय से साइंस फिक्शन का पसंदीदा विषय रहा है। स्टार ट्रेक पंथ से एंटरप्राइज़ जहाज आकाशगंगा को जीतने के लिए एक एंटीमैटर इंजन का उपयोग करता है। डैन ब्राउन की पुस्तक एंजल्स एंड डेमन्स में, मुख्य पात्र रोम को इस पदार्थ के आधार पर बनाए गए बम से बचाता है। ऊर्जा की अटूट मात्रा को पार करते हुए, जो एंटीमैटर के साथ पदार्थ के अंतःक्रिया द्वारा प्राप्त की जाती है, मानवता सबसे साहसी विज्ञान कथा लेखकों की भविष्यवाणियों से बेहतर शक्ति प्राप्त करेगी। आकाशगंगा को पार करने के लिए कुछ किलोग्राम एंटीमैटर पर्याप्त है।

लेकिन हथियारों और अंतरिक्ष यान के निर्माण से पहले अभी भी बहुत दूर है। वर्तमान में, विज्ञान एंटीमैटर के अस्तित्व के सैद्धांतिक सिद्धांत और इसके गुणों के अध्ययन में लगा हुआ है, और वैज्ञानिक दर्जनों, अत्यधिक मामलों में, अपने प्रयोगों में सैकड़ों परमाणुओं का उपयोग करते हैं। उनके जीवन के समय की गणना सेकंड के अंशों में की जाती है, और प्रयोगों की लागत लाखों डॉलर है। भौतिकविदों का मानना ​​है कि एंटीमैटर का ज्ञान हमें ब्रह्मांड के विकास और बिग बैंग के तुरंत बाद होने वाली घटनाओं को बेहतर ढंग से समझने में मदद करेगा।

स्टार ट्रेक टीवी श्रृंखला का एक जहाज। आकाशगंगा को जीतने के लिए, वह एंटीमैटर का उपयोग करता है

एंटीमैटर क्या है और इसके गुण क्या हैं?

एंटीमैटर एक विशेष प्रकार का पदार्थ है जिसमें एंटीपार्टिकल्स होते हैं। उनके पास समान प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के समान स्पिन और द्रव्यमान है, लेकिन इलेक्ट्रिक और रंग चार्ज, बैरियन और लिप्टन क्वांटम संख्या के संकेत द्वारा उनसे अलग है। सरल शब्दों में, यदि सामान्य पदार्थ के परमाणु में सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए नाभिक और नकारात्मक इलेक्ट्रॉनों से मिलकर बनता है, तो एंटीमैटर विपरीत होता है।

पदार्थ और एंटीमैटर की बातचीत में, फोटॉन या अन्य कणों की रिहाई के साथ विनाश होता है। एक ही समय में प्राप्त ऊर्जा बहुत बड़ी है: एंटीमैटर का एक ग्राम कई किलोटन के विस्फोट के लिए पर्याप्त है।

आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, पदार्थ और एंटीमैटर में एक ही संरचना होती है, क्योंकि बल और विद्युत चुम्बकीय इंटरैक्शन जो इसे निर्धारित करते हैं, कणों पर और उनके "जुड़वां" दोनों पर बिल्कुल समान रूप से कार्य करते हैं।

यह माना जाता है कि एंटीमैटर एक गुरुत्वाकर्षण बल भी बना सकता है, लेकिन यह तथ्य अभी तक निश्चित रूप से साबित नहीं हुआ है। सैद्धांतिक रूप से, गुरुत्वाकर्षण को उसी तरह से पदार्थ और एंटीमैटर पर कार्य करना चाहिए, लेकिन यह अभी तक प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित नहीं किया गया है। अब वे अल्फा, एईजीआईएस और जीबीएआर परियोजनाओं में इस मुद्दे पर काम कर रहे हैं।

2015 के अंत में, आरएचआईसी कोलाइडर का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिक एंटीप्रोटोन के बीच बातचीत के बल को मापने में सक्षम थे। यह पता चला कि यह प्रोटॉन की समान विशेषता के बराबर है।

वर्तमान में, लगभग सभी मौजूदा प्राथमिक कणों के "जुड़वाँ" जाने जाते हैं, तथाकथित "वास्तव में तटस्थ" लोगों को छोड़कर, जो प्रभारी संयुग्मन खुद में बदल जाते हैं। इन कणों में शामिल हैं:

  • फोटोन;
  • हिग्स बोसोन;
  • तटस्थ पी मेसन;
  • यह मेसन;
  • ग्रेविट्रॉन (अभी तक नहीं खोजा गया है)।

एंटीमैटर आपके विचार से बहुत करीब है। एंटीमैटर का स्रोत, हालांकि, बहुत शक्तिशाली नहीं है, साधारण केले हैं। उनमें आइसोटोप पोटेशियम -40 होता है, जो एक पॉज़िट्रॉन बनाने का निर्णय लेता है। ऐसा हर 75 मिनट में एक बार होता है। यह तत्व मानव शरीर का भी हिस्सा है, ताकि हम में से प्रत्येक को एंटीपार्टिकल्स का एक जनरेटर कहा जा सके।

पृष्ठभूमि से

पहली बार, ब्रिटिश वैज्ञानिक आर्थर शूस्टर ने 19 वीं शताब्दी के अंत में "अलग संकेत के साथ" पदार्थ के अस्तित्व के विचार को स्वीकार किया। इस विषय पर उनका प्रकाशन बल्कि अस्पष्ट था और इसमें कोई सबूत नहीं था, सबसे अधिक संभावना है, वैज्ञानिक की परिकल्पना को हाल ही में एक इलेक्ट्रॉन की खोज द्वारा प्रेरित किया गया था। वह वैज्ञानिक उपयोग में "एंटीमैटर" और "एंटीमैट" शब्दों को पेश करने वाले पहले व्यक्ति थे।

प्रायोगिक तौर पर, एंटी-इलेक्ट्रॉन को इसकी आधिकारिक खोज से पहले प्राप्त किया गया था। यह पिछली सदी के 20 के दशक में सोवियत भौतिक विज्ञानी दिमित्री स्कोबेल्टिनसु द्वारा किया गया था। विल्सन के कक्ष में गामा किरणों की जांच करने पर उन्हें एक अजीब प्रभाव मिला, लेकिन वे इसे स्पष्ट नहीं कर सके। अब हम जानते हैं कि घटना एक कण और एक एंटीपार्टिकल - एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन की उपस्थिति के कारण हुई थी।

1930 में, प्रसिद्ध ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी पॉल डिराक, एक इलेक्ट्रॉन के लिए गति के सापेक्ष समीकरण पर काम करते हुए, एक ही द्रव्यमान के साथ एक नए कण के अस्तित्व की भविष्यवाणी की, लेकिन एक विपरीत चार्ज। उस समय, वैज्ञानिक केवल एक सकारात्मक कण - एक प्रोटॉन को जानते थे, लेकिन यह एक इलेक्ट्रॉन की तुलना में हजारों गुना भारी था, इसलिए वे डिराक द्वारा प्राप्त आंकड़ों की व्याख्या नहीं कर सके। दो साल बाद, अमेरिकी एंडरसन ने अंतरिक्ष से विकिरण के अध्ययन में एक इलेक्ट्रॉन के "जुड़वां" की खोज की। उन्होंने पॉज़िट्रॉन कहा।

पिछली शताब्दी के मध्य तक, भौतिकविदों के पास इस एंटीपार्टिकल का अध्ययन करने का एक अच्छा समय था, इसकी तैयारी के कई तरीके विकसित किए गए थे। 1950 के दशक में, वैज्ञानिकों ने एक एंटीप्रोटन और एक एंटी-न्यूट्रॉन की खोज की, 1965 में एक एंटी-ड्यूटेरॉन प्राप्त किया गया था, और 1974 में, सोवियत शोधकर्ताओं ने हीलियम और ट्रिटियम के एक एंटी-न्यूक्लियस को संश्लेषित करने में कामयाब रहे।

60 और 70 के दशक में, ऊपरी वायुमंडल में एंटीपार्टिकल्स को वैज्ञानिक उपकरणों के साथ गुब्बारे का उपयोग करने के लिए खोजा गया था। इस समूह का नेतृत्व नोबेल पुरस्कार विजेता लुइस अल्वारेट्स ने किया था। कुल मिलाकर, लगभग 40 हजार कण "पकड़े गए" थे, लेकिन उनमें से किसी का भी एंटीमैटर से कोई लेना-देना नहीं था। 2002 में, अमेरिकी और जापानी भौतिकविदों ने इसी तरह का शोध किया। उन्होंने 23 किलोमीटर की ऊँचाई तक एक विशाल बीईएस बैलून (वॉल्यूम 1.1 मिलियन एम 3) लॉन्च किया। लेकिन 22 घंटे के प्रयोग में भी वे सरलतम एंटीपार्टिकल्स का पता लगाने में असफल रहे। बाद में अंटार्कटिका में इसी तरह के प्रयोग किए गए।

90 के दशक के मध्य में, यूरोपीय वैज्ञानिक दो कणों से मिलकर एक एंटीहाइड्रोजेन परमाणु प्राप्त करने में कामयाब रहे: एक पॉज़िट्रॉन और एक एंटीपिस्टन। हाल के वर्षों में, इस तत्व की बहुत बड़ी मात्रा को संश्लेषित करना संभव था, जिसने इसके गुणों के अध्ययन में आगे बढ़ना संभव बना दिया।

एंटी-कणों के "पकड़ने" के लिए, यहां तक ​​कि अंतरिक्ष यान का भी उपयोग किया जाता है।

2005 में, अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) पर एक संवेदनशील एंटीमैटर डिटेक्टर स्थापित किया गया था।

अंतरिक्ष में एंटीमैटर

पॉज़िट्रॉन पॉल डिराक के खोजकर्ता का मानना ​​था कि ब्रह्मांड में पूरी तरह से एंटीमैटर से युक्त पूरे क्षेत्र हैं। उन्होंने अपने नोबेल व्याख्यान में इस बारे में बात की थी। लेकिन अभी तक वैज्ञानिकों को इसके जैसा कुछ भी नहीं मिल पाया है।

बेशक, एंटी-कण अंतरिक्ष में मौजूद हैं। वे कई उच्च-ऊर्जा प्रक्रियाओं के कारण पैदा हुए हैं: सुपरनोवा विस्फोट या थर्मोन्यूक्लियर ईंधन के जलने, ब्लैक होल या न्यूट्रॉन सितारों के आसपास के प्लाज्मा बादलों में होते हैं, इंटरस्टेलर स्पेस में उच्च-ऊर्जा कणों के टकराव में पैदा होते हैं। इसके अलावा, एंटीपार्टिकल्स की एक छोटी मात्रा हमारे ग्रह पर लगातार बारिश से "शेड" है। पॉज़िट्रॉन के गठन के साथ कुछ रेडियोन्यूक्लाइड का क्षय भी होता है। लेकिन उपरोक्त सभी केवल एंटीपार्टिकल्स हैं, लेकिन एंटीमैटर नहीं हैं। अब तक, शोधकर्ताओं को अंतरिक्ष में एंटी-हीलियम भी नहीं मिल पाया है, भारी तत्वों की क्या बात करें। विशिष्ट गामा विकिरण की खोज की विफलता, जो पदार्थ और एंटीमैटर की टक्कर में विनाशकारी प्रक्रिया के साथ होती है।

आज उपलब्ध आंकड़ों को देखते हुए, कोई एंटीगलैक्सिस, एंटी-स्टार्स या अन्य बड़े एंटीमैटर ऑब्जेक्ट नहीं हैं। और यह बहुत ही अजीब है: बिग बैंग सिद्धांत के अनुसार, हमारे ब्रह्मांड के जन्म के समय, पदार्थ और एंटीमैटर की समान मात्रा दिखाई दी, और जहां पिछले गया वह अस्पष्ट है। वर्तमान में, इस घटना के लिए दो स्पष्टीकरण हैं: या तो एंटीमैटर विस्फोट के तुरंत बाद गायब हो गया, या यह ब्रह्मांड के कुछ दूरदराज के हिस्सों में मौजूद है, और हमने अभी तक इसे खोज नहीं लिया है। ऐसी विषमता आधुनिक भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण अनसुलझी समस्याओं में से एक है।

एक परिकल्पना है कि हमारे ब्रह्मांड के जीवन के शुरुआती चरणों में, पदार्थ और एंटीमैटर की मात्रा लगभग मेल खाती है: प्रत्येक बिलियन एंटीप्रोटोन और पॉज़िट्रॉन के लिए, उनके समकक्षों में से कई, प्लस एक "अतिरिक्त" प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन थे। समय के साथ, पदार्थ और एंटीमैटर का थोक विनाश की प्रक्रिया में गायब हो गया, और आज जो कुछ भी हमें घेरता है वह अधिशेष से उभरा। सच है, यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है कि "अतिरिक्त" कण कहां और क्यों दिखाई दिए।

एंटीमैटर और इस प्रक्रिया की कठिनाइयों को प्राप्त करना

1995 में, वैज्ञानिकों ने एंटीहाइड्रोजन के केवल नौ परमाणु बनाने में कामयाबी हासिल की। वे कई दर्जन नैनोसेकंड के लिए अस्तित्व में थे, और फिर सत्यानाश कर दिया। 2002 में, कणों की संख्या पहले से ही सैकड़ों में थी, और उनके जीवनकाल में कई बार वृद्धि हुई।

एंटीपार्टिकल, एक नियम के रूप में, अपने सामान्य "डबल" के साथ मिलकर पैदा होता है। उदाहरण के लिए, एक पॉज़िट्रॉन-इलेक्ट्रॉन जोड़ी प्राप्त करने के लिए, परमाणु नाभिक के विद्युत क्षेत्र के साथ एक गामा-क्वांटम की बातचीत आवश्यक है।

एंटीमैटर प्राप्त करना - बहुत तकलीफदेह। यह प्रक्रिया त्वरक में होती है, और एंटीपार्टिकल्स को विशेष वैक्यूम रिंग में उच्च वैक्यूम स्थितियों में संग्रहीत किया जाता है। 2010 में, भौतिकविदों ने पहली बार 38 एंटी-हाइड्रोजन परमाणुओं को एक विशेष जाल में फंसाने और 172 मिलीसेकंड के लिए उन्हें पकड़ने में कामयाब रहे। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों को -70 ° C से नीचे के तापमान पर 30 हज़ार एंटीप्रोटोन और दो मिलियन पॉज़िट्रॉन को -230 ° C तक ठंडा करना था।

एंटीमैटर प्राप्त करने के लिए सबसे जटिल उपकरणों की आवश्यकता होती है

अगले वर्ष, शोधकर्ता परिणामों में काफी सुधार करने में सक्षम थे: एंटीपार्टिकल्स के जीवन को पूरे एक हजार सेकंड तक बढ़ाने के लिए। भविष्य में हम एंटीमैटर के लिए एंटीवायरमेंट प्रभाव की अनुपस्थिति या उपस्थिति का पता लगाने की योजना बनाते हैं।

एंटीमैटर के भंडारण का मुद्दा भौतिकविदों के लिए एक वास्तविक सिरदर्द है, क्योंकि एंटीप्रोटोन और पॉज़िट्रॉन जब सामान्य पदार्थ के किसी भी कण के साथ मिलते हैं तो तुरंत नष्ट कर देते हैं। उन्हें रखने के लिए, वैज्ञानिकों को चतुर उपकरणों का आविष्कार करना पड़ा जो एक तबाही को रोक सकते थे। चार्ज किए गए एंटीपार्टिकल्स तथाकथित पेनिंग ट्रैप में संग्रहीत होते हैं, जो एक लघु त्वरक के समान होता है। इसके शक्तिशाली चुंबकीय और बिजली के क्षेत्र पॉज़िट्रॉन और एंटीप्रोटन को डिवाइस की दीवारों से टकराने से रोकते हैं। हालांकि, इस तरह के एक उपकरण एक निर्जलीकरण परमाणु की तरह, तटस्थ वस्तुओं के साथ काम नहीं करता है। इस मामले के लिए, जोफ जाल का विकास किया गया था। इसमें विरोधी परमाणुओं की अवधारण चुंबकीय क्षेत्र के कारण होती है।

एंटीमैटर की लागत और इसकी ऊर्जा दक्षता

एंटीमैटर को प्राप्त करने और संग्रहीत करने की कठिनाई को देखते हुए, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि इसकी कीमत बहुत अधिक है। नासा की गणना के अनुसार, 2006 में, एक मिलीग्राम पॉज़िट्रॉन की कीमत लगभग 25 मिलियन डॉलर थी। पहले के आंकड़ों के अनुसार, एक ग्राम एंटी-हाइड्रोजन का अनुमान 62 ट्रिलियन डॉलर था। लगभग वही आंकड़े यूरोपीय भौतिकविदों द्वारा सर्न से दिए गए हैं।

संभावित रूप से एंटीमैटर एक आदर्श ईंधन, अल्ट्रा-कुशल और पर्यावरण के अनुकूल है। समस्या यह है कि अब तक लोगों द्वारा बनाए गए सभी एंटीमैटर मुश्किल से कम से कम एक कप कॉफी उबालने के लिए पर्याप्त हैं।

एंटीमैटर के एक ग्राम के संश्लेषण के लिए 25 मिलियन बिलियन किलोवाट-घंटे ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो इस पदार्थ के किसी भी व्यावहारिक उपयोग को बस बेतुका बनाता है। हो सकता है कि किसी दिन हम इसके साथ स्टारशिप को फिर से शुरू करेंगे, लेकिन इसके लिए आपको सरल और सस्ता तरीके प्राप्त करने और दीर्घकालिक भंडारण की आवश्यकता होगी।

मौजूदा और आशाजनक अनुप्रयोग

वर्तमान में, पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी के दौरान, एंटीमैटर का उपयोग दवा में किया जाता है। यह विधि आपको उच्च रिज़ॉल्यूशन में आंतरिक अंगों की एक छवि प्राप्त करने की अनुमति देती है। पोटेशियम -40 जैसे रेडियोधर्मी आइसोटोप को ग्लूकोज जैसे कार्बनिक पदार्थों के साथ जोड़ा जाता है और रोगी के संचार प्रणाली में इंजेक्ट किया जाता है। वहां वे पॉज़िट्रॉन का उत्सर्जन करते हैं, जो हमारे शरीर में इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलने पर विलोपित हो जाते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान प्राप्त गामा विकिरण, जांच किए गए अंग या ऊतक की एक छवि बनाता है।

कैंसर के संभावित उपाय के रूप में एंटीमैटर का भी अध्ययन किया जा रहा है।

एंटीमैटर का उपयोग, निश्चित रूप से, महान वादा है। यह एक वास्तविक ऊर्जा क्रांति का कारण बन सकता है और लोगों को सितारों तक पहुंचने की अनुमति दे सकता है। फिक्शन उपन्यास के पसंदीदा स्केट तथाकथित ताना इंजन के साथ स्टारशिप हैं, जो उन्हें सुपरलाइट गति के साथ यात्रा करने की अनुमति देते हैं। आज ऐसे प्रतिष्ठानों के कई गणितीय मॉडल हैं, और उनमें से ज्यादातर अपने काम में एंटीमैटर का उपयोग करते हैं।

सुपरलाइट फ्लाइट और हाइपरस्पेस के बिना अधिक यथार्थवादी प्रस्ताव हैं। उदाहरण के लिए, एंटीप्रॉन क्लाउड के अंदर ड्यूटेरियम और हीलियम -3 के साथ यूरेनियम -238 का कैप्सूल फेंकना प्रस्तावित है। परियोजना के डेवलपर्स का मानना ​​है कि इन घटकों की बातचीत से थर्मोन्यूक्लियर प्रतिक्रिया की शुरुआत होगी, जिसके उत्पादों को इंजन नोजल में एक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा निर्देशित किया जाता है, जो जहाज को महत्वपूर्ण कर्षण प्रदान करेगा।

एक महीने में मंगल की उड़ानों के लिए, अमेरिकी इंजीनियरों ने एंटीप्रोटोन द्वारा ट्रिगर परमाणु विखंडन का उपयोग करने का सुझाव दिया। उनकी गणना के अनुसार, इस तरह की यात्रा के लिए इन कणों के केवल 140 नैनोग्राम आवश्यक हैं।

विरोधी पदार्थ विनाश के दौरान जारी ऊर्जा की महत्वपूर्ण मात्रा को देखते हुए, यह पदार्थ बम और अन्य विस्फोटक वस्तुओं को भरने के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार है। यहां तक ​​कि एंटीमैटर की थोड़ी मात्रा भी परमाणु बम की शक्ति में तुलनीय होने के लिए पर्याप्त है। लेकिन जबकि इसके बारे में चिंता करना समय से पहले है, क्योंकि यह तकनीक अपने विकास के शुरुआती चरण में है। यह संभावना नहीं है कि आने वाले दशकों में ऐसी परियोजनाओं का एहसास होगा।

इस बीच, एंटीमैटर, सबसे पहले, सैद्धांतिक विज्ञान के अध्ययन का विषय है, जो हमारी दुनिया की संरचना के बारे में बहुत कुछ बता सकता है। यह स्थिति तब तक बदलने की संभावना नहीं है जब तक हम इसे औद्योगिक पैमाने पर प्राप्त करना और मज़बूती से बचाना न सीख लें। तभी हम इस पदार्थ के व्यावहारिक उपयोग के बारे में बात कर सकते हैं।