Antimaterie

Waar is het van gemaakt?

In de natuurkunde komen alle elementaire deeltjes, of de basisbouwstenen van de dingen die we kunnen aanraken, in paren voor. Elk deeltje heeft een zogenaamd antideeltje. Dit kan er net zo uitzien en zich net zo gedragen als het gewone deeltje, op één groot verschil na. Een voorbeeld is het elektron en het positron.

Andere antimateriedeeltjes hebben hetzelfde gewicht, zien er hetzelfde uit en handelen hetzelfde als gewone deeltjes, maar hun elektrische lading is tegengesteld aan die van gewone deeltjes. Bij antihydrogeen bijvoorbeeld draait het positron, dat positief geladen is, om een antiproton, dat negatief geladen is, wat het tegenovergestelde is van wat bij gewoon waterstof het geval is, waarbij het elektron (negatieve lading) om een proton (positieve lading) draait.

Annihilation

AlbertEinstein vond een formule die kan aangeven hoeveel energie een bepaalde hoeveelheid van iets heeft, of het nu materie of antimaterie is. Deze formule is E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} en is een van de bekendste vergelijkingen. Eenvoudig gezegd, als je de massa van iets neemt en die vermenigvuldigt met de lichtsnelheid, en dan nog eens vermenigvuldigt met de lichtsnelheid, dan krijg je hoeveel zuivere energie een gegeven stuk van iets heeft. Aangezien de lichtsnelheid zo'n groot getal is, betekent dit dat zelfs een kleine hoeveelheid materie heel veel energie kan hebben (naar schatting is dit per massa 4 keer zo effectief als kernsplitsing).

In 1928 was de natuurkundige Paul Dirac op zoek naar een vergelijking die zou voorspellen hoe zeer snelle deeltjes zich zouden moeten gedragen. Er was al een andere vergelijking die langzaam bewegende deeltjes kon beschrijven, de Schrödingervergelijking, maar Einsteins speciale relativiteitstheorie zei dat snelle deeltjes heel anders konden zijn dan langzame deeltjes. Dirac wist dat deeltjes zoals elektronen gewoonlijk zeer snel bewogen. Hij realiseerde zich dat de oude vergelijking geen goede voorspellingen zou doen voor snelle deeltjes. Dus bedacht hij een nieuwe vergelijking die deeltjes kon beschrijven die zich dicht bij de lichtsnelheid bewogen.

Voor snelle deeltjes is het niet langer waar dat de energie E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . In plaats daarvan werkte Dirac's nieuwe vergelijking voor deeltjes waarbij de energie gegeven werd door E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\c {p}}^{2}c^{2}} . In de nieuwe vergelijking voor energie wordt het symbool p → {\displaystyle {\vec {p}}} het momentum genoemd, en het geeft aan hoe snel het deeltje gaat en hoe moeilijk het is om te stoppen. Deze vergelijking zegt dat zeer snelle deeltjes meer energie hebben en dus anders zijn dan langzame deeltjes. Je kunt de vierkantswortel nemen van elke zijde van deze vergelijking, aangezien beide zijden gelijk zijn. Elke reele vierkantswortel heeft echter twee antwoorden, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}^{2}c^{2}}}} en E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}^{2}c^{2}}}} . Je kunt het antwoord met negatieve energie zien als antimaterie.

De reden dat dit belangrijk is om antimaterie te begrijpen, is dat wetenschappers hebben ontdekt dat wanneer materie en antimaterie elkaar raken, de hoeveelheid energie die vrijkomt heel dicht in de buurt komt van de hoeveelheid energie E = m c 2 {Displaystyle E=mc^{2}} die volgens wetenschappers in die twee deeltjes samen zou moeten zitten. De reden hiervoor is dat elk materiedeeltje, wanneer het zijn antideeltje in de antimaterie wereld raakt, beide in pure energie veranderen, of elkaar vernietigen. Dit vrijkomen van zo'n grote hoeveelheid energie is de reden waarom veel science fiction schrijvers antimaterie gebruiken als brandstof in hun verhalen. Auteur Dan Brown bijvoorbeeld gebruikt antimaterie in "Angels and Demons" als een zeer krachtig wapen. Er wordt ook gekeken naar antimaterie als brandstof voor toekomstige echte missies naar de ruimte.

Waar is alle antimaterie?

Veel wetenschappers denken dat in de eerste ogenblikken na de oerknal, waardoor het heelal heel lang geleden ontstond, zowel materie als antimaterie zich vermengden. Als de oerknal gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zou maken, dan zouden die twee elkaar vernietigen en energie worden. Na lange tijd zou er geen materie en geen antimaterie meer over zijn, alleen nog energie. Maar ons huidige heelal lijkt bijna helemaal uit materie en bijna helemaal niet uit antimaterie te bestaan. Natuurkundigen weten nog niet zeker of er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zijn ontstaan, en daarom vragen zij zich ook af waar de antimaterie is gebleven, en of er nog iets is overgebleven van het begin van het heelal.

Eén verklaring is dat er in het begin net iets meer materie dan antimaterie was, zodat wat overbleef nadat de meeste materie en antimaterie in energie waren vernietigd, het overwegend-materie-universum werd dat we vandaag zien. Een andere theorie is dat er veel antimaterie is aan de andere kant van het heelal, ver buiten ons gezichtsveld. Zij zouden ook hun eigen sterrenstelsels en zonnestelsels kunnen hebben gevormd.

Gebruikt

Omdat antimaterie zoveel energie kan maken, kan het voor veel dingen worden gebruikt, bijvoorbeeld als brandstof om de ruimte in te gaan, of in onze auto's. Het probleem is dat antimaterie erg duur is om te maken, en bijna net zo duur om op te slaan, omdat het niet met gewone materie in aanraking kan komen. Het kost enkele honderden miljoenen dollars om minder dan een miljoenste gram antimaterie te maken. In feite is het de duurste en de zeldzaamste stof op aarde. Omdat het zo duur is, betekent dit dat antimaterie niet praktisch is om te gebruiken als wapen of als energiebron, omdat er zo weinig van te verkrijgen is.

Onlangs hebben wetenschappers echter antimaterie gedurende meer dan 16 minuten (1000 sec. totaal) gevangen gehouden.

Het wordt wel gebruikt in de geneeskunde, omdat een speciaal soort scanner, PET genaamd, wat staat voor positron emissie tomografie, positronen gebruikt om het menselijk lichaam binnen te gaan. Artsen kunnen kijken naar de manier waarop het positron in het lichaam van een mens in energie verandert, en kunnen zo vaststellen of er in het lichaam van een mens iets mis is. Dit soort machine werkt anders dan een röntgenapparaat of een MRI-apparaat (magnetic resonance imaging), en kan artsen helpen dingen te zien die deze andere machines niet kunnen zien.