Simetrija je kosmički zakon

Pošto je verovao u simetriju kosmosa jedan fizičar je prorekao antimateriju – i bio je u pravu

Većina živih bića je simetrična,
jer priroda razmišlja »praktično«

Godine 1932. prvi put su u kosmičkom zračenju otkrivene čestice antimaterije. Naučnici pretpostavljaju da je antimaterija nastala odmah posle velikog praska, istovremeno kada i materija. Do tog zaključka došli su vodeći se jednim potpuno zemaljskim iskustvom vezanim za simteriju. Naime, gotovo svako od nas je pravio dvorac od peska, a da bi ga napravio morao je na drugom mestu da iskopa rupu. Rupa i dvorac su prosta slika onoga što se moglo događati u samom početku stvaranja kosmosa.

Danas pojam antimaterije spada u opšte znanje, ali jedna druga teorija, koja se takođe zasniva na principu simetrije, još uvek čeka da bude potvrđena. Teoriju je prvi postavio francuski fizičar Žan Šaron. Po Šaronu u prostoru iza crnih rupa postoji neka vrsta odraza našeg sveta, tajanstveni svet u kome se elementarne čestice kreću slobodno u vremenu, ali ne menjaju položaj u prostoru. Dok kod nas, prema teoriji entropije, sve stremi haosu, sa druge strane crnih rupa razvija se svet koji svakim danom postaje sve uređeniji. Dakle, obrnuti svet – svet iza ogledala, kao Alisina Zemlja čuda.

Blez Paskal, mističar i fizičar, među prvima je, još u 17 veku, doveo u pitanje svemoć simetrije. Paskal se zapitao: da li simetriju samo čitamo iz univerzuma ili je ona stvarno prazakon koji Zemlju čini kompaktnom? Paskal je bio taj koji je opisao jednu od najvećih simetrija – mikrokosmosa i makrokosmosa – ali se, istovremeno držao i maksime da se više isplati tragati za suprotnošću simetriji, tj. za lomovima simetrije i njenim tajnama.

Zašto su ljudi toliko opsednuti simetrijom? Zašto se podrazumeva da ćemo platiti više za simetričnu božićnu jelku, nego za onu koja to nije? Možda odgovor na ova pitanja treba tražiti u najranijem detinjstvu. Naime, naučnici su eksperimentom potvrdili da i bebe imaju smisao za simetriju. Psiholog Džudit Lenglios sa Univerziteta u Ostinu, u Teksasu, je deci staroj od 3 do 6 meseci na platnu prikazivala fotografije ljudi. Fotografije su bile raspoređene u serijama od po dve – jedno lice bilo je simetrično, a drugo asimetrično. Sve bebe, bez izuzetka, duže su i intenzivnije posmatrale »lepa«, tj. simetrična, lica. Međutim, čini se da smisao za simetriju nije svojstven samo nama, ljudima. I životinje vide razliku. One, na primer, daju prednost simetrično oblikovanim partnerima. Takvo »osećanje za lepo« dokazano je kod škorpija, muva, lasta, paunova, prugastih zeba, severnih jelena i bumbara.


Simetrična slika sveta se koleba: istraživači pronalaze sve više asimetrije

Ako je tačna teorija da je simetrija putokaz u haotičnom okruženju, njome bi se mogla objasniti jedna druga ljudska osobina – da suviše simetrije stvara prezasićenost. Već dugo vremena većina ljudi više ne živi u prašumi, nego u jednom sve više uređenom svetu: aleje i vrtovi, fasade zgrada, parketi, nameštaj za spavaće sobe i ograde mostova – kuda god oko da pogleda, naći će nekakav oblik simetrije. U takvom svetu, prirodno, rađa se želja za haosom, divljinom, ljubavlju prema malim, kakvim takvim greškama – kao što je mladež na gornjoj usni Sindi Kraford.

»Simetrija je neprijatelj prirode i promene« – tvrdi Žan Žak Ruso oglašavajući time romantičarski pokret i zahtevajući napuštanje klasične forme. Opasnosti koje sa sobom nosi preterivanje sa skladnošću bile su zasigurno poznate i umetnicima ranijih vremena. Tako, Partenon na Akropolju važi za čudo simetrije, ali ako bolje pogledamo ovu građevinu uočićemo da je njen arhitekta, Iktinos, na mnogim mestima ugradio lomove simetrije – stubovi možda ne stoje pravo, već su malo nagnuti prema unutra...

Jedna od najzagonetnijih asimetričnih pojava u vidljivom svetu je ogromna prednost materije nad antimaterijom. »Mada akcelerator čestica proizvodi oba oblika materije, u svetu van naših laboratorija ne vidimo ni antiplanete, ni antigalaksije« – kaže engleski profesor astronomije Džon D. Berou. Zašto priroda očevidno voli materiju više nego njen odraz? Moguće je da objašnjenje leži u činjenici da postoji sićušna razlika između perioda raspadanja česitica i antičestica i da je ona, postepeno, dovela do viška materije – bar u našem delu kosmosa i u obliku koji mi poznajemo. To bi moglo da znači da je na počektu sveta postojala samo antimaterija, kao što i na početku ljudskog života, poput kakvog znaka upozorenja, stoji povreda simetrije – kada loptasta, dakle, simetrična jajna ćelija biva probodena i oplođena spermatozoidom.

Ako život ima isto značenje kao i asimetrija, zašto onda postoji simetrija i koja od njih predstavlja rukopis Boga? Ili je, možda, asimetrija samo odraz simetrije, tako da na sledećoj, višoj ravni, simetrija ostane sačuvana? Ova tema nam daje mogućnost da udobno lutamo stazama slobodnih misli. To su, valjda, naslućivali i persijski majstori za pravljenje tepiha, pa su za svaki slučaj u svoje skoro savršene šare utkali i po koju sitnu grešku, tek da duša ne bi ostala zarobljena u njima.

Planine se ogledaju u jednom alpskom jezeru: upečatljiv primer bilateralne simetrije, u ovom slučaju oko horizontalne ose. I naše telo je simetrično, samo je osa simetrije vertikalna; isto važi i za orla i leptira kalima inachus, kod koga je svaki detalj šare na jednom krilu istovetan sa svojim parnjakom na drugom. Skoro sve životinje su bilateralno simetrične – jer ptice sa krilima različite dužine ne bi mogle da lete, a sa nogama različite dužine teško bi bežale ili hvatale plen. Kod krila vetrenjače reč je o simetriji obrtanja, kod semena maslačka o simetriji lopte. Kompjuterska grafika je, doduše, napravljena da na prvi pogled deluje kao vertikalno simetrična – ali se ovde radi o drugoj vrsti simetrije. Ona nastaje iz fraktala – približnih trouglova, čija struktura se ponavlja, u sve manjoj razmeri, sve dok ne izgubi oblik. Simetrije koja se ponavlja može se množiti do u beskonačnost.

U arhitekturi prevagu je odnela vertikalna simetrija. Tako su krila francuskog dvorca Šambor izgrađena da budu skoro identična. Naizgled nepravilan kristal pirita sastoji se iz simetričnih kocki. Govoto perfektnu bilateralnu simetriju poseduje i zadnjica zebre: pruge se otvaraju poput cveta, prateći konture životinje – štiteći je na taj način od opasne ce-ce muve. Postavlja se pitanje: nisu li mnogi oblici simetrije dokaz njene svemoći? Možda neki misle tako, ali to jedva da je istina. Istraživači nalaze sve više pokazatelja važne uloge asimetrije u prirodi. Tako su, na primer, mnogi organski molekuli asimetrični. Cvet hmelja je, doduše, bileteralno simetrično sazdan, ali sama biljka, pak, protivureči zakonima simetrije: puzi oko pritke u smeru suprotnom od smera kretanja kazaljke na satu. Ljuštura sipe nautilus je spiralnog oblika – dakle, takođe, asimetrična. Unutrašnje pregrade su, pak, jednakog oblika. Dakle, ljuštura sipe predstavlja neku vrstu simetrije koja se ponavlja.

Priredila: Bojana Milević
Planeta

Zagonetka asimetrije sveta
prof. Dr đorđe Šijački



- U priči o antimateriji je najvažnije znati da nema nikakve misterije. U eksperimentalnoj fizici elementarnih čestica antimaterija je svakodnevna pojava. Ljudi sami unose mnogo više nejasnoća nego što one realno postoje, kaže profesor Đorđe Šijački sa Instituta za fiziku, dopisni član SANU, čija je uža naučna oblast simetrija elementarnih čestica (bariona i mezona) i opšta teorija relativnosti.

Šta je antimaterija? Materija koja se sastoji od antičestica, glasio bi najprostiji mogući odgovor. Identična fizičkoj materiji koja nas okružuje samo suprotnog električnog i barionskog naboja. Fizičari su još 1918. godine znali da su u Velikom prasku stvorene dve vrste materije.

Otkriće antimaterije

Engleski naučnik Pol Dirak je, 1928, prvi sjedinio Ajnštajnovu specijalnu teoriju relativnosti i Bor-Šredinger-Hajzenbergovu kvnatnu mehaniku. Primenivši na svet čestica i polja teoriju relativnosti Dirak je zapazio da čestice imaju svoj “odraz u ogledalu” - antičestice, odnosno da antičestice imaju svoje čestice. Dirakovu teoriju je eksperimentalno, 1932, potvrdio C. D. Andersen, našavši pozitrone (prva direktno otkrivena čestica antimaterije). Nešto kasnije Blaket i Okialini su otkrili da se pomoću gama-zraka mogu kreirati parovi elektrona i pozitrona. To je značilo da u svemiru mogu postojati i sve druge antičestice, odnosno da postoji antimaterija.

Pozitron je antičestica za elektron, kao što je elektron antičestica za pozitron. Njegova svojstva su sem naboja (naelektrisanje, leptonski broj) ista kao i svojstva elektrona. Pozitron i elektron imaju identičnu masu, istu vrednost veličine spina, ali suprotnu vrednost naelektrisanja (- 1, odn. + 1). Elektroni i pozitroni se pojavljuju u parovima, jer se u toku sudara ukupno naelektrisanje ne menja. Prema zakonu o održanju moramo dobiti par čestica, odnosno parove elektrona i pozitrona. “Isto tako”, ističe profesor Đorđe Šijački, “ako u nekom procesu proizvodimo protone, dobićemo i antiprotone. Antiproton je čestica koja ima istu masu kao proton i isti spin kao proton ali suprotnu vrednost naelektirisanja i suprotnu vrednost barionskog broja”.

Otkriće antimaterije samo je jedan od rezultata koji su fizici doneli potpuni trijumf na naučnom polju, tokom poslednjih stotinu godina. «Ponekad treba da prođe mnogo vremena da bi se nešto otkrilo ili otkriće dovelo do kraja. Naelektrisanje su”, veli Šijački, “otkrili još stari Grci, ono je jedna od osnovnih karakteristika materije. Ali, da bi eksperimentalno otkrili materiju sa suprotnim naelektrisanjem, antimateriju, trebalo je da prođe dve hiljade godina. Fizika polazi od iskustva i proverava sve kroz iskustvo”.

Antimaterija se sastoji od antiprotona, antineutrona i pozitrona (antielektrona), što znači da su atomska jezgra antimaterije negativno naelektrisana i oko njih kruže pozitroni. Kakva je razlika izmeđi neutrona i antineutrona s obzirom na to da neutron nema naelektrisanje? Njihove konstitutivne čestice, kvarkovi i antikvarkovi, imaju suprotna naelektrisanja, iako je njihovo naelektrisanje jednako nuli a imaju i suprotnu vrednost barionskog naboja. Što se pozitrona tiče, američki fizičar Džon Viler smatra da se on može tumačiti kao elektron koji u vremenu putuje unazad. Ričard Fejnman je za matematičku razradu ove ideje dobio Nobelovu nagradu 1965.

Postoji li, ipak, izvesna “misterija” sa antimaterijom?

- Samo u tome što u našem okruženju ima više čestica nego antičestica - lakonski odgovara profesor Šijački. - Reč misterija se koristi uslovno, da označi ‘štos' u odnosu materije i antimaterije. Jer, kad bi bio jednak broj čestica i antičestica, pitanje materije i antimaterije niko ne bi ni postavljao.

Veliki prasak

Pitanje postojanja materije i antimaterije u prirodi je na određeni način vezano i za formiranje svemira. Savremena nauka smatra da je svemir nastao iz Velikog praska (Big bang). U nekom kratkom intervalu posle nastanka svemira, pošto je stvorena velika količina energije, stvarale su se čestice i antičestice, materija i antimaterija, i to u istoj meri, prema zakonu o CPT simetriji. U kasnim 1950-im određeno je da je količina antimaterije u našoj galaksiji manja od jednog stomilionitog dela. Naučnike muči tajna kako se to dogodilo. Nijedna dosad ponuđena teorija nije prihvaćena kao konačno tačna.

Prema najjednostavnijoj pretpostavci, u nekoj galaksiji dominira materija a u drugoj antimaterija. «Ne možemo isključiti mogućnost da negde postoji neka antimaterijska zvezda ili galaksija», kaže fizičar Džerald Šar. Ako bi zaista bilo tako, primetili bismo velike količine zračenja iz graničnih područja materije i antimaterije, mnoge čestice i antičestice bi se sudarale i međusobno anihilirale, oslobađajući veliku količinu energije u obliku gama zraka. Drugo objašnjenje, navodi naš sagovrnik, veli da je neki deo CPT simetrije, koja je očuvana u većini procesa u prirodi, narušen. U stvari, CP podsimetrija. Ako pretpostavimo da je ovaj deo CPT simetrije narušen, i to sasvim neznatno, možemo dobiti višak jednih čestica nad drugim, više materije nego antimaterije i obratno, objašnjava Šijački.

U savremenoj fizici čitav univerzum opisuju kvantna mehanika i teorija relativnosti. One su u srži i pitanja antimaterije. Što se teorije relativnosti tiče, značajno je ono što je Ajnštajn pokazao kroz čuvenu formulu E= mc2, da postoji veza između mase, impulsa i energije čestica. To znači da, ako imamo dovoljno energije, možemo je raznim fizičkim procesima transformisati i dobiti druge dve čestice ili gomilu drugih čestica. Čestice su osnovni objekt od koga se sastoji sve u Univerzumu.

Osnovna čestica koja prenosu elektromagnetne pojave je foton. Veliki broj fotona formira elektromagnetno polje. Pojam polja je drugi važan fizički pojam. Polje i čestica su tesno povezani. Čestica je najmanji delić polja ili kvant polja. Postoje dve vrste polja – polja koja prenose (ili opisuju) sile ili interakcije i polja materije. Kad se kaže materija, ne podrazumevaju se polje ili čestice koje prenose interakcije ili sile (npr. elektromagnetno polje).

CPT simetrija

Za materiju, kao i za polja interakcija, važe zakoni održanja energije, impulsa i naboja. Naelektrisanje je samo jedna od fizičkih veličina mikrosveta, veličina koje nazivamo naboji. Drugi značajni naboji za naše postojanje su barionski, leptonski i drugi. Za sve naboje važi zakon održanja. Naboji, međutim, imaju i svojstvo simetrije, zvane CPT simetrija, koja ih prevodi u naboje suprotnog znaka. Naelektrisanje + 1 simetrija prevodi u naleketrisanje – 1, isto tako i svaku drugu fizičku veličinu tipa naboja CPT: Q — - Q.

CPT simetrija se sastoji iz tri dela. C-deo prevodi naelektrisanje u naelektrisanje suprotnog znaka, ako je reč o barionskom broju ona će B prevesti u –B. T-deo menja znak smera vremena. Vreme t prevodi u – t. To znači da, ako u fizici imamo dva procesa koji su jedan drugome slika u odnosu na promenu smera vremena, kažemo da imamo T-simetriju. ”T-simetrija povezuje procese koji se dešavaju u toku vremena sa procesima koji bi se dešavali ako bismo vreme, poput filma, posmatrali/pustili unazad”, kaže Šijački.

Ako je T inverzija vremena, P je inverzija prostora. To znači da koordinate menjaju znak. Kombinacijom inverzije prostora i inverzije vremena i promene znaka naelektrisanja dobijamo CPT-simetriju koja je univerzalna u vasioni. Svaki proces ima CPT simetričan proces, svaka čestica ima svoju antičesticu. Pošto je C deo CPT simetrije, čestice i antičestice imaju suprotne vrednosti. Antičestice od antičestica su čestice. Slika čestice u odnosu na CPT simetriju je antičestica. Ako se materija sastoji iz čestica, antimaterija se sastoji iz antičestica.

Postoje i takve čestice koje su same sebi antičestice, ali one ne mogu da imaju barionski broj, kaže Šijački. Te čestice imaju barionski broj 0 (ako bi barionski broj bio različit od nule, antičestice bi imale suprotnu vrednost od barionskog broja). Ove čestice se nazivaju mezoni i one su same sebi antičestice. Naravno, ne sve. U takvim slučajevima ne možemo da ih odredimo ni kao materiju ni kao antimateriju. Primer takve čestice je mezon koji se naziva “pi nula”. Postoje još dve “pi” čestice: “pi +” i “pi –“ koje su jedna drugoj antičestice, a samo je “pi 0” sama sebi antičestica. I ovaj primer govori da oko antimaterije za fizičare nema nikakvih tajni.

Kreacija i anihilacija

Nema univerzalne istine koja kaže ovo je plus a ovo minus, bitno je da se čestice i antičestice međusobno razlikuju po znaku. Razne grupe istraživača u svetu, i teorijski i eksperimentalno, rade na razumevanju postojanja viška materija nad antimaterijom, bilo da je reč samo o našem delu svemira ili u celom svemiru. Za našu galaksiju se sa ogromnom pouzdanošću može tvrditi da ima više materije a veoma malo antimaterije. Da između materije i antimaterije postoji potpuna simetrija, one bi trebalo potpuno da anihiliraju i ostave samo energiju.

Kada se materija i antimaterija nađu zajedno, ako imamo dovoljno energije, možemo da formiramo čestice materije i antimaterije u jednakim količinama ili da se čestice materije i antimaterije anihiliraju, pređu u elektromagnetno polje veoma velike energije. Kroz proces stvaranja velike količine energije, shvatili bismo da je došlo do susreta materije i antimaterije. Kada bi takvih susreta u svemiru bilo, imali bismo signale velikih energija. Mi takvih procesa u našoj galaksiji a i u opaženom delu svemira nemamo, što jasno ukazuje da u našoj galaksiji nema značajne količine antimaterije.

Proces u kome nestaju neke čestice naziva se anihilacija a proces kojim dobijamo nove čestice kreacija. Nove čestice možemo da stvaramo samo ako imamo čestice velike energije. Do tridesetih godina prošlog veka u nauci se znalo za mali broj čestica (elektron, proton, neutron). Od ovih čestica se sastoji veći deo materije koja nas okružuje. U eksperimentalnoj situaciji su otkrivene stotine i stotine čestica i u njima zakonitosti materije. Najlakše se eksperimentiše sa protonima i elektronima, a uređaji koji ih ubrzavaju zovu se akceleratori. Ubrzanje je srazmerno veličini uređaja.

Proton i neutron se sastoje od čestica za koje danas smatramo da su elementarne a nazivaju se kvarkovi. Proton se sastoji od tri kvarka a antiproton od tri antikvarka. Cela priča o česticama i antičesticama se tako svodi na kvark i antikvark. Kvark je čestica materije a antikvark čestica antimaterije. Mezoni se sastoje od kvarkova i antikvarkova i oni su sami sebi antičestice. Neutralna čestica je istovremeno čestica i materije i antimaterije.

Razne čestice nemaju proizvoljne vrednosti naboja nego se oni «simetrično» slažu. Recimo, mezoni koji su složeni u tri čestice – pi 0, eta 0 i eta prim, koje su u isto vreme i antičestice. Antičestica pi + je pi -, k+ ima antičesticu k - , a k 0 antičesticu – k 0. Kod svih drugih čestica koje dobijemo u eksperimentu, a nisu nam dostupne, proizvodimo istu količinu materije i antimaterije, kaže Šijački.

Funadamentalna znanja o svetu u kome živimo su prva korist od fizike elementarnih čestica. U istraživanjima mikrosveta i kosmosa nema neposredne koristi, a ipak je reč o fantastičnim koristima (koje se gotovo ne mogu zamisliti). Ona se investitoru isplate kroz čitav niz proizvoda. Svemirski program i fizika elementarnih čestica su dve komplementarne discipline. Gradnja jedne svemirske stanice ili slanje čoveka u kosmos zahteva tehnološka rešenja koja nemamo na raspolaganju. Uzgred se dobije desetina hiljada proizvoda koji su komercijalne prirode. World wide web je, npr., napravljen u CERN-u da bi fizičari elementarnih čestica mogli međusobno, istovremeno, lako da izmenjuju tekst, sliku, zvuk i druge podatke na pristupačan način. Komunkacija sa svemirskom stanicom koju šaljemo na Mesec je mnogo veći izazov nego između dva mesta u istoj državi, jer je potreban drugi kvalitet veze. I Zapad i bivši SSSR su imali svemirski i nuklearni program, ali na Istoku je iz ideoloških razloga sve bilo u domenu tajne, a komericijalno orijentisani Zapad je znao šta je važno čuvati u tajnosti a šta se maksimalno može izvući iz programa i izneti na tržište.

Nova hemija

Na pitanje gde bi istraživanje antimaterije imalo praktičnog značaja, profesor Šijački odgovara da ne vidi neki naročiti značaj, navodeći neku vrstu hemije, gde bi se hemijski elementi pravili od antimaterije, od antiatoma. «Naučnici su 1995. godine uspeli da proizvedu antiatome vodonika, kao i jezgra antideuterijuma koja se sastoje od antiprotona i antineutrona ali ne i jezgra složenijih atoma. Antivodonik je dobijen bombardovanjem mete od atoma ksenona antiprotonima proizvedenim u akceleratoru. Kad se antiproton primakne jezgru ksenona, formira se par elektron-pozitron i postoji konačna verovatnoća da antiproton ‘zarobi' pozitron i tako formira atom vodonika. Verovatnoća dobijanja jednog atoma vodonika od jednog antiprotona je strahovito mala i iznosi oko 10a-19, tako da je jasno da ovaj metod ne predstavlja efikasan način proizvodnje antivodonika», kaže Šijački.

U nedavnim eksperimentima ATRAP i ATHENA naučnih kolaboracija u CERN-u pozitroni dobijeni iz radioaktivnog natrijuma i antiprotoni su dovođeni u kontakt u ‘magnetnim zamkama' što je, kako navodi naš sagovornik, rezultiralo formiranjem sto antivodonikovih atoma u svakoj sekundi. Antivodonik je na ovaj način počeo da se dobija 2002, a do kraja prošle godine je proizvedeno oko 100 hiljada atoma antivodonika. «Načelno, dovoljno velika količina antimaterije bi mogla da omogući antijezgra ostalih elemenata i cele antiatome, koji bi imali iste hemijske osobine kao odgovarajući elementi materije. Nažalost, realizacija takve ‘periodne tabele antielemenata' je veoma malo verovatna, jer podrazumeva raspolaganje sa praktično astronomskim količinama antimaterije», kaže Šijački.

Zašto ogroman energetski potencijal antimaterije ne može da se iskoristi (reč je o «čistoj» energiji koja ne stvara zagađenje ni radijaciju a čija jedna kap bi, kažu, mogla snabdevati Njujork strujom čitav jedan dan)?. CERN ima pogon (decelerator antiprotona) za proizvodnju mnogo većih količina antimaterije nego do sada.

U sudaru materije i antimaterije, objašnjava Šijački, kompletna masa mirovanja čestica prelazi u energiju, koja je po jedinici mase oko deset milijardi puta veća od hemijske energije i oko sto puta veća od nuklearne energije. Primera radi, reakcija 1 kg materije i 1 kg antimaterije dala bi energiju od oko 1,8x10a17J, dok sagorevanje 1 kg nafte daje oko 4,2x107J, a termonuklearna fuzija 1kg vodonika daje 2,6x10a15J. «Korisni deo energije dobijene u materija/antimaterija reakciji nije veći od 50 odsto, jer preostalu energiju nose neutrini», glasi zaključak istraživača.

Fizika neutrina

Proučavanje fizike neutrina je postala jedan od vrućih tema fizike elementarnih čestica. Interes za ovu problematiku raste, grade se novi eksperimentalni uređaji, a očekuju se odgovori na neka od najinteresantnijih pitanja fizike mikrosveta i savremene kosmologije. «Poslednjih nekoliko godina dobijeni su novi eksperimentalni rezultati proučavanja atmosferskih, solarnih i akceleratorskih neutrina. Eksperimentalni rezultati jasno ukazuju», veli Šijački, »da neutrini imaju masu, doduše vrlo malu, što je obrt prema višedecenijskom ‘verovanju' da neutrini imaju nultu masu. Ovi rezultati iziskuju reviziju tzv. ‘standardnog modela' fizike mikrosveta, tj. teorije koja vrlo uspešno opisuje bazične čestice materije i fundamentalne interakcije koje vladaju u mikrosvetu».

Jedno od značajnih novih saznanja je efekat neutrinskih oscilacija, narušenje CP simetrije i odgovarajući «disbalans materije u odnosu na antimateriju u svemiru».

Neutrino! Kakva je to elementarna čestica? Na početku se znalo za jednu, a sada se zna za tri neutrino čestice: elektronski-neutrino, mionski-neutrino i tau-neutrino, koji se javljaju u procesima elementarnih čestica zajedno sa elektronom, mionom i tau česticom. «Neutrino čestica je ušla u fiziku na čudan način, još 1931», priča profesor Šijački. «Profesor Volfgang Pauli je predložio postojanje ove čestice da bi ‘spasao' zakon o održanju energije – jedan od temelja fizike. U tzv. beta (malo grčko slovo) raspadu neutrona na proton i elektron konstatovano je da ne važi zakon o održanju energije. Pauli, vrlo smelo za to vreme, smatra da u raspadu učestvuje još jedna čestica koju je teško opaziti i koja odnosi deo energije. Ime neutrino je dao Enriko Fermi sa idejom da ukaže da ova čestica ‘izgleda' kao neki mali neutron. Fizika je spasena a počinje mukotrpna potraga za neutrinom, koja je urodila plodom tek 1956.»

Neutrino je čestica spina 1/2 (kao elektron, proton i neutron), smatralo se da je nulte mase i učestvuje samo u slabim interakcijama (određeni raspadi čestica, fuzioni procesi). Interakcija neutrina sa drugom materijom je tako slaba da oni jednostavno prelaze enormna rastojanja bez ikakvog kontakta sa drugom materijom. Samo otkriće neutrina, proizvedenih u nuklearnom reaktoru, bilo je značajan događaj, ali je mnogo skeptika u naučnim krugovima uticalo da se Nobelova nagrada za ovo otrkiće dodeli tek 1995.

Kao što Dirakova relativistička jednačina opisuje masene čestice spina 1/2, tako je daroviti mladi naučnik Etore Majorana (na misteriozan način nestao sa broda na jugu Italije) konstruisao jednačinu za opis neutrina (Majoranova jednačina). Pretpostavka da neutrini imaju malu nenultu masu i da zbog svojih specifičnih svojstava u toku vremena međusobno osciluju, tj. prelaze iz jedne vrste u drugu, eksperimentalno je potvrđena 1998, na Super Kamiokande detektoru u Japanu, a potom i u više drugih eksperimenata.

Neutrinske oscilacije

«Neutrini su u stvari svugde oko nas», kaže Šijački. «Procene o količini neutrina nastalih u ‘big bengu' su da u svakom kubnom centimetru svemira ima oko 330 neutrina. Glavni veštački izvor neutrina su nuklearni reaktori koji u proseku proizvedu 50.000 ovih čestica u sekundi. Neutrini u Zemlji nastaju kao posledica radioaktivnih procesa, sunčani neutrini nastaju u fuzionim procesima koji daju energiju Sunca, a važan su proizvod supernova. Većinu energije koju proizvede supernova, kada se u njenom jezgru stvaraju neutroni iz protona i elektrona, odnosi mlaz neutrina. Ova pojava je prvi put eksperimentalno primećena 1987, posmatranjem supernove 1987a. Smatra se da bi se neutrini proizveli u značajnim količinama i pri sudaru dve neutronske zvezde».

Po nekim teorijama, u suštini i nema razlike između neutrina i antineutrina, oni su istovremeno i materija i antimaterija. Što se neutrinskih oscilacija tiče, one su odraz narušenja CP simetrije. Naučnici smatraju da su u periodu ranog svemira one mogle da dovedu do povećanja količine materije u odnosu na antimateriju, koja je potom bila praćena anihilacijom antimaterije i odgovarajuće količine materije. Neto rezultat je, veli profesor Šijački, dominacija materije (razlika količine materije i antimaterije) u svemiru, koja je kasnije «kondenzovana u kosmičku prašinu iz koje su nastale zvezde, planete i konačno živi svet na zemlji»

Fizika je u bazičnim znanjima poslednjih pedeset godina otišla strahovito daleko, više neogo ikada ranije. Možemo da rekonstruišemo šta se praktično dešavalo od nastanka svemira (posle vremena od 10 na –42 sekunde). U oblasti rastojanja i vremena nema nepoznanica. Nema nepoznanica od čega se sastoji bilo koja materija u svemiru. Ceo svemir se sastoji od kvarkova i leptona. Postoji šest kvarkova čije su oznake – u, d. s, c, b, t, leptoni su zajedničko ime za sve druge čestice. Antimaterija postoji unutar protona i neutrona, u nezamislivo kratkim intervalima, i uvek u kombinaciji sa materijom. Stalno nastaje i nestaje, a bez tog stalnog nastajanja i nestajanja ne bi bilo veze među kvarkovima.

Osnovne sile

Sve što se događa u svemiru događa se pod uticajem jedne od četiri osnovne sile: gravitacione, elektromagnetne, jake (nuklearne) i slabe (koja se manifestuje u termonuklearnim procesima). Kad bismo imali jednaku smešu materije i antimaterije ne bismo imali ovaj naš svet ovakav kakav jeste, kaže Šijački. Materija i antimaterija bi stalno bile u kontaktu i izazivale ekspolozije i raspadanje i ne bi bilo mogućnosti da se na duže vreme formiraju atomi, od atoma molekuli, pa kondenzovana stanja i složeniji sistemi.

Da li ljudsko telo ima i antimateriju? U principu ima, ali na vrlo dubokom nivou. Antimaterije nema na niovu atoma, ni elektronskog omotača. Ima je na novou jezgra, ali se ona javlja u veoma kratkim intervalima i nestaje. Zato ne možemo direktno kazati da naše telo ima antimateriju. Međutim, kad imamo neki gluon on će stvoriti kvark i antikvark, pri čemu se u veoma kratkim intervalima stvaraju i čestice antimaterije i nestaju. U tom aspektu, veli profesor Šijački, stalno imamo antičestice, bez kojih ni kvarkovi ni protoni ne bi bili na okupu i jednostavno ne bismo postojali. Na ovom nivou u svakom od nas u svakom trenutku postoji antimaterija.

Planeta

Kada napadne antimaterija

Ono što najviše kopka u vezi sa antimaterijom je njena nedodirljivost. Čestice antimaterije se povinuju istim zakonima fizike kao i čestice materije ali, ukoliko dođe do dodira između njih, čestice poništavaju jedne druge i eksplodiraju uz oslobađanje energije. Ipak, fizičari su otkrili da stvari i nisu tako jednostavne.

Najnoviji eksperimenti su pokazali da čestice materije i antimaterije mogu koegzistirati u isto vreme, što bi moglo otvoriti potpuno nezamisliva područja nauke, tj. jednu saasvim novu vrstu hemije.

Ovo otkriće je posledica traganja za odgovorom na pitanje: zašto se međusobno poništavanje čestica materije i antimaterije dešava veoma brzo. Taj proces opisuje teorija koja objedinjuje elektromagnetne sile i slabe sile, koje su u osnovi univerzuma. Uz pomoć ove teorije, istraživači mogu da otkriju koliko brzo neki elektron biva uništen u prisustvu pozitrona, njegove odgovarajuće čestice u okviru antimaterije. Rezultati se ne slažu u potpunosti sa onim što teorija pretpostavlja.

Klif Surko, stručnjak za antimateriju sa Univerziteta u San Dijegu, je još 1987. koristio «jonsku zamku», održavanu na visokom nivou vakuuma, kako bi proverio koliko dugo pozitroni mogu da postoje pre nego što dođe do njihovog uništenja. Koristio je električna i magnetna polja kako bi zadržao pozitrone da ne dođu u kontakt sa materijom. Uspeo je u nečemu čemu se manje nadao. Očekivao je da će životni vek pozitrona biti malo duži od jednog minuta, a trajao je oko tri desetinke sekunde.

Istraživači antimaterije su skovali termin «zef» (Zeff) kako bi izmerili koliko brzo čestica materije nestane nakon što je pogodi pozitron. Jedan elektron, po definiciji, ima vrednost zef 1, tako da bi se moglo očekivati da će zef jednog atoma ili molekula imati približnu vrednost broju elektrona koje sadrži. Svojim eksperimentima, Surko je otkrio brojne varijacije u vrednosti zefa kod različitih molekula. Pojedini molekuli su imali vrednosti zefa i do 10 miliona. Reč je o stabilnim organskim molekulima, sa samo nekoliko stotina elektrona, koji su reagovali poput dinamita kada bi došli u dodir sa antimaterijom.

Surko je došao do ovih rezultata 1992. godine. U isto vreme, tim naučnika istraživao je interakciju materije i antimaterije na Univerzitetu u Sidneju, pod vođstvom fizičara Gleba Gribakina. On su utvrdili, prema primeni teorije o električnim i slabim silama, da se elektron i pozitron poništavaju kada dođe do čeonog sudara te dve čestice. Ali, šta bi se desilo ukoliko ne bi došlo do toga? Da li pozitivan napon pozitrona omogućuje da se povežu elektroni u molekulu kroz koji pozitron proleće?

Slična teorija postojala je još 1951, kada je otkriveno da se pozitroni mogu vezati za elektrone, stvarajući neutralni sistem nalik atomu nazvan pozitronijum, koji je bio stabilan tokom 100 nanosekundi. Tada se smatralo da električno privlačenje negativno naelektrisanog elektrona i pozitivno naelektrisanog pozitrona održava pozitronijum kao celinu. Iako se činilo da to ima smisla, Gribakin je smatrao da bi bilo moguće i da se pozitron veže za neku česticu, čak iako ona nije negativno naelektrisana. Kada bi pozitroni bili u prilici da deformišu oblak elektrona koji okružuje jezgro središnjeg atoma, na primer, to bi dozvolilo pozitronima da se vežu sa tim atomom.

Prema ovom scenariju, pozitron ne bi morao da se direktno sudari sa elektronom da bi došlo do njihovog uništenja: bilo bi mu potrebno samo da se dovoljno približi i bude uvučen u jedinjenje antimaterije i materije. Na kraju bi to privlačenje čestica izazvalo koliziju, a samim tim i poništavanje, čime bi taj hibrid nestao.

Slična istraživanja su vršena i na Univerzitetu u Darvinu, u Australiji, gde je grupa naučnika pokazala da bi interakcija između pozitrona i atoma litijuma trebalo da omogući formiranje stabilnog jedinjenja. Predvideli su i životni vek tog jedinjenja atoma i pozitrona: pozitron bi pogodio jedan od tri elektrona u atomu litijuma nakon jedne nanosekunde; ali, dok se to ne desi, hibrid bi se ponašao kao nova vrsta hemijskog jedinjenja.

Pomenuti proračuni su promenili način na koji naučnici posmatraju antimateriju. Predviđeno je da deset različitih atoma mogu da se vežu sa pozitronom. Te pretpostavke nisu eksperimentalno potvrđene, ali su i sami proračuni bili dovoljno uverljivi da ubede fizičare da jedinjenja između materije i antimaterije postoje. Bio je to značajan napredak, ali još uvek nedovoljan da objasni misteriju Surkoovih rezultata. Proračuni su važili jedino za atome, ali nisu objasnili kako pozitroni tako lako reaguju sa krupnim molekulima. Tom sledećem koraku doprineo je Gribakin, kada je 2000. godine pokazao da će se pozitroni pre vezati sa nekim molekulima nego sa atomima.

Da bi došlo do poništavanja pozitrona i elektrona, oni moraju da se približe situaciji u kojoj će izgubiti određeni deo svoje kinetičke energije. Na nivou atoma, energija ne može da bude tek tako odbačena, već mora negde otići. Molekuli imaju mesto za smeštanje viška energije. Kada se sudare pozitron i molekul, energija pozitrona se može preneti u vibraciju molekula. Jedan veliki molekul može da vibrira na mnogo različitih načina, tako da bi trebalo da postoji širok raspon energija nadolazećih pozitrona koje molekul može da primi.

Gribakin je pretvorio ovu ideju u model koji predviđa da različiti molekuli daju drugačije stope poništavanja, u zavisnosti od energije nadolazećeg pozitrona. Pretpostavke Gribakinovog modela Surko je predstavio u svojim eksperimentima. Na primer, veze koje uključuju vodonik su prilično slabe, uz mnogo prostora za vezivanje sa pozitronima, dok su atomi fluora čvršće povezani sa elektronima i ne dozvoljavaju im da se sjedine sa pozitronima.

Surko se potom posvetio eksperimentima stvaranja različitih jedinjenja čestica materije i antimaterije. Pozitroni u ovim jedinjenjima izmiču zakonima fizike, prema kojima nije moguće da dve čestice dele isto kvantno stanje. Rezultat je atom čije hemijske osobine ne postoje kod normalnih atoma. Broj elektrona koji zauzimaju svaki energetski nivo kod običnih atoma je ograničen. Međutim, ništa ne sprečava jedan pozitron da se nađe na istom mestu na kome se već nalazi jedan elektron. Zbog toga što raspored elektrona određuje hemijske osobine jednog atoma, otvara se niz novih mogućnosti.

Naučnici već rade na tome da se ova ideja pretoči u delo. Ako se pozitron veže za običan molekul i tamo dođe do njegovog uništenja, poremetiće molekul na način koji se može predvideti. To bi naučnike moglo navesti na stvaranje jedinjenja koja mogu nastati samo na taj način. Takva jedinjenja možda već postoje u našem univerzumu: zna se da naša galaksija, na primer, sadrži izvore antimaterije koji bi mogli biti mesta za hemijske reakcije kakve nikada nismo primetili na Zemlji.

(New Scientist)
Planeta

Potraga za supersimetrijom

Najnovijim posmatranjima kosmosa kao da smo se više približili rešavanju jedne od najpopularnijih teorija fizičara nego što su to dosad uspeli najskuplji akceleratori čestica. Većina fizičara i astronoma slažu se da galaksije sasvim sigurno sadrže mnogo više materije nego što zaista vidimo. Veruje se daje više od 90% svemira sačinjeno od „mračne materije". Čestice ove materije su masivne čestice za koje se smatra da suviše slabo reaguju u međusobnom kontaktu da bi proizvele primetnu radijaciju

Najpopularniji kandidat za česticu "mračne materije" je hipotetički neutralino. On je predviđen teorijom pod nazivom „supersimetrija", koju su predložili fizičari da bi objasnili zapažanja koja ne može objasniti standardni fizički model. Jedna od glavnih prednosti ove teorije je u tome što može da objasni „mračnu materiju". Prema njoj, svaka čestica koja nam je poznata ima veliki broj težih srodnika - čestica sa istim karakteristikama ali mnogo većom masom. Neutralino je najlakša od ovih supersimetričnih čestica.

Akceleratori čestica do sada nisu bili u stanju da stvore ili primete neku od ovih čestica. Američki astronom Kreg Tajler kaže da se približio ovom otkriću time što je zavirio u srce galaksije.

lako, obično, nikada ne bismo mogli da vidimo neutraline, oni bi se možda otkrili ako bi bili pritisnuti jedni uz druge uz dovoljnu primenu sile. Tada bi se poništili uz oslobađanje gama zraka. Tajler se u svojim posmatranjima usredsredio na jednu malu galaksiju po imenu Drejko. Ona sadrži daleko više „mračne materije" od većine drugih galaksija - ukupno 99,8%. Ipak, dok su posmatrali ovu galaksiju, naučnici nisu primetili gama zrake u njenom središtu.

Ukoliko je jezgro ove galaksije gusto kao što Tajler predviđa, on smatra da nedostatak gama zraka ozbiljno ograničava masu neutralina. Štaviše, ukoliko je magnetno polje galaksije Drejko slično onim koja su otkrivena u uporednim galaksijama, ono bi trebalo da odbija druge proizvode raspada neutralina, proizvodeći radio-talase. Međutim, ni prisustvo radio-talasa nije primećeno, što u teoriji znači daje isključeno postojanje skoro svake moguće mase neutralina.

Moguće je da su Tajlerove procene nedovoljno precizne jer ima malo podataka o galaksiji Drejko. On smatra da jezgro ove galaksije ima jako veliku gustinu, iako postoje samo podaci o delovima udaljenim od njenog jezgra.

Tajler ipak ne gubi nadu. On smatra da njegov pristup i dalje pruža mogućnost da se definiše pravi predstavnik „mračne materije". U ovome će mu pomoć pružiti veliki svemirski teleskop za posmatranje gama- zračenja.

M.J.
Planeta