La limitele universului: antimateria

A ne cufunda în tainele strict fizice ale infinitului mic înseamnă a ne condamna la aceeaşi frustrare ca şi cea a exploratorilor infinitului cosmic care gasesc întotdeauna alte noi galaxii în spatele celor mai îndepartate galaxii. Tot astfel întotdeauna se descoperă ceva mai mic în spatele sau în interiorul celei mai mici particule descoperite.

Povestea  atomului

Timp de aproape 24 de secole gândirea europeană a fost dominată de o idee încolţită în mintea unui filosof grec. Era prin secolul IV înainte de Christos când Democrit a avut intuiţia că materia acestei lumi este constituita din particule elementare. Corpurile ar putea fi astfel divizate într-o multitudine de corpuri infinitezimale.

Pentru filozoful grec, care nu percepea lumea decat ca pe o entitate finită, era de neconceput ca materia să poata fi descompusa în elemente din ce în ce mai mici până la infinit. El botează deci atomi  (dupa cuvantul grec care înseamnă indivizibil) aceste particule de materie imposibil de disociat. Era deja o idee foarte avansată pentru epoca sa. Ea nu va fi repusa în discuţie înainte de a trece secole, poate si pentru faptul că era, din motive tehnice, complet neverificabilă.

Vor trebui aşteptate cercetările lui Lavoisier (1743-1794) şi ale lui Dalton (1766-1844), urmaţi de Richter, Proust, Gay-Lusac şi Ampere, pentru ca lumea ştiinţifică să înceapă a se îndoi de indivizibilitatea acestor „cărămizi” fundamentale ale materiei.

Cum s-au „născut” noi particule elementare

De fapt, atomismul venea chiar să reprezinte pasul cunoaşterii până la sfârşitul secolului XIX şi începutul celui de-al XX-lea. Cele doua teorii care fundamentează fizica modernă vor spulbera vechea idee a filosofului grec. Descoperirea relativitaţii şi a mecanicii cuantice face ca omul sa-şi piardă certitudinile asupra timpului si asupra determinismului fenomenelor naturale.

În acelaşi timp, evoluţia fizicii experimentale dezvoltă amplu cunoştinţele noastre de bază asupra structurilor materiei. De-a lungul anilor, atomul nu va înceta să fie mărunţit în „mâinile” fizicienilor. Va fi scindat în protoni, în neutroni şi apoi în particule elementare.

Indestructibil, după concepţia lui Democrit, plin după Newton, atomul ajunge să fie descompus. Fragmentele sale vor permite oamenilor de ştiinţă să stabilească modele din ce în ce mai fine, explicând cu din ce în ce mai multă precizie proprietăţile materiei. De atunci nu a mai încetat explorarea lumii particulelor elementare, în special prin punerea în joc a aparatelor tehnice din ce în ce mai sofisticate, cum ar fi acceleratoarele de particule, instrumente de bază ale fizicii nucleare şi ale altor ramuri ale fizicii.

Fiecare medalie îşi are însă reversul ei; la marginea acestor eforturi se află perspectiva fisiunii nucleare folosită în scopuri militare. În acest domeniu responsabilitatea marilor fizicieni ai epocii, a lui Einstein in primul rand, este angajată. Daca le putem ierta – si chiar ar trebui, din contra, sa-i felicitam – pentru faptul de a fi deschis cutia Pandorei în fizica nucleara, le vom trece greu cu vederea participarea directă şi iniţiativele personale la construirea primei bombe atomice americane.

În pofida tuturor acestor cercetări asupra particulelor elementare, nu s-a aflat însă ceea ce este este în realitate materia. Deja pentru câţiva teoreticieni noţiunea insasi de particule elementare este suspectă; acest aspect elementar ar putea să nu fie decât provizoriu şi legat de starea actuală a tehnicii şi inţelegerii noastre. Fiecare nouă etapa în înţelegerea structurii universului nostru corespunde unei noi coborâri către esenţa şi secretele infinitului mic.

După fizicianul american Gellmann am avea deja particule mai elementare decât cele ştiute , şi anume quarcii. Aceşti quarci ar putea fi descompuşi în particule şi mai mici care ar putea la rândul lor … şi aşa mai departe până la particula ultimă despre care nimic şi nimeni nu ne spune că ar exista într-adevăr.

Oglinda şi „spatele” materiei

Decât să caute să ştie ce se află în geamul oglinzii , alţi fizicieni s-au întrebat mai degrabă ce-am putea avea de partea cealalta a acestei oglinzi, în „spatele” materiei. Pentru  a întelege ratiunea lor, trebuie sa ne intoarcem un pic in timp chiar imediat dupa zguduirea definitiva cauzata fizicii de „erupţia” relativitatii si a  teoriei cuantice, ce au pus totodata bazele fizicii moderne.

Se punea pe atunci o întrebare: lumina este compusă din unde sau din particule – cele două teorii sunt riguros în opoziţie. Unde sau corpusculi? Conflictul face senzaţie. El va fi lamurit de către Louis de Broglie în 1935 şi de către Shrodinger în 1927 prin stabilirea teoriei mecanicii ondulatorii.

Puţin timp după aceea, Paul Dirac, un tânar fizician englez, formulează o teorie cuantică a electronului, inserând in aceasta elemente luate din teoria relativitaţii a lui Einstein referitoare la mecanica ondulatorie. Noi ecuaţii apar. Stupoare: ele dovedesc fara îndoială existenţa unor particule ignorate total până atunci – antiparticulele.  După Dirac, care publică cercetările sale în 1929, fiecare antiparticulă este corespondenţa unei particule. Ceea ce le diferenţiază este sarcina lor electrică de aceeaşi mărime dar de sens contrar.

În 1932 ipoteza lui Dirac este confirmată de către fizicianul C.D.Anderson, care identifică un pozitron – un electron pozitiv- în fotografiile urmelor de radiaţii cosmice, fotografii făcute intr-o cameră Wilson. Mai târziu alte antiparticule vor fi din nou detectate.

Puţin câte puţin noţiunea de antimaterie prinde contur. Prin analogie cu antiparticulele, această antimaterie ar fi echivalentul prin oglindire al materiei. Ea ar fi formată din antiatomi, care nu sunt altceva decât atomii compuşi din antiparticule.

Particulele şi antiparticulele nu ar putea coexista împreună „în pace” şi în nici un caz nu le putem separa pentru a le avea la îndemână în vederea studierii. Ele sunt menite să reacţioneze violent distrugându-se reciproc cu o uriaşă degajare de energie. De aceea spunem că ele se anihilează.

Acest fenomen explică fără îndoială pentru ce antiprotonii, antineutronii şi antielectronii  creaţi atificial în laboratoare facute din materie au o durată de viaţa atât de scurtă. Apariţia lor este efemeră. Ei nu sunt puţini. Cu toate acestea existenţa antimateriei n-a putut fi niciodată stabilită formal. Până în prezent nimeni nu a putut „fabrica”, nici observa această antimaterie.

Ceea ce nu a împiedicat însă imaginaţiile sa se înflăcăreze la această idee. În 1979, când a fost descoperită prezenţa antiprotonilor în radiaţiile cosmice, câţiva fizicieni au vrut să vadă în asta dovada existenţei antilumilor şi antiplanetelor.

Dacă ecuaţiile care descriu structura intimă a materiei sunt corecte, ele trebuie să se aplice si la această ipotetică antimaterie. Nu este deci imposibil de conceput, cu toată logica şi cu toată buna-credinţă, un univers simetric compus pe jumătate din materie, iar pe cealaltă jumătate din antimaterie.

Rămâne de explicat de ce antimateria este atât de rară în universul nostru. Pentru fizicieni aceste antilumi şi antiuniversuri nu rămân decât imaginare. Chiar la frontierele cele mai îndepărtate ale universului nostru asemenea antilumi nu au fost detectate. Ar fi poate  chiar imposibil.

Pentru a înţelege acest punct de vedere majoritar în lumea ştiinţifică, este necesar să facem o mică schimbare de direcţie înspre partea atomului pentru a studia câteva din legile sale elementare. A vrea să înţelegi antimateria necesită deja o bună percepere a structurii materiei. După toate acestea, materia şi antimateria ar putea să nu fie decât două aspecte diferite ale aceluiaşi întreg.

Paradoxal, chimia este aceea care dă o oarecare legitimitate noţiunii de atom. În 1892, lordul Raleigh măsoară faimosul număr al lui Avogadro: este numărul de molecule conţinute intr-un mol de gaz oarecare, molul fiind cantitatea de substanţă a cărei masă exprimată în grame este egală cu greutatea moleculară a compusului.

În fapt, cercetările lui Raleigh permit măsurarea masei atomului şi, deci, formarea unei idei despre dimensiunile sale. Vom găsi 10-10 microni. În 1896, Becquerel observă emisia spontană de radiaţii la minereurile de uraniu. Chiar dacă nu este înţeles atunci fenomenul, el este botezat „radioactivitate”.

Cu cercetările lui Pierre şi Marie Curie ne facem o idee mai precisă despre radiaţia atomică a diferitelor minereuri. Mai târziu se va înţelege că această radioactivitate nu vine din atomul propriu-zis, ci din unul din elementele sale fundamentale – nucleul atomic.

În sfârşit, ca urmare a cercetărilor făcute de Crookes, Jean Parrin si J. J. Thomson asupra trecerii curentului electric printr-un gaz, fizicienii sfârşitului de secol XIX află despre existenţa unui lucru nou dar primordial pentru viitorul ştiinţei lor – electronul.

Pe plan teoretic, electromangnetismul va rămâne fără îndoială ca una dintre cele mai frumoase realizari ale secolului al XIX-lea. Autorul său, Maxwell, a netezit drumul, facând astfel posibile cercetările lui Einstein şi teoria relativităţii.

În 1900, fizica era considerată de către oamenii de ştiinţă ca fiind o disciplină închegată şi perfect pusă la punct. Pentru aceştia nu rămăsese mare lucru de descoperit.

Doar două chestiuni „de amănunt” rămâneau nelămurite. Celebra experienţă a lui Michelson si Morley (1887) avea să arate că lumina se deplasează cu aceeaşi viteză în toate sistemele definite de Galilei, ceea ce rămâne de neexplicat până la teoria relativităţii. Alt „amănunt”: spectrul radiaţiei corpului negru este de asemenea incomprehensibil prin teoria clasică. El va da naştere teoriei cuantice.

Se credea totul terminat. Rămânea de făcut doar esenţialul. Trebuia intrat mai adânc în inima atomului. Răspunsul ce a fost dat celor două ultime întrebări a venit să revoluţioneze fizica…

Oare ce mai urmează acum?

SURSE

1.http://www.yogaesoteric.net/content.aspx?lang=RO&item=4692