Coincheap ealaíontóra ar an gcóras pláinéadach Kepler-42. Tá gach cúis againn a chreidiúint go bhfuil sé ar fad déanta as ábhar, agus ní frithmhéadair, ach d’fhéadfadh poill dhubha scéal difriúil a insint, mar níl aon bhealach againn a fháil amach cad as a ndéantar iad. (NASA / JPL-Caltech)

Fiafraigh de Ethan: An bhféadtar Antamatter ar Iarraidh na Cruinne a Fháil Taobh istigh de Pholl Dubh?

Feicimid ábhar, ach ní frithmhéadair, inár Cruinne. An bhféadfadh gur poill dhubha an freagra?

Ceann de na puzail chosmaí is mó inár Cruinne iomlán ná an fáth go bhfuil an oiread sin níos mó ábhar ann ná frithmhéadair. Ní cheadaíonn dlíthe na fisice, chomh fada agus is féidir linn a rá, duit ach ábhar agus frithmhéadair a chruthú nó a scriosadh i méideanna comhionanna. Ach nuair a fhéachaimid amach ar réaltaí, réaltraí, agus struchtúr mórscála na Cruinne, feicimid go bhfuil sé déanta ar fad, gan ach rianmhéideanna antamatter le fáil in áit ar bith. Is rúndiamhair chosmaí é seo, agus thug sé ar go leor daoine tuairimíocht a dhéanamh go mb’fhéidir go raibh an méid céanna frithmhéadair ann áit éigin nach raibh ach deighilte ón ábhar. An bhfuil sé seo indéanta, agus an bhféadfadh poill dhubha a bheith san áit sin? Ba mhaith le Anne Blankert a fháil amach, mar a iarrann sí:

Is rúndiamhair é an fáth go bhfeicimid ábhar gan antaibheathach comhfhreagrach. Tháinig roinnt poill dhubha iargúlta agus sean-ollmhóra chun cinn i bhfad níos gasta ná mar is féidir leis an teoiric reatha a thuar. An bhféadfadh an t-antamatter atá in easnamh a bheith i bhfolach taobh istigh de na poill dhubha primordial sin? An dtagann mais iomlán na bpoll dubh ollmhór fiú gar don mhéid frithábhar atá in easnamh?

Is smaoineamh iontach suimiúil é. Breathnaímid go domhain chun iarracht a dhéanamh é a dhéanamh amach.

Ní mór an braisle réaltra MACSJ0717.5 + 3745 a dhéanamh d’ábhar díreach mar atáimid, nó bheadh ​​fianaise ann go ndéanfaí díothú ábhair-fhrithmhéadair feadh na líne radhairc. (NASA, ESA agus foireann HST Frontier Fields (STScI))

I ngach áit a fhéachaimid sa Cruinne, feicimid an scéal céanna: réaltraí agus réaltaí, i ngach treo agus i ngach áit sa spás, ar an meán ar a laghad. Cinnte, ar scálaí beaga, clumpálann réaltraí agus grúpálann siad le chéile, ach má fhéachann tú ar scálaí an-mhór, tá na hairíonna meánacha céanna (cosúil le dlús) ag an Cruinne i ngach áit. Dá ndéanfaí réaltra, ag pointe ar bith, as antimatter in ionad ábhair, d’fheicfimis méid ollmhór sínithe díothaithe ábhair / frithmhéadair agus easpa ábhair sa mheán idir-slaodach ag an gcomhéadan ábhair / frithmhéadair. Is é fírinne an scéil nach bhfeicimid an síniú díothaithe seo áit ar bith, ní i réaltraí aonair, i mbraislí réaltraí, nó i mbraislí imbhuailte réaltraí, is cinnte go bhfuil 99.999% + den Cruinne tábhachtach, cosúil linne, agus ní a frithmhéadair. contrapháirt.

Cibé i mbraislí, réaltraí, inár gcomharsanacht stellar féin nó inár nGrianchóras, tá teorainneacha iontacha cumhachtacha againn ar chodán an fhrithmhéadair sa Cruinne. Ní féidir aon amhras a bheith ann: tá gach rud sa Cruinne faoi cheannas ábhair. (Gary Steigman, 2008, trí http://arxiv.org/abs/0808.1122)

Tá sé seo mearbhall, toisc nach bhfuil a fhios againn faoi aon mheicníochtaí, faoi dhlíthe reatha na fisice, a chruthaíonn níos mó ábhar ná frithmhéadair. Tá an siméadracht idir ábhar agus frithmhéadair, i dtéarmaí fhisic na gcáithníní, níos soiléire fós ná mar a cheapfá. Mar shampla:

  • gach uair a chruthaímid quark, cruthaímid seandacht freisin,
  • gach uair a dhéantar quark a scriosadh, déantar seandacht a scriosadh freisin,
  • gach uair a chruthaímid nó a scriosann muid lepton, cruthaímid nó scriosann muid antilepton ón teaghlach lepton céanna, agus
  • gach uair a bhíonn idirghníomhaíocht, imbhualadh nó lobhadh ag quark-nó-lepton, is ionann líon glan iomlán na gcairéal agus na leptón ag deireadh an imoibrithe (quarks lúide antiquarks, leptons lúide antileptons) ag an deireadh agus a bhí sé ag an ag tosú.

Is é an t-aon bhealach a rinneamar riamh níos mó (nó níos lú) ábhar sa Cruinne ná níos mó (nó níos lú) frithmhéadair a dhéanamh ar chomhchéim.

Is imoibriú inchúlaithe go hiomlán (ar dheis) é táirgeadh péirí ábhair / frithmhéadair (ar chlé) ó fhuinneamh íon, agus an t-ábhar / an t-antamatter á dhíothú ar ais go fuinneamh íon. Is é an próiseas cruthaithe agus díothaithe seo, a ghéilleann do E = mc², an t-aon bhealach is eol le hábhar nó le frithmhéadair a chruthú agus a scriosadh. (Dmitri Pogosyan / Ollscoil Alberta)

Is é an léirmhíniú caighdeánach ar na fíricí seo ná, cé nach bhfuilimid cinnte go hiomlán conas, ní foláir dúinn níos mó ábhar a chruthú ná frithmhéadair in am atá thart na Cruinne. Sa phictiúr caighdeánach den Big Bang te, nuair a bhí an Cruinne i gcéimeanna an-luath, cruthaíodh péirí cáithníní-antiparticle de na cáithníní uile a bhí ar eolas (agus fiú aon cheann atá fós le fáil). Tá sé seo toisc gur féidir leat, ag teochtaí arda agus dlúis arda, péirí nua cáithníní-antiparticle a tháirgeadh go spontáineach ó fhuinneamh íon, trí E = mc² Einstein. I méideanna comhionanna, díothaíonn na péirí seo, ag táirgeadh fuinneamh íon (fótóin) arís. De réir mar a fhuaraíonn an Cruinne, ritheann tú as fuinneamh chun péirí nua a dhéanamh, agus is é an díothú is mó atá i gceist.

De réir mar a leathnaíonn agus a fhuaraíonn an Cruinne, lobhadh cáithníní agus antiparticles éagobhsaí, agus díothaíonn péirí ábhar-fhrithmhéadair agus ní féidir le fótóin imbhualadh a thuilleadh ag fuinneamh ard go leor chun cáithníní nua a chruthú. (E. Siegel)

Mura mbeadh aon ábhar / neamhshiméadracht frithmhéadair againn, bheimis tar éis deireadh a chur le Cruinne a bhfuil fótóin dochreidte 10²⁰ ann do gach prótón, agus antiproton amháin do gach prótón freisin. Bheadh ​​thart ar an líon céanna leictreon agus positón ann agus atá prótóin agus frith-phrótóin, agus sin é. Ina áit sin, áfach, is é an rud a fheicimid ná Cruinne le “amháin” thart ar 1-nó 2 billiún fótón do gach prótón. De réir coinbhinsiúin, glacaimid leis go raibh próiseas neamhshiméadrach éigin ann a tharla go luath sa Cruinne ba chúis leis an neamhshiméadracht seo. Sampla simplí is ea cruthú tacar nua cáithníní agus frithcháithníní le roghanna difriúla maidir le cainéil lobhadh óna chéile, rud a d’fhéadfadh Cruinne a bheith ina rogha le hábhar beag seachas ábhar frithmhéadair.

D’fhéadfadh bailiúchán chomh siméadrach ábhar agus boscaí frithmhéadair (de X agus Y, agus boscaí frith-X agus frith-Y), leis na hairíonna cearta GUT, a bheith ina gcúis leis an neamhshiméadracht ábhair / frithmhéadair a fhaighimid inár Cruinne inniu. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Ach cad faoin smaoineamh nua seo? Cad a tharlaíonn má chuir rud éigin iallach ar an bhfrithmhéadar titim i bpoill dhubha ag pointe éigin luath, agus an gnáthábhar a fhágáil ina dhiaidh? Tar éis an tsaoil, feicimid poill dhubha an-luath, flúirseach agus sármhaith! Ní gá gur fadhb í, áfach, nó spreagadh maith a thabhairt do smaoineamh chomh fiáin. Ba cheart cibé rud is féidir a mhíniú gan aon fhisic nua a agairt, agus maidir le poill dhubha supermassive, is dóigh linn gur féidir linn é sin a dhéanamh leis an smaoineamh titim dhíreach. Níl réaltaí ag teastáil ó roinnt poill dhubha chun supernova a dhó agus dul; ní chliseann siad ach, rud a d’fhéadfadh síolta a sholáthar atá mór go leor, tapa go leor, le fás sna quasars óga a fheicimid inniu.

Taispeánann quasars i bhfad i gcéin poill dhubha ultramassive ina gcroí. Tá sé an-deacair iad a fhoirmiú gan síol mór, ach d’fhéadfadh poll dubh a thit go díreach an bhfreagra sin a réiteach go galánta. Chomh maith leis sin, is féidir linn maiseanna na bpoll dubh lárnach a fháil ó airíonna quasar, agus cé go bhfuil siad thar a bheith mór, tá i bhfad níos lú mais iontu ná mar atá sa chomhpháirt ábhair den Cruinne. (Institiúid Teicneolaíochta J. Wise / Georgia agus J. Regan / Ollscoil Chathair Bhaile Átha Cliath)

Mar sin ná bí ag féachaint le poill dhubha supermassive. Tá smaoineamh ann freisin maidir le poill dhubha primordial, a athbheochan go tréimhsiúil mar iarrthóir ar ábhar dorcha. Ní féidir leo a bheith ró-éadrom, nó bheidís ag meath; ní féidir leo a bheith ró-throm, nó bheadh ​​siad le feiceáil. Tá an chuid is mó de na raonta maise féideartha ina bhféadfadh poill dhubha primordial a bheith mar ábhar in easnamh sa Cruinne curtha as an áireamh cheana féin nó srianta go docht orthu. Chun poll dubh primordial a dhéanamh, teastaíonn luaineacht dlúis uait (imeacht ón meán-dlús) atá thart ar 68% níos dlúithe ná an meán, ach sa Cruinne óg, ní raibh an luaineacht is mó ach thart ar 0.006% níos dlúithe ná an meán. Déanta na fírinne, tá an t-aon raon maise incheadaithe ina bhféadfadh poill dhubha primordial codán suntasach den ábhar dorcha a chur as an áireamh cheana féin ag LIGO, áit a n-insíonn an ráta cumaisc breathnaithe dúinn go bhfuil an mhais iomlán sna raonta mais gréine 10 go 100 seo tá poill dhubha níos lú ná thart ar 0.000017% den dlús criticiúil.

Srianta ar ábhar dorcha ó Pholl Dubh Primordial. Tá an t-aon ‘fhuinneog’ oscailte ina bhféadfaí an t-ábhar dorcha go léir a dhéanamh de Pholl Dubh Primordial díreach dúnta ag na srianta LIGO ar chúlra stochastic de phoill dhubha sa raon mais seo go díreach. (Fíor 1 ó Fabio Capela, Maxim Pshirkov agus Peter Tinyakov (2013), trí http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf)

Ag dul níos faide fós, d’éirigh linn meastacháin a dhéanamh ar mhais iomlán na bpoll dubh sa Cruinne, agus tagann sé amach go dtí thart ar 0.007% den fhuinneamh iomlán sa Cruinne. Ós rud é go bhfuil thart ar 700 oiread an ghnáthábhair ann agus atá poill dhubha, ní féidir gurb amhlaidh a bhíonn an t-antamatter i bhfolach; níor fhoirmigh antimatter poill dhubha.

Ach bhí bealach eile againn chun é sin a fhiosrú: tá siméadrachtaí ag dlíthe na fisice idir an bealach a gceadaítear ábhar agus frithmhéadair iad féin a iompar. Síneann ceann de na siméadrachtaí sin leis na fórsaí agus na hidirghníomhaíochtaí a bhíonn acu, rud a chiallaíonn go gcaithfidh na fórsaí méide céanna a bheith acu (is féidir leo an comhartha contrártha a bheith acu) ag gníomhú ar fhrithmhéadair, cibé fórsaí a bhaineann le cáithníní. Ach oibríonn sé seo ar an dá bhealach, agus ní féidir fórsaí breise a bheith ann nach mbuailfidh ach le frithmhéadair. Más mian leat go ndéanfadh rud éigin difear don fhrithmhéadar sa Cruinne, caithfidh sé dul i bhfeidhm ar ábhar freisin.

Léiríonn cáithníní athraitheacha le haghaidh frith-chomhábhar agus iad a léiriú i scáthán ag an am céanna siméadracht CP. Má tá na lobhadh frith-scátháin difriúil ó na gnáth-mheath, sáraítear CP. Sáraítear siméadracht aisiompú ama, ar a dtugtar T, má sháraítear CP. Caithfear siméadrachtaí comhcheangailte C, P, agus T, le chéile, a chaomhnú faoi dhlíthe reatha na fisice againn, le himpleachtaí do na cineálacha idirghníomhaíochtaí a cheadaítear agus nach gceadaítear. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Sin an fáth, i bhfianaise dhlíthe na fisice atá againn, táimid cinnte nach bhféadfadh an t-antamatter a bheith tite go poill dhubha, rud a d’fhág go mbeadh an gnáthábhar taobh thiar de. Dá mbeadh an méid céanna ábhar dorcha agus gnáthábhar ann, d’fhéadfadh sé sin a bheith ina líne smaointeoireachta láidir, ach na fíricí comhcheangailte:

  • níl fisic choimhthíocha de dhíth orainn chun na poill ollmhóra dhubh a dhéanamh go luath sa Cruinne,
  • tá poill dhubha primordial neamh-spreagtha (ó fhoirmiú struchtúir) agus den chuid is mó ní mheastar go bhfuil siad ann in aon raidhse mór,
  • agus tá cosc ​​ar fhrithmhéadair idirghníomhaíochtaí a bheith aige a d’fhágfadh go ndéanfadh sé poill dhubha agus gan ábhar a dhéanamh gan poill dhubha a dhéanamh,

is leor é chun muid a thabhairt ar ais go dtí an pictiúr caighdeánach. Ar bhealach éigin, rinne an Cruinne níos mó ábhar ná frithmhéadair ag pointe éigin san am atá thart i bhfad i gcéin, agus sin an fáth go raibh muid in ann teacht ar an bhfód sa chéad áit. Tá an chaoi, go díreach, a tharla fós ar cheann de na fadhbanna is mó nár réitíodh san fhisic inniu.

Líonadh an Cruinne luath le hábhar agus le frithmhéadair i measc farraige de radaíocht. Ach nuair a díothaíodh é ar fad tar éis fuaraithe, bhí píosa beag bídeach fágtha. Tugtar fadhbanna baryogenesis ar an gcaoi go díreach a tharla sé seo, agus tá sé fós ar cheann de na fadhbanna gan réiteach is mó san fhisic. (E. Siegel / Beyond The Galaxy)

Seol isteach do chuid ceisteanna Iarr ar Ethan chuig startwithabang ag gmail dot com!

Tá Starts With A Bang ar Forbes anois, agus athfhoilsithe ar Meán a bhuíochas lenár lucht tacaíochta Patreon. Tá dhá leabhar ag Ethan, Beyond The Galaxy, agus Treknology: The Science of Star Trek ó Tricorders go Warp Drive.