Antihmota je záhadná sestra hmoty

Josef Myslín  |  Věda

Antihmota je pojmem, který má své pevné místo ve fyzikálních teoriích. Co vůbec je antihmota? Kde se nachází? A jak ji lidé objevili?

Antihmota je pojmem, který má své pevné místo ve fyzikálních teoriích. Ba co více, bez existence antihmoty by nám známé rovnice popisující vesmír vůbec nedávaly smysl. Co vůbec je antihmota? Kde se nachází? A jak ji lidé objevili?

O tom, že látka se skládá z malých částeček hmoty, přemýšleli už v antickém světě. Jedním z těch, kteří teorii atomů rozvíjeli, byl například Démokritos z Abdéry. Nicméně tehdejší atomy nebyly těmi atomy, které známe dnes. Dnešní atomy byly objeveny mnohem později a ukázalo se, že vůbec nejsou atomické (ατομος, átomos – nedělitelný), ale že se skládají z ještě menších částic, které zveme subatomární.

Prokázaný Higgsův boson

Tyto částice jsou tři – kladně nabité protony a elektricky neutrální neutrony tvoří jádro atomu, zatímco záporně nabité elektrony tvoří elektronový obal. O těchto částicích se učí už děti na základní škole, ale vědci takových malých částic znají daleko více. Dnes víme dokonce o několika stovkách různých částic, které tvoří náš vesmír. S většinou z nich se nijak nesetkáváme, protože existují jen v extrémních podmínkách vědeckých experimentů (či na některých extrémních místech ve vesmíru), a to ještě velmi krátce, často jen tak nepatrné zlomky sekundy, že jen jejich zachycení je na hranici možností současné vědy.

Mnohé z těchto částic existovaly v učebnicích dávno předtím, než byly reálně objeveny. To se týká například tzv. Higgsova bosonu, za nějž jeho objevitelé letos obdrželi po zásluze Nobelovu cenu – po desítkách let od objevu. Teprve nyní byl totiž Higgsův boson experimentálně prokázán.

Objevení antihmoty

Podobné to bylo i s antihmotou. Vědci se vždy snažili hledat v přírodních zákonech symetrii. Tak například koule je velmi symetrická. Můžeme ji libovolně otáčet a stále bude vypadat stejně. Krychle už tak symetrická není – budeme-li ji však otáčet o 90 stupňů v libovolném směru, opět docílíme toho, že vzhled krychle před a po otočení bude stejný. Symetrie tedy značí určitou netečnost vůči předem stanovené operaci. Tuto operaci pak nazýváme invariantem.

Tyto geometrické symetrie jsou známy tisíce let. A byla snaha najít symetrie také v dalších oblastech vědy, v tomto případě pak symetrie elementárních částic. Jako první postuloval existenci antihmoty významný britský fyzik Paul Dirac. Stalo se tak v roce 1928 (v té době nebyl experimentálně prokázán ani neutron). Dirac tvrdil, že ke každé částici existuje její partner se stejnými vlastnostmi jako hmotnost či spin, ale s opačným elektrickým nábojem. Toto tvrzení se opíralo o jím objevenou rovnici, která od té doby nese jeho jméno – Diracova rovnice. Vypadá následovně (pouze pro ilustraci, jedná se o složitou diferenciální rovnici, jejíž řešení zcela jistě není triviální):

Zde pozor – takovým partnerem elektronu není proton, i když se o něm zpočátku tak uvažovalo. Ten má sice přesně opačný elektrický náboj, ale zcela jinou hmotnost. Partner elektronu se jmenuje pozitron. Experimentálně jej prokázal americký vědec Carl D. Anderson v roce 1932, tedy čtyři roky po Diracově předpovědi. Pro zajímavost můžeme uvést, že Anderson nejen pojmenoval nově objevenou částici, ale navrhoval také změnu názvu elektronu – chtěl, aby se jmenoval negatron, což se ovšem neujalo.

Pro Diraca to ovšem znamenalo Nobelovu cenu – tou byl poctěn pouhý rok po experimentálním prokázání existence antihmoty – v roce 1933 (Nobelova cena byla udělena za více objevů, Dirac je jedním ze spoluautorů kvantové mechaniky jako takové).

Anihilace aneb Když se hmota setká s antihmotou

Dostáváme se k tomu, co je náplní téměř všech filmů a seriálů, ve kterých se vyskytuje antihmota – k anihilaci. Tento pojem popisuje situaci, kdy se hmota setká s antihmotou. Co se tedy stane při takovém setkání částice s její antičásticí? Obě částice zmizí, přičemž se uvolní energie o velikosti E=2mc2, kde m je hmotnost každé částice (hmotnost částice a antičástice je přesně stejná) a c je rychlost světla ve vakuu.

Pokud je vám rovnice povědomá, pak ano, jedná se o slavnou Einsteinovu rovnici popisující ekvivalenci hmoty a energie. I my přeměňujeme hmotu na energii, pouze s velmi malou účinností. Účinnost přeměny například při spalování uhlí jsou nepatrné zlomky. Kdybychom však dokázali přesně zvážit palivo před spálením a všechny produkty (popel, kouř,…) po spálení, zjistili bychom, že výsledná hmotnost je přece jen o maličko nižší než hmotnost paliva. A velikost získané energie je ekvivalentní právě tomuto rozdílu hmotností. Účinnost jaderných reakcí je o něco vyšší, ale nic se nemůže měřit s anihilací. Při anihilaci dochází k totálnímu zničení hmoty za uvolnění veškeré energie ve hmotě vázané.

Při setkání většího množství hmoty a antihmoty tak může vzniknout obrovské množství energie. Takové množství, které by lidstvu stačilo na mnoho a mnoho let. Proč tedy nevyrábíme energii tímto způsobem? Je zde několik zásadních problémů. Jednak anihilace uvolňuje energii najednou, nikoliv postupně. Zkrocení anihilace je prozatím nad možnosti soudobé vědy a techniky. Je třeba nějak zajistit, aby antihmota s hmotou neanihilovala najednou, ale pouze řízeným způsobem, podobně jako štěpné reakce v jaderném reaktoru.

Při anihilaci dochází k totálnímu zničení hmoty za uvolnění veškeré energie ve hmotě vázané
Při anihilaci dochází k totálnímu zničení hmoty za uvolnění veškeré energie ve hmotě vázané

Hlavním problémem je ovšem nedostatek samotné antihmoty. K mání jsou jen směšná množství, která vznikají jako výsledek našich vysokoenergetických experimentů. Je to logické – kdyby se někde objevila antihmota, okamžitě se dostane do styku s hmotou a dojde k anihilaci dříve, než by se někde mohlo nakupit větší množství antihmoty. Dnes nemáme ani náznaky toho, že by někde ve vesmíru mělo existovat větší množství antihmoty.

To je ovšem paradoxní – jestliže má být antihmota a hmota v symetrii, mělo by jich přece být stejně. Kdyby jich však opravdu bylo stejně, pak by musely (pokud by nebyly uměle odděleny, což je ovšem značně problematické) vzájemně anihilovat. Zcela symetrický vesmír by nakonec neobsahoval vůbec žádnou hmotu, jen záření čisté energie.

To, že jsme zde a můžeme psát a číst tento článek, jasně dokazuje, že něco není zcela v pořádku. Je to skutečně tak – bylo prokázáno, že symetrie ve světě částic platí jen téměř dokonale. A tato drobná nedokonalost úřaduje už od dob velkého třesku. Dnes se odhaduje, že na každou miliardu částic antihmoty připadala miliarda a jedna částice hmoty. Ta jedna částice, ta drobná asymetrie, je tím, čemu vděčíme za existenci. Zatímco miliarda částic hmoty a miliarda částic antihmoty zanikla v oslňujícím záblesku anihilace, ta jediná přebývající částice přežila do dnešních dob.

Můžeme tedy vůbec nějakou antihmotu získat a zkoumat? Naštěstí ano. Hlavním zdrojem antihmoty jsou, jak již bylo zmíněno, vysokoenergetické experimenty v urychlovačích. Zde můžeme dokonce získat celé atomy z antihmoty. Kromě toho existují ještě i přírodní jevy, například kosmické záření, které přinášejí jednotlivé základní antičástice. Uměle vyrobené částice tohoto typu mohou například posloužit v přístrojích PET – pozitronová emisní tomografie, což je pokročilá medicínská zobrazovací metody.

Nejčtenější