Antymateria, promieniowanie elektromagnetyczne i łączność bezprzewodowa – co łączy te pojęcia? Zagadka wszechświata

Wśród wielu cech charakterystycznych dla naszego gatunku jedną z nadrzędnych i jednocześnie najbardziej istotnych jest ciekawość. A co nas ciekawi? Cóż, właściwie wszystko i w ogólnym rozrachunku jest to jedna z bardziej pozytywnych cech ludzkości. To właśnie tej ciekawości zawdzięczamy cywilizacyjne osiągnięcia, wynalazki, a także rozwój nauki, przemysłu i wszystkiego, co nas otacza. „Ktoś, gdzieś, kiedyś” po prostu zaczął się zastanawiać nad istotą poszczególnych rzeczy, a następnie postanowił ją zbadać. I tak właśnie dokonywano przełomów. W tej kwestii właściwie niewiele się zmieniło i nadal najtęższe umysły z całego świata poszerzają zakres naszej wiedzy – z tą różnicą jedynie, że dzięki wiekom dotychczasowego rozwoju mają teraz do tego znacznie większy wachlarz narzędzi.

Większe możliwości są jednak niezbędne, ponieważ również cele samych naukowców są coraz bardziej ambitne. Co więcej, już od dawna wykroczyły także poza obszar naszej planety. To właśnie kosmos jest więc od wielu lat na „celowniku” licznych badaczy, próbujących odkryć jego tajemnice. Nie powinno to jednak dziwić, bowiem odpowiedzi na poszczególne pytania nie dotyczą jedynie zagadek astronomicznych czy nawet odwiecznego zagadnienia – „czy w kosmosie istnieje życie poza nami?”. Gdy się bowiem dokładniej przyjrzymy sprawom związanym ze wszechświatem, jego powstaniem i funkcjonowaniem, znajdziemy się bliżej odkrycia czynników, które wpłynęły na to, że w ogóle istniejemy. Co ważne, już teraz posiadamy elementy, które w przyszłości, po połączeniu „wszystkich kropek”, pozwolą nam to osiągnąć. Do tej kwestii jednak powrócimy.

Bez względu na poszczególne cele nam przyświecające, kosmos jest po prostu fascynujący oraz pełny niezwykłych tajemnic, jedynie czekających na odkrycie. Jednocześnie nie tylko wzbogaci to naszą wiedzę, ale pozwoli także na dalszy rozwój technologii, nauk medycznych, przemysłu i wiele więcej, jak już niejednokrotnie miało to miejsce. Nie jest to przecież nic nowego. Już wiele dotychczasowych rozwiązań opracowanych na rzecz eksploracji kosmosu, a także stworzonych dzięki niej, implementowano z sukcesem w przestrzeni publicznej. I dzisiaj na co dzień z nich korzystamy. Czy będzie to w możliwe w przypadku jednej z największych zagadek wszechświata – antymaterii?

Słynne i jednocześnie tajemnicze pojęcie

Większość osób pewnie słyszało już nazwę antymateria. Określenie to zostało głównie rozpropagowane jednak nie przez samą naukę, a dzięki popkulturze. A konkretnie filmom, serialom, książkom oraz grom komputerowym. Jednym z najgłośniejszych przykładów jest m.in. twórczość Dana Browna, w postaci książek o przygodach profesora Roberta Langdona. Trzy z nich zekranizowano z udziałem Toma Hanksa. W książce oraz filmie pod tytułem „Anioły i Demony” główny bohater próbuje nie dopuścić do zamachu na Watykan. Atak ma być przeprowadzony przy użyciu bomby z antymaterią, która po wybuchu unicestwi wszystko w swoim zasięgu.

Drugim, znacznie starszym i bardziej kultowym przykładem jest słynny serial „Star Trek”. Fani produkcji w każdym odcinku mogli obserwować niezwykłe losy załogi przemierzającego galaktykę statku kosmicznego Enterprise. W tym kontekście istotne jest jednak to, w jaki sposób ta podróż była możliwa. Otóż nasi bohaterowie przemierzali tak ogromne odległości, ponieważ byli w stanie poruszać się szybciej od światła. Nie wszyscy jednak pamiętają, że było to możliwe właśnie dzięki antymaterii. Doprowadzając bowiem do kontrolowanego zderzenia antymaterii z materią, załoga statku uzyskiwała ogromny ładunek energii, pozwalający wejść w tzw. nadświetlną. Oczywiście, jak to zwykle bywa w przypadku fikcji literackiej czy też filmowej, twórcy zazwyczaj ubarwiają poszczególne wątki. W obu powyższych przypadkach jednak znajduje się sporo informacji zgodnych z prawdą.

Co to właściwie jest antymateria?

Jeśli chcemy wyjaśnić wiarygodność przedstawionych w literaturze, i nie tylko, zjawisk, musimy najpierw wyjaśnić, czym właściwie jest antymateria. Nie jest ona bowiem związana jedynie z fikcją naukową, choć do niedawna była uważana przez wielu za mit. Antymateria istnieje naprawdę, a co więcej – ludzie są w stanie ją wytwarzać. Ale po kolei. Pojęcie materia ma wiele definicji i różni się w zależności od ujęcia i dziedziny nauki, przez pryzmat której jest rozpatrywana. Wyjaśnienie można jednak znacznie uprościć i skrócić, bowiem w ogólnym rozrachunku materia to wszystko, co istnieje wokół nas i może być doświadczane zmysłami [1]. Stąd właśnie określenie, że coś jest materialne, czyli fizyczne i poniekąd namacalne. Okazuje się jednak, że materia ma swoje przeciwieństwo w postaci antymaterii.

Podstawowym składnikiem materii jest atom, zbudowany z jądra atomowego, w którym są naładowane dodatnio protony oraz neutrony (neutralne pod względem ładunku elektrycznego). Wokół jądra natomiast krążą elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym [2 ]. Co istotne, grupę dwóch lub więcej atomów (połączonych wiązaniami chemicznymi) nazywamy cząsteczkami i to z tych połączeń pochodzą znane nam substancje, takie jak tlen, woda i wszystkie inne, które nas otaczają [3]. W przypadku antymaterii natomiast ładunki elektryczne „składowych” atomu są odwrotne, czyli mamy do czynienia na przykład z protonem naładowanym ujemnie oraz krążącym wokół jądra elektronem o dodatnim ładunku elektrycznym. Przedrostek „anty” wykorzystany w nazwie nie dotyczy jednak jedynie tego lustrzanego przeciwieństwa, ale także tego, że przeciwstawne sobie cząsteczki wzajemnie się zwalczają.

Anihilacja i Wielki Wybuch

Wzajemne zwalczanie się i oddziaływanie cząsteczek materii z antymaterią (teoretyczne każdy rodzaj cząsteczki ma swoje przeciwieństwo) jest jednym z najbardziej niezwykłych zagadnień związanych z antycząsteczkami. Gdy zetkną się bowiem cząsteczki materii i jej antycząsteczki, następuje anihilacja [4]. Oznacza to, że przeciwstawne cząsteczki ulegają unicestwieniu w wyniku zetknięcia się ze sobą [5]. To trochę przerażające, prawda? Jeśli jednak antymateria istnieje, to gdzie się znajduje, skoro tak trudno ją wykryć i dlaczego nie niszczy wszystkiego wokół?

Teoretycznie to proste pytania, ale w praktyce naukowcy nie mają na nie jednoznacznych odpowiedzi. Przypuszcza się, że w wyniku Wielkiego Wybuchu, będącego zaczątkiem istnienia wszystkiego w kosmosie, włącznie z nami, wytworzyły się zarówno cząsteczki materii, jak i antymaterii. Co do ich ilości i dalszych losów nie ma jednak zgodności. Możliwe, że cząsteczek materii powstało więcej. Albo poszczególne antycząsteczki nie napotkały swoich przeciwstawnych cząsteczek i dlatego nie doszło do anihilacji. Ciekawostką jest też to, że okazało się, iż antycząsteczki i zjawisko anihilacji z nimi związane występuje m.in. naturalnie na naszej planecie. Dochodzi do tego podczas wyładowań atmosferycznych, jak np. burze, podczas których dochodzi do anihilacji zderzających się protonów i antyprotonów [6]. Długo jednak trwało opracowanie technologii umożliwiającej wykrycie tego zjawiska.

Odkrycie i antymateria w pigułce (dosłownie)

Istnienie antymaterii naukowcy oraz filozofowie przewidywali od dawna, jednak od udowodnienia jej realności nie minęło nawet sto lat. Co ciekawe, odkrycia tego dokonał nie astronom czy badacz kosmosu, ale fizyk teoretyk za pomocą… równania matematycznego. Był nim Paul Dirac, który w 1928 roku stworzył tzw. równanie Diraca, z którego wynikało, że powinna istnieć cząstka przeciwna do elektronu [7]. Stąd był już jedynie krok, aby wyłonić płynące z tego odkrycia implikacje. Od tamtej pory, choć minęło stosunkowo niewiele czasu, osiągnięcia naukowców w dziedzinie antymaterii zaszły niezwykle daleko. Na tyle daleko, że dziś jesteśmy w stanie ją wytwarzać.

To nie żart, już teraz naukowcy są w stanie w warunkach kontrolowanych wytworzyć śladowe ilości antymaterii. A to nie wszystko. Dokonuje się tego głównie w najbardziej zaawansowanym na świecie akceleratorze cząsteczek – w Wielkim Zderzaczu Hadronów znajdującym się w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN. Pracujący tam badacze nie tylko potrafią już wytworzyć poszczególne składowe antyatomów (antyprotony, antyneutrony i antyelektrony, nazywane też pozytonami) i proste antycząsteczki, jak antyatomy wodoru (pierwszy raz „chmurę” antyatomów wodoru uzyskano w 2011 roku [8]). Są w stanie je nawet przechowywać [9].

Co więcej, w ramach projektu Athena dokonano już także kontrolowanego zderzenia materii z antymaterią, doprowadzając do ich anihilacji. W wyniku tego uzyskano m.in. protonium (jony wodoru z atywodorem) [10]. Wraz z postępem prac mających na celu przeprowadzanie kontrolowanych procesów z antymaterią w roli głównej, badacze sukcesywnie i w szybkim tempie poszerzają naszą wiedzę na temat tych niezwykłych cząsteczek. Dodatkowo możliwości z nimi związane mogą w przyszłości zrewolucjonizować wiele dziedzin, w tym dalsze odkrywanie tajemnic wszechświata. W jaki sposób?

Co tu robi PEM?

Jak już ustaliliśmy, choć badania w tym kierunku postępują szybko i prężnie, to wciąż stosunkowo niewiele wiemy na temat antymaterii. Dzięki badaniu jej, a w przyszłości także wykorzystaniu, pomoże nam ona rozwikłać tajemnice o wiele większe i wręcz egzystencjonalne – jak zagadnienie naszego istnienia. Kluczem do tego jest właśnie to, co dzieje się po zderzaniu cząsteczki z przeciwstawną jej antycząsteczką, czyli anihilacja. W jej wyniku powstaje bowiem pole elektromagnetyczne [11].

Jak wiadomo, pole elektromagnetyczne, nazywane także promieniowaniem elektromagnetycznym lub w skrócie PEM, to zjawisko całkowicie naturalne i tak stare, jak sam wszechświat. W największym uproszczeniu, to oddziałujące na siebie wzajemnie siły elektryczne i magnetyczne, które rozchodzą się w postaci fal. Rodzajów PEM jest dużo i różnią się m.in. w zależności od długości tychże fal, ich częstotliwości, a także źródła. Źródłem pola elektromagnetycznego mogą być np. urządzenia elektryczne, zjawiska meteorologiczne oraz sama Ziemia. Procesy związane z PEM zachodzą również naturalnie w ludzkim organizmie, a jednym z jego manifestacji jest wszelkie światło widzialne [12].

W przypadku PEM powstającego w wyniku anihilacji mamy do czynienia z promieniowaniem gamma [13]. Jest to wysokoenergetyczna forma pola elektromagnetycznego, już od dawna wykorzystywane przez ludzi w różnych dziedzinach. Jednym z flagowych zastosowań jest choćby to w medycynie, gdzie promieniowane tego typu wykorzystywane jest m.in. do odkażania sprzętu medycznego, w diagnostyce, a także w leczeniu nowotworów (radioterapia) [14]. Perspektywy są jednak znacznie szersze.

Antymateria, PEM i łączność bezprzewodowa

Jak już wspomniano, fale gamma są wysokoenergetyczne i energię tą można potencjalnie wykorzystać na wiele sposobów. Tu właśnie wracamy na chwilę do serialu „Star Trek” i tego, że pewne rzeczy opierają się tam jednak na faktach. Wśród nich jest na przykład właśnie napęd pozwalający uzyskać szybkość większą od światła za pomocą energii powstałej z anihilacji antymaterii z materią. Teoria działania tych systemów wydaje się więc być trafna.

Niestety nie możemy jeszcze przeprowadzać takich procesów. Chcąc bowiem wytwarzać energię z anihilacji (pod warunkiem, iż będziemy w stanie tworzyć wystarczające ilości antymaterii do tego celu), sam proces przy obecnych możliwościach wymagałby o wiele większej energii, niż ostatecznie zostałaby wytworzona. Nie oznacza to jednak, iż w przyszłości nie będzie to bardziej wydajne i w efekcie wdrożone. Już teraz NASA i inne grupy badawcze na całym świecie pracują nad stworzeniem technologii umożliwiającej napędzane statków kosmicznych za pomocą antymaterii. Na dzień dzisiejszy koszt tego byłby ogromny, a także wymaga to opracowania jeszcze wielu rozwiązań. Jest to jednak potencjalnie wykonalne [15].

Warto przy tym zaznaczyć, iż jedną z dotychczas największych przeszkód w eksploracji kosmosu i odkrywaniu jego tajemnic są ogromne odległości pomiędzy obiektami w kosmosie, a tym samym związany z nimi czas podróży. Jeśli jednak opracowana zostanie technologia pokonywania znacznych odległości z prędkością szybszą niż światło, najważniejszy problem praktycznie zniknie. Zanim tak się stanie, dążąc do tego celu trzeba oczywiście wykonać jeszcze wiele dodatkowej pracy. Jak choćby konieczność udoskonalenia bezprzewodowej transmisji danych.

Dotyczy to m.in. implementacji na szeroką skalę infrastruktury 5G, której możliwości są w stanie znacząco wpłynąć na szybszy rozwój nauki oraz technologii, w tym także związanych z łącznością satelitarną. Transmisja danych pomiędzy statkami kosmicznymi i sondami, a odbiornikami naziemnymi jest bowiem jednym z krytycznych elementów w kwestii odkrywania kosmosu. Dodajmy do tego możliwość hiper szybkiej podróży i, cóż, wszechświat stoi przed nami otworem. Ale to jednak nie wszystko.

Posiadamy fundamenty, wystarczy budować dalej

Możliwość podróżowania w kosmosie rodem z produkcji science fiction to niesamowita perspektywa. Antymateria to jednak także klucz do odkrywania tajemnic już teraz, tu, na Ziemi. Ze względu na właściwości tych cząsteczek i ich skłonności do anihilacji oraz powstawania w jej wyniku określonej formy PEM, naukowcy uzyskali już teraz dodatkowe możliwości badawcze. Idąc przysłowiowo „po nitce do kłębka”, naukowcy mogą bowiem zdobywać wiedzę na temat kosmosu badając obecne w nim pola elektromagnetyczne, śledząc ich pochodzenie, a także ustalając ich źródła i przyczyny wytworzenia, jak np. proces anihilacji właśnie. To z kolei daje możliwości do prześledzenia procesów zachodzących w przestrzeni kosmicznej, a ich zrozumienie może zaowocować nowymi ustaleniami dotyczącymi historii całego wszechświata oraz jego tajemnic.

Te są natomiast wyjątkowo intrygujące i pewnie większość z nas jest zaciekawiona odpowiedziami na pytania dotyczące choćby tego, w jaki sposób wszechświat powstał, czy teoria Wielkiego Wybuchu jest trafna oraz jak przebiegało formowanie się galaktyk i poszczególnych planet. To przy okazji też możliwość zgłębienia tajemnic powstania życia na Ziemi, włącznie z naszym, a być może nawet wyjaśnienie, czy istnieje inne życie w kosmosie. Kluczem do odkrycia tego wszystkiego jest jednak badanie antymaterii, a także związanego z nią PEM oraz możliwości wykorzystania anihilacji do napędzania statków kosmicznych. Nie można zapominać przy tym także o bezprzewodowej łączności i transmisji danych, które umożliwią dostateczny rozwój technologii oraz samą eksplorację kosmosu w praktyce.