Fyzici stále nevedia, prečo je skôr niečo ako nič. Nový výskum spochybňuje aj pohon známy zo Star Treku

Známy nemecký filozof Gottfried Leibniz († 1716) sa kedysi pýtal, prečo je skôr niečo ako nič.

Po tejto strede je jasné, že odpoveď na túto otázku stále nepoznáme. Štúdia z Nature vydaná tento týždeň totiž zistila, že hmota a antihmota sa v gravitačnom poli správajú rovnako.

Ako tento poznatok súvisí s uvedenou otázkou a prečo nové zistenie sklame fanúšikov fiktívneho pohonu warp, ktorý spopularizoval seriál Star Trek?

Na počiatku muselo byť viac hmoty ako antihmoty

Najprv si vysvetlime niekoľko základných pojmov, ako je antičastica alebo anihilácia.

Pre každú časticu platí, že má svoju antičasticu. „Majú takmer identické vlastnosti a líšia sa opačným elektrickým nábojom,“ vraví teoretický fyzik Juraj Tekel z Katedry teoretickej fyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave.

Napríklad atóm vodíka tvorí kladne nabitý protón a záporne nabitý elektrón. Atóm antivodíka tvorí záporne nabitý antiprotón a kladne nabitý antielektrón, ktorý sa odborne nazýva pozitrón.

Keď sa stretne častica s antičasticou, dochádza k anihilácii. „To znamená, že sa navzájom zrušia a výsledkom sú dva fotóny, teda dve častice svetla,“ dodáva Tekel.

Vedec vysvetlil, že antihmota vzniká napríklad pri vysoko energetických procesoch vo vesmíre. Ním bol napríklad veľký tresk, pri ktorom vznikol vesmír.

Po veľkom tresku sa hmota a antihmota medzi sebou anihilovali a pozostatkom po tomto procese „je obrovské množstvo fotónov, ktorými je vyplnený celý vesmír“.

Ak platí, že sa všetky častice a antičastice navzájom vyrušia, potom by nemal existovať žiadny hmotný svet a pozostatkom po anihilácii by malo byť len vyžiarené svetlo vo vesmíre.

Lenže hmotný svet existuje – ľudia, planéty aj galaxie sú vyrobené z hmoty.

To znamená, že na počiatku muselo byť o niečo viac hmoty ako antihmoty. Inak by hmotný svet nebol možný. „Z fotónov v kozmickom žiarení možno dopočítať, koľko hmoty a antihmoty bolo na počiatku. A ukazuje sa, že ten rozdiel bol maličký,“ vraví teoretický fyzik Juraj Tekel.

Záhada

Podľa súčasného štandardného modelu časticovej fyziky je správanie častíc a antičastíc natoľko podobné, že ním nemožno vysvetliť, prečo by na počiatku malo byť viac hmoty ako antihmoty.

Štandardný model časticovej fyziky opisuje najmenšie stavebné kamene, z ktorých je postavený náš svet – silnú, slabú a elektromagnetickú silu a elementárne častice.

Štvrtou základnou interakciou je gravitácia, no štandardný model ju nezahŕňa.

Preto sa vedci v novom výskume zamerali práve na gravitáciu – ak by sa častice a antičastice správali v gravitačnom poli celkom inak, možno by tým mohli vysvetliť, prečo pri veľkom tresku vzniklo viac hmoty ako antihmoty. Ak by sa antičastice správali inak ako častice a gravitácia by ich odpudzovala, niektorí fyzici špekulovali, že by to mohlo umožňovať cestovanie späť v čase.

Lenže nič z toho sa nepotvrdilo a vedci zistili, že antihmota reaguje na gravitáciu rovnako ako hmota. To znamená, že padá dole.

Na otázku, prečo sa pri veľkom tresku vytvorilo viac hmoty ako antihmoty, teoretický fyzik Juraj Tekel odpovedal, že „je to stále záhada“. Fyzici tak stále nevedia, prečo je skôr niečo ako nič.

O warpovom pohone

Okrem toho nové zistenia prekazili nádej prívržencov sci-fi na warpový pohon, fiktívnu technológiu vesmírnych lodí, ktorú najviac spopularizoval Star Trek.

Vesmírne lode sa v Star Treku pohybovali rýchlejšie ako svetlo. Zdroj – John DiMarco/YouTube

Warpový pohon vesmírnych lodí v tomto seriáli fungoval na mechanizme anihilácie hmoty a antihmoty vo fúznej reakcii. Následkom reakcie vznikalo obrovské množstvo energie, takže vesmírne lode mohli cestovať rýchlejšie ako svetlo. Pri tomto procese dochádzalo k zakriveniu časopriestoru.

Lenže výskum z Nature uvádza, že antičastice sa v gravitačnom poli správajú rovnako ako častice a gravitácia ich neodpudzuje. „Pointou je, že nič nie je zadarmo a my nebudeme schopní levitovať pomocou antihmoty,“ cituje New York Times astrofyzika a spoluautora novej štúdie Joela Fajansa z Kalifornskej univerzity v Berkeley.

Aj fyzik Juraj Tekel povedal, že pohon založený na odpudzovaní antihmoty gravitáciou nebude fungovať, „keďže hmota a antihmota sa v gravitačnom poli správajú rovnako“.

Experiment Alpha-g v CERN-e

Pozorovanie vplyvu gravitačnej sily na antihmotu opísané v Nature sa vykonalo na experimente ALPHA-g v CERN-e. Ide o prvé pozorovanie svojho druhu a umožnil ho až pokrok v technológiách.

„Predstavte si, že by ste ‚antinápoj‘ naliali do pohára, a keď by sa stretli, došlo by k záblesku, po ktorom by ste nemali ani pohár, ani ‚antinápoj‘,“ povedal o nástrahách tohto výskumu Juraj Tekel.

Výskum s antihmotou komplikuje aj fakt, že gravitačná sila je veľmi slabá sila a odlíšiť účinky gravitácie od iných vplyvov je náročné. „Ide o veľmi komplikovaný experiment a trvalo veľmi dlho, kým sa vymyslel, nastavil a otestoval,“ povedal Juraj Tekel.

Najjednoduchší atóm má vodík. Tvorí ho kladne nabitý protón v strede a záporne nabitý elektrón, ktorý obieha jadro. Antivodík, ktorý použili v CERN-e, má častice s opačným nábojom – pozitrón a antiprotón. Na tvorbu pozitrónov sa využila rádioaktívna kuchynská soľ, priblížil v článku pre portál The Conversation fyzik a člen vedeckého tímu William Bertsche z univerzity v Manchestri.

Antiprotóny vznikli pri zrážkach protónov v urýchľovači v CERN-e. Na to, aby sa s nimi dalo pracovať, sa v ďalšom kroku museli spomaliť z rýchlosti svetla na niekoľko sto kilometrov za hodinu, píše časopis Nature.

Vedci vytvorili asi stovku atómov antivodíka tým, že zlúčili obe antihmotné zložky.

Využili na to pasce, ktoré tvorili magnetické polia zložené z mnohých supravodivých magnetov. V nich bola teplota len 0,5 stupňa Celzia nad absolútnou nulou, čo ich dostatočne spomalilo.

Priebeh experimentu v CERN-e s antihmotou. Zdroj – NPG Press/YouTube

Správali sa podobne

Následne vedci oslabovali magnetické polia v hornej a dolnej časti pasce – podobne ako keby odstraňovali veko a dno plechovky. Senzormi zisťovali, ako antiatómy unikajú a anihilujú.

Po otvorení nádoby s plynom má obsah tendenciu rozširovať sa do všetkých smerov, ale pre nízku rýchlosť antiatómov mala gravitácia v tomto prípade pozorovateľný účinok.

Počas experimentu vyšlo takmer 80 percent antiatómov spodným otvorom a zhruba štvrtina tým horným.

Antihmota sa tak správala podobným spôsobom ako hmota – padala dole. „Hoci presnosť merania nie je najvyššia, je dostatočne vysoká na to, aby sme mohli povedať, že antihmota sa v gravitačnom poli nespráva výrazne inak ako hmota,“ zhrnul závery výskumu fyzik Juraj Tekel.

Vedec dodal, že experiment ALPHA-g je momentálne rozobratý a pracuje sa na spresnení ďalších meraní.

Dostupné z: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1