23. Antihmota ve vesmíru
O antihmotě nejčastěji slýcháváme hrůzostrašné příběhy ve scifi povídkách. O tom, jak antihmota anihilovala s hmotou za děsivé exploze, která rozmetala celou planetu. Nebo o tom, jak se kosmonaut dotknul antihmoty a celý zmizel v oslnivém záblesku. V lepším případě slouží antihmota jako pohon pro kosmické lodi. Pojďme se na tuto formu látky podívat v dnešním zamyšlení podrobněji.
V roce 1928 navrhnul anglický vědec Paul Adrien Maurice Dirac kvantovou rovnici pro elektron. Rovnice poskytovala kromě správných řešení i podivná řešení se zápornou energií. Dirac je kupodivu nezavrhnul, ale interpretoval je jako antičástici s opačným nábojem a kladnou energií. Tak Dirac v roce 1928, kdy byly známy jen dvě elementární částice – elektron a proton – předpověděl na základě teorie existenci pozitronu, antičástice k elektronu.
Pozitron byl objeven až o 4 roky později americkým fyzikem Carlem Andersonem. Naleznul ho mezi částicemi sekundárních spršek kosmického záření na fotografiích z mlžné komory v roce 1932. Nalezená částice měla přesně stejnou hmotnost jako elektron, ale opačný elektrický náboj. Anderson dostal za tento objev Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1936. Další důležitá antičástice – antiproton – byla objevena Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem až v roce 1955. Postupně se ukázalo, že každá částice má svou antičástici a že by mohly existovat celé světy z antihmoty. V nich by byly místo atomů antiatomy složené z antičástic.
Pokud se potká částice a antičástice, anihilují, jejich veškerá energie se přemění na elektromagnetické záření, například na světelné, rentgenové, nebo gama záření. Rozhodně ale nemusí jít o nijak bouřlivý proces. Viděli jste někdy poskakující kapičku vody na rozpálené plotně? Zdravý rozum říká: „Zasyčí a bude pryč!“ A skutečnost? Mezi kapičkou a plotnou se vytvoří vrstva páry, která kapičku od plotny izoluje. Ta pak může na plotně poskakovat i několik desítek sekund. Jevu se říká Leydenfrostův jev a je známý už od roku 1756. Obdobně by to dopadlo, pokud by se potkala kapka hmoty s kapkou antihmoty. Jejich interakce by neskočila grandiózní explozí jako ve scifi povídkách. Anihilace by se neuskutečnila naráz v celém objemu, ale probíhala by poklidně jen ve styčné ploše. Unikající fotony by obě oblasti oddělily obdobně jako vrstva páry kapku od rozpálené plotny.
Mnoho lidí ve 20. století věřilo, že ve vesmíru jsou rovnoměrně zastoupeny oblasti hmoty i antihmoty a že existují části vesmíru, kde jsou hvězdy i celé galaxie z antihmoty. Zastáncem tohoto názoru byl například vynikající švédský fyzik Hannes Alfvén. Ze současných pozorování víme, že to je vyloučené. Anihilační čáry pocházející ze styku těchto oblastí s hmotou by je snadno prozradily. Ve vesmíru tu a tam najdeme antičástice, které vznikají při energetických procesech v páru s částicí a posléze zase zaniknou. Víme, že v centru naší Galaxie jsou pozitrony, s kosmickým zářením k nám přilétají antiprotony, ale nikdy nebyl zaznamenán jeden jediný antiatom. Ve vesmíru prostě antihmota není a tak nezbývá, než hledat odpověď na otázku, proč tomu tak je. Předpokládáme, že na počátku vesmíru bylo stejně hmoty i antihmoty, ale brzo po vzniku vesmíru byla tato rovnováha nepatrně narušena. Na miliardu antičástic zde byla miliarda plus jedna částice. Proč přesně k tomu došlo, zatím nevíme. Když vesmír ochladnul, každá miliarda antičástic postupně anihilovala s miliardou částic. A ona jedna částice navíc z každé miliardy se stala základem veškeré dnešní látky ve vesmíru.
Skutečnou antihmotu si můžeme vyrobit jen uměle. Vědci zatím dokážou vyrobit pouze antivodík – atomy, v jejichž jádře je záporný antiproton a v obalu kladný pozitron. Děje se tak na dvou pracovištích na světě. V americkém Fermilabu a v evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Počet antiatomů není nijak velký, můžeme uchovat maximálně deset tisíc jedinců. Ale i to umožňuje provádět experimenty s antivodíkem a pokusit se odpovědět na základní otázky: Má stejné spektrum jako vodík? Chová se stejně v elektromagnetických a gravitačních procesech? Přesnou odpověď na tyto otázky zatím neznáme, ale podle našich dosavadních znalostí by se měl antivodík chovat stejně jako vodík.
Ač to zní neuvěřitelně, s antihmotou se můžeme setkat i v běžném životě. Zkratka PET neznamená jen označení umělohmotných lahví, ale také pozitronovou-elekronovou tomografii. Jde o vyšetřovací metodu, při které vám lékař do těla vstříkne radioaktivní sodík 22 nebo jinou podobnou látku. Atomy sodíku podléhají inverznímu beta rozpadu, při kterém se do těla uvolňují pozitrony – antičástice k elektronům. Jak už víme, pozitron dlouho v těle nevydrží a zakrátko anihiluje s některým z mnoha přítomných elektronů. Vznikne charakteristický záblesk, který je detekovatelný přístroji. Touto technologií můžeme například zobrazit oblasti mozku, které jsou právě aktivní a zpracovávají nějakou informaci. Antihmota, která se ve vesmíru vyskytuje minimálně, tak už dokáže být v současnosti prospěšná i pro člověka.