Antihmota

Od kvarků a neutrin po černé díry a bílé světlo – oblast moderní fyziky je plná složitých konceptů. Nic však není tak tajemné a nepochopené jako antihmota. Naštěstí jsou tu tyto úryvky, které vám tuto kosmickou záhadu vysvětlí srozumitelným jazykem.

Rozmotají složitou vědu stojící za touto neuchopitelnou substancí, aniž by se zdržovaly chaotickou matematikou a komplikovanými rovnicemi. Tento přístupný přehled vás zavede od největšího urychlovače částic na světě, ukrytého hluboko v Alpách, až na samé okraje známého vesmíru. Po cestě se dozvíte, čím se antihmota liší od běžné hmoty a proč vědce dodnes mate a fascinuje.

V tomto shrnutí se mimo jiné naučíte, kdy kvark není „jen“ kvark, proč se tvorba hmoty podobá kopání jámy a jaká tajemství se skrývají v hlubinách Alp.

30. června 1908. Daleko na východ od Moskvy, hluboko v odlehlé oblasti Sibiře, se odehraje něco ohromujícího. Z ničeho nic se ozve hromový otřes země. Výbuch tak mocný, že je viditelný na vzdálenost 700 kilometrů. Teplota tak vysoká, že roztaví stříbrné nádobí i 60 kilometrů od epicentra. To je tunguzská událost.

Tato obrovská, záhadná exploze uvolnila energii srovnatelnou s jadernou detonací nebo dopadem velkého meteoritu. Jenže v té době jsou atomové bomby ještě desítky let vzdálenou budoucností a na místě nikdy nebyl nalezen žádný meteorit. Co tedy tuto katastrofu způsobilo?

Jednou z hypotéz je antihmota. Když se tato podivná, neuchopitelná forma hmoty dostane do kontaktu s běžnou hmotou, uvolní energii v kosmickém měřítku. Pouhý kilogram by mohl spustit reakci stokrát silnější než jaderná fúze. Zní to jako sci‑fi, ale je to velmi, velmi reálné.

Klíčové sdělení zní: antihmota je zrcadlovým obrazem normální hmoty.

Co tedy antihmota vlastně je? Abychom na tuto otázku odpověděli, je nejlepší začít u obyčejné hmoty. Ta se skládá z drobných částic zvaných atomy. Atomy se pak skládají z ještě menších elektricky nabitých částic – protonů, neutronů a elektronů.

V centru každého atomu se nachází jádro tvořené protony, které mají kladný náboj, a neutrony, které jsou elektricky neutrální. Kolem jádra obíhají elektrony se záporným nábojem. Jednoduchý atom, jako je vodík, má v jádře jeden kladně nabitý proton a kolem něj obíhá jeden záporně nabitý elektron.

Zjednodušeně řečeno, antihmota má naprosto stejnou strukturu, jen s opačnými náboji. Atom antivodíku je zrcadlovým obrazem běžného atomu vodíku. V jeho středu je jeden záporně nabitý antiproton a kolem něj obíhá kladně nabitý elektron, nazývaný pozitron.

Hmota a antihmota se navzájem potřebují k existenci, přestože jsou si protikladem. Proč? Einsteinova teorie relativity vysvětluje, že všechny formy hmoty jsou v podstatě energie „uvězněná“ ve fyzické podobě – například elektron je čistá energie zkoncentrovaná do částice. Samotná energie je však neutrální: může měnit formu, ale nemůže být vytvořena ani zničena. Když se tedy energie „srazí“ do záporně nabitého elektronu, musí se zároveň objevit i jeho inverze – kladně nabitý pozitron.

Je to trochu jako kopání jámy: čím hlubší jámu vykopete, tím větší, ale opačný kopec hlíny vedle ní vznikne. Pokud se však hmota a antihmota někdy dostanou do přímého kontaktu, navzájem se zničí – anihilují. A tato anihilace uvolní v jediném masivním záblesku gama záření obrovské množství energie, které je v obou látkách „uloženo“.

Jak to výstižně shrnuje jeden citát: „S antihmotou, negativním obrazem hmoty, navazujeme kontakt s bohy stvoření.“

Paul Dirac toho moc nenamluvil. Anglický fyzik dokázal absolvovat celé večeře, aniž by pronesl jediné slovo. V roce 1928 však položil otázku, která převrátila fyziku naruby: Co když skutečně existuje negativní energie?

Vědci už léta věděli, že Einsteinovy teorie ponechávají otevřenou možnost existence negativní energie, ale jen málokdo bral tuto myšlenku vážně – a zpočátku ani sám Dirac. Ve své práci plné složité matematiky však nakonec dospěl k závěru, že to, co vnímáme jako prázdné vakuum, je ve skutečnosti jakési hluboké, klidné moře negativní energie. A tvrdil, že pokud by toto moře narušil výbuch běžné energie, mohl by vzniknout elektron s „negativní“ energií – tedy kladně nabitý elektron neboli pozitron.

Tímto návrhem Dirac načrtl základní teorii antihmoty. Zpočátku to znělo neuvěřitelně. Přibližně ve stejné době se však začaly hromadit experimentální důkazy, které jeho předpověď potvrzovaly.

Klíčové sdělení zní: poté, co Dirac teoreticky předpověděl pozitrony, jiní vědci je skutečně objevili.

Zatímco Dirac v Anglii pracoval na matematickém popisu antihmoty, výzkumník jménem Carl Anderson usilovně experimentoval v Kalifornii. Anderson zkoumal gama záření pomocí mlžné komory. Tento specializovaný nástroj pomáhá vědcům „vidět“ dráhy, které vytvářejí drobné částice pohybující se vzduchem.

Anderson očekával, že gama paprsky procházející jeho komorou uvolní z atomů elektrony. Tyto volné elektrony by pak při průchodu komorou zanechaly jasné, zakřivené stopy, které by bylo možné studovat.

Když však Anderson komoru umístil do magnetického pole, stalo se něco podivného. Protože elektrony mají záporný náboj, předpokládal, že všechny dráhy částic se budou ohýbat směrem k pozitivnímu pólu magnetu. Některé stopy se však ohýbaly opačným směrem, k zápornému pólu. To mohlo znamenat jediné: Anderson našel pozitrony.

Odkud se ale vzaly? Odpověď poskytl další tým vědců – Patrick Blackett a Giuseppe Occhialini. V roce 1932 si dvojice zřídila vlastní mlžnou komoru, tentokrát s měděnými deskami umístěnými nahoře. Měď měla zachytávat kosmické paprsky, mocný proud částic a energie přicházející z vesmíru.

Když paprsky zasáhly desku, vznikla série zakřivených drah, velmi podobných těm, které pozoroval Anderson. Zpočátku si Blackett a Occhialini s výsledky nevěděli rady. Po rozhovoru s Diracem si však uvědomili, co se děje.

Kosmické paprsky narážely do mědi a vyvolávaly malé výbuchy gama záření. Tyto záblesky narušovaly energetické „moře“ v komoře a vytvářely jak elektrony, tak pozitrony – přesně tak, jak Diracovy rovnice předpověděly. Antihmota byla skutečná.