¿Qué es la antimateria?

Entonces, ¿qué es la antimateria?

Incluso por el nombre, es obviamente lo "opuesto" de la materia ordinaria, pero ¿qué significa eso realmente?

Da la casualidad de que hay varias formas igualmente válidas de describir la diferencia. Sin embargo, el que creo que es más fácil de explicar es que en la antimateria, todas las cargas eléctricas de todas las partículas, en todos los niveles, se han intercambiado.

Así, los electrones ordinarios tienen cargas negativas, por lo que sus equivalentes en antimateria tienen cargas positivas. Los protones son positivos, por lo que en la antimateria obtienen las cargas negativas. Incluso los neutrones, que no tienen carga general , aún tienen partes internas (quarks) que definitivamente tienen carga, y esas también se invierten.

Ahora, para mí, la característica más notable de la antimateria no es cómo se diferencia de la materia ordinaria, sino cuán asombrosamente similar es a la materia ordinaria. Es como una imagen especular casi perfecta de la materia, y no uso esa expresión a la ligera, ya que resulta que obligar a la materia ordinaria a convertirse en su propia imagen especular es una de esas otras rutas que mencioné para explicar qué es la antimateria.

La similitud es tan cercana que grandes cantidades de antimateria, por ejemplo, poseerían la misma química que la materia ordinaria. De hecho, no hay ninguna razón por la que una persona viva completa no pueda estar compuesta de antimateria. Pero si te encuentras con una persona así, como cuando flotas fuera de una nave espacial sobre la tierra, te recomiendo encarecidamente que seas muy antisocial. ¡No les des la mano ni los invites, hagas lo que hagas!

La razón tiene que ver con esos cargos, junto con algunos factores relacionados.

Todo el mundo sabe que las cargas opuestas se atraen. Así, en la materia ordinaria, los electrones buscan la compañía cercana de los protones. Les gusta pasar el rato allí, formando hidrógeno. Sin embargo, en la materia ordinaria también resulta que también hay todo tipo de barreras (me gusta pensar en ellas como deudas impagas con un banco muy estricto) que evitan que las cargas negativas de los electrones se acerquen demasiado a las cargas positivas. de los protones

Por lo tanto, mientras que los electrones y protones con carga opuesta podrían, en principio, fusionarse y formar una nueva entidad sin ninguna carga, lo que realmente sucede es mucho más complicado. Excepto por sus cargas opuestas, los electrones no tienen las "deudas" adecuadas para pagar todo lo que "deben" los protones, y viceversa. Es como mezclar manzanas positivas con naranjas negativas. Las deudas, que en realidad se llaman leyes de conservación, hacen posible que los protones y electrones fuertemente atraídos se acerquen mucho, pero nunca lo suficiente como para cancelar completamente las cargas de los demás. Eso también es algo muy bueno. Sin esa mezcla cercana pero no del todo de manzanas y naranjas,

Ahora echemos un vistazo a la antimateria de nuevo. Los electrones de la antimateria tienen carga positiva; de hecho, hace mucho tiempo que se les cambió el nombre a "positrones", por lo que, al igual que los protones, también se sienten fuertemente atraídos por los electrones que se encuentran en la materia ordinaria.

Sin embargo, cuando agregas electrones a los positrones, ahora estás mezclando manzanas positivas con manzanas negativas. Esa misma similitud resulta en una mezcla muy peligrosa, una que no se parece en nada a la mezcla de electrones y protones. Esto se debe a que, para los electrones y los positrones, las diversas deudas que contienen coinciden exactamente y también son exactamente opuestas. Esto significa que pueden cancelar las deudas de los demás hasta su cantidad compartida más simple y absoluta, que es pura energía. Esa energía se emite en forma de una versión de luz muy peligrosa y de alta intensidad llamada rayos gamma.

Entonces, ¿por qué los electrones y los positrones se comportan tan mal cuando se juntan?

Aquí hay una analogía simple: sostenga una banda elástica con fuerza en sus dos extremos. Luego, coloque un AAA entre los hilos en el medio. (Esto es más fácil para las personas con tres brazos). Luego, use la batería para enrollar la banda elástica hasta que quede bien apretada.

Ahora mira el resultado cuidadosamente. Observe en particular que los lados izquierdo y derecho están torcidos en direcciones opuestas y, de hecho, son aproximadamente imágenes especulares entre sí.

Estos dos lados opuestos torcidos de la banda elástica proporcionan un análogo simple a un electrón y un positrón, en el sentido de que ambos almacenan energía y ambos tienen una especie de "torsión" definitoria que está asociada con esa energía. Fácilmente podrías llevar la analogía un poco más lejos sujetando cada mitad de alguna manera y cortando la banda elástica en el medio. Con esa analogía más elaborada, las dos "partículas" podrían deambular por sí mismas.

Por ahora, sin embargo, simplemente suelte la batería y observe lo que sucede. (Importante: ¡Use gafas protectoras si realmente intenta esto!) Dado que sus dos "partículas" de imagen especular en cada lado de la batería tienen giros exactamente opuestos, se deshacen entre sí muy rápidamente, con una liberación de energía que puede enviar la batería. volando hacia algún lugar. La torsión que definía a ambas "partículas" se destruye al mismo tiempo por completo, dejando solo una banda de goma blanda y sin torsión.

Por supuesto, es una gran simplificación, pero si piensas que los electrones y los positrones son similares a los dos lados de una banda elástica retorcida, terminas con una idea sorprendentemente buena de por qué la materia y la antimateria son peligrosas cuando se colocan juntas. Al igual que los lados de la banda elástica, tanto los electrones como los positrones almacenan energía, son imágenes especulares entre sí y se "desenredan" si se les permite tocar, liberando su energía almacenada. Si pudieras mezclar grandes cantidades de ambos, el resultado sería un desmoronamiento cuya acompañante liberación de energía sería verdaderamente asombrosa (¡y muy probablemente fatal!) de contemplar.

Ahora, dado todo eso, ¿qué tan "real" es la antimateria?

Muy, muy real. ¡Sus firmas están por todas partes! Esto es especialmente cierto para el positrón (electrón de antimateria), que es la forma de antimateria más fácil de crear.

Por ejemplo, ¿alguna vez ha oído hablar de un procedimiento médico llamado exploración PET? PET significa tomografía por emisión de positrones... y sí, eso realmente significa que los médicos usan cantidades extremadamente pequeñas de antimateria para aniquilar partes del cuerpo de alguien. En ese caso, la antimateria es generada por ciertos procesos radiactivos, y los estallidos de radiación (esos rayos gamma) liberados al eliminar algunos electrones ayudan a los médicos a ver lo que sucede dentro del cuerpo de alguien.

Las firmas de positrones también son notablemente comunes en astrofísica, donde, por ejemplo, algunos agujeros negros son inusualmente buenos para producirlos. Nadie entiende realmente por qué ciertas regiones producen tantos positrones, a menos que alguien haya tenido algunas buenas ideas recientemente.

Los positrones fueron la primera forma de antimateria predicha por un tipo muy inteligente llamado Paul Dirac. No mucho después de esa predicción, también fueron la primera forma de antimateria detectada. Las partículas de antimateria más pesadas, como los antiprotones, son mucho más difíciles de fabricar que los positrones, pero también se han creado y estudiado en grandes cantidades utilizando colisionadores de partículas.

A pesar de todo eso, también hay un gran misterio con respecto a la antimateria. El misterio es este: ¿A dónde fue a parar el resto de la antimateria?

¿Recuerdas esas deudas que mencioné? Bueno, al crear universos, a los físicos, como a otras entidades notables, les gusta comenzar todo con energía pura, es decir, con luz. Pero dado que la materia tiene todas esas deudas desequilibradas, la única manera de moverse sin problemas entre la luz y la materia es tener la misma cantidad de antimateria en algún lugar del universo. Una cantidad de antimateria tan grande que no parece existir en ninguna parte. Los astrofísicos ya han mapeado el universo lo suficientemente bien como para no dejar escondites fáciles para grandes cantidades de antimateria.

¿Recuerdas que dije que la antimateria se parece mucho a una imagen especular de la materia? Ese es un ejemplo de una simetría. Una simetría en física es solo una forma de "girar" o "reflejar" o "mover" algo de una manera que te deja con algo que se parece al original. Dar la vuelta a un cubo entre sus varios lados es un buen ejemplo de una "simetría cúbica", por ejemplo (hay palabras más elegantes para ello, pero significan lo mismo). Las simetrías son un gran problema en la física moderna y son absolutamente críticas para muchos de nuestros conocimientos más profundos sobre cómo funciona nuestro universo.

Así que la materia y la antimateria forman una simetría casi exacta. Sin embargo, esa simetría se rompe de manera bastante espectacular en astrofísica, y también de manera mucho más sutil en ciertos experimentos de física. Exactamente cómo esta simetría puede romperse tan mal a nivel del universo mientras que solo se rompe muy sutilmente a nivel de partículas es realmente un misterio.

Entonces, ahí lo tienen, un mini-tutorial sobre qué es la antimateria y dónde ocurre. Si bien es un poco exagerado, su pregunta es buena sobre un tema fascinante.

Y si ha leído todo esto y ha encontrado interesante algo de lo que acabo de decir, ¡no se detenga aquí! La física es uno de esos temas que se vuelve más fascinante a medida que profundizas en él. Por ejemplo, algunas de esas ecuaciones de aspecto críptico que verá en muchas de las respuestas aquí también son posiblemente algunos de los objetos más hermosos jamás descubiertos en la historia humana. Aprender a leerlos lo suficientemente bien como para apreciar su belleza es como aprender a leer gran poesía en otro idioma, o como "escuchar" la estructura profunda de una pieza de música clásica realmente buena. Para la física, la recompensa es una profunda revelación de estructura, belleza y perspicacia que pocas otras disciplinas pueden ofrecer.

¡No te detengas aquí!

Solo para agregar a las respuestas anteriores:

Hay un poco de confusión generalizada con respecto a la antimateria y la materia. La confusión es así: la antimateria es materia . Bueno, a veces.

Básicamente, la materia se clasifica así:

$\newcommand{\matter}[1]{\overbrace{ \text{ antimatter}+#1}^\text{matter}}\newcommand{\M}{\scriptsize{\mathcal{MATTER}}} \newcommand{\m}{\text{matter}}\newcommand{\a}{\text{antimatter}}$

Eso no significa:

En cambio, significa que "materia" tiene dos significados:

Dónde$\M$se refiere a las "cosas" de nuestro universo, y$\m$se refiere a "lo opuesto a la antimateria".

Continuaré usando la fuente de caligrafía curlicue para distinguir entre las dos definiciones de materia.

Bien. Propiedades de$\M$:

• Ejercerá una fuerza gravitatoria atractiva sobre otros$\M$. en cualquier otro$\M$. Incluso si es$\a$. No existe tal cosa como masa negativa , incluso cuando se habla de$\a$
• Va a velocidades subluminales.

Por otra parte,$\m$realmente no significa mucho, excepto "lo opuesto de$\a$". Básicamente, para un tipo dado de partícula , tendrá una antipartícula con la carga opuesta (y otras propiedades opuestas).

La antimateria fue predicha por primera vez por Dirac. Apareció a partir de un truco que usó para hacer que su ecuación tuviera sentido físico; a saber, postuló que hay una "escalera" de electrones infinitos en cada punto del espacio, excepto que los electrones aquí tienen energía negativa y, por lo tanto, no salen. . Se dio cuenta de que cuando bombeas energía, se puede hacer que salte un electrón, y tendrá un agujero correspondiente en la escalera (IIRC se dio cuenta de esto después de hacer el cálculo simple de disparar electrones en la pared). Estos "agujeros" actuaron de manera muy parecida a los electrones, excepto que tenían una carga opuesta. Y aniquilaron electrones al contacto. En ese momento, Dirac nunca las consideró realmente partículas verdaderas (y por lo tanto no verdaderas).$\M$). En cambio, eran algo nuevo y exótico, fundamentalmente diferente de$\M$. Así que la terminología tiene sentido aquí.

Cuando se descubrió por primera vez la antimateria,$\m$se definió como "lo que hay más". Los positrones (antielectrones) eran bastante raros: había que buscar en las trayectorias de los rayos cósmicos para encontrarlos. Los antiprotones aún no se habían descubierto. En ese momento, cuando se conocían muy pocas partículas (protón, electrón, positrón y más tarde el neutrón), esta clasificación parecía razonable. Asi que$\a$se convirtió en una clasificación para todas las nuevas partículas que exhibían propiedades opuestas. La terminología tiene menos sentido que antes, porque ahora$\a$es fundamentalmente lo mismo que$\m$, solo que menos abundante. Pero todavía tiene sentido ya que no habían descubierto el antiprotón... todavía .

Hoy en día tenemos una profusión de partículas. La mayoría de las partículas son tan menos abundantes como su antipartícula. Así que ahora tenemos algunas convenciones para diferenciar$\m$de$\a$--estas convenciones conservan el hecho de que los protones, los neutrones y los electrones son$\m$, y por lo tanto nuestro universo está compuesto casi en su totalidad de materia. Cuando los físicos preguntan "¿por qué nuestro universo está hecho de materia, adónde fue la antimateria?", en realidad están preguntando "¿adónde fueron los positrones, los antiprotones y los antineutrones?": existen leyes de conservación que hacen que una partícula sea simétrica con su antipartícula.

Vayamos a la evidencia del mundo real, y no hay nada como las imágenes de la cámara de burbujas (excepto si se trata de emulsiones) que demuestra la existencia de antipartículas.

La conservación de los números cuánticos y la energía requieren la existencia de antimateria en estos eventos representados en los enlaces, como el modelo matemático más económico. Cuando un antiprotón en el haz (o de una antilamda en el evento interesante en el segundo enlace) golpea un protón, hay energía extra que la que proviene del haz, liberada por la interacción y vista y medida en las imágenes, de del orden de dos masas protónicas . La hipótesis más económica es que el antiprotón se ha aniquilado a sí mismo en un protón según las reglas de la relatividad especial, y los productos finales se crean desde cero en lo que respecta a los números cuánticos, ya que todos se ponen a cero.

Los pares de posthierro de electrones producidos a partir de rayos gamma muestran el efecto opuesto, de cómo al conservar los números cuánticos y la energía se crean partículas opuestas.

Tengamos cuidado de decir que tanto las partículas como las antipartículas están hechas de materia/antimateria que reacciona a la gravedad de la misma manera, es decir, tanto los protones como los antiprotones son atraídos por la gravedad. Este rasgo no se invierte.

Originalmente, la respuesta era simple: cuando la única instancia de antimateria era el positrón, parecía bastante simple: la antimateria tiene carga opuesta y "aniquila pares". Pero esto no explica la antimateria de los bosones como los protones o los neutrones. Tampoco explica cómo algunas partículas pueden ser sus propias antipartículas.

Pero gracias a la aplicación de la teoría de grupos a la física, tenemos una forma que caracteriza correctamente todas las antipartículas en el modelo estándar: si la partícula está representada por un vector base en una representación lineal, la antipartícula está representada por el vector básico correspondiente en la representación dual.

Eso puede ser dolorosamente abstracto y no muy intuitivo, pero funciona. Sin excepción.

La historia;
La antimateria es un concepto desarrollado por Paul Dirac a finales de la década de 1920. Se dio cuenta de que las ecuaciones de Einstein

1. $m=0$
2. $p=0$

El Caso 2. es entonces el famoso

Por supuesto, lo anterior también es cierto para el impulso y la velocidad de la luz, pero como son vectores, esto significa simplemente un cambio de dirección.

Entonces, esta idea es la fuente de todo el concepto de "antimateria". La primera idea fue que el electrón y el protón serían estas masas opuestas. Esta explicación fue dada en el libro “En busca del gato de schrödinger” (John Gribbin) -Capítulo 7, páginas 124-125.

Mi opinión sobre esto es que ES solo un "nuevo truco matemático" , pero como esta etiqueta se le dio a la constante de Planck durante más de 15 años, (1900->) (Mismo libro, página 42), antes de que "Quantum" resultó ser Sea la descripción de la realidad, la sociedad científica estaba ansiosa por aceptar "cualquier matemática" siempre que funcionara.

El aspecto principal de este asunto de antimateria-materia es la producción de parejas. Esto simplemente significa que el par de partículas se puede producir con$2E$o si se están aniquilando unos a otros, "$2E$desaparecerá.

Todo esto puede ser cierto, pero aún existe la posibilidad de que no haya antimateria en absoluto, y esto es solo un truco matemático. Esto cambia la física solo ligeramente. En vez de$2E$la "energía aniquiladora" sería$\sqrt{2}E$.

Puedo probar esto matemáticamente, como$p=\frac{E}{c}$,$m=\frac{E}{c^2}$y$E=hv$la ecuación se puede escribir;

Pero debo admitir que en este momento no he podido evaluar la llamada "evidencia del mundo real". Si la única evidencia del mundo real son estas imágenes de la cámara de burbujas, entonces puedo concluir con seguridad que la Energía realmente es "del Orden 2". -como dijo en la respuesta de anna v. Más precisamente$\sqrt2$.

Sin embargo, propongo leer la respuesta de Terry Bollinger, hasta el final;

"¡No te detengas aquí!"