Ile stron ma Wszechświat?

Dziwne pytanie. Świat, jak wiadomo, ma cztery strony. I cztery są wiatry.  A wiatr wieje raz w jedną a raz w inną stronę. A my, gdy nie używamy uwarunkowanej mechaniką kwantową i szóstym wymiarem wolnej woli, jesteśmy chorągiewką na dachu i zmaierzamy tam, dokąd nas wiatr poniesie.

Wspomniałem szósty wymiar, a ten już dotyczy Wszechświata. Ile zatem stron ma Wszechświat? I skąd to pytanie? (Z góry uprzedzę podając popawną odpowiedź: Dwie. Lewą i prawą.)

Pytanie wzięło się z mojej ostatniej przygody, gdy spotkałem się osobiście z antymaterią, którą przedtem znałem jedynie z książek. Nawet się przedtem nie domyślałem, że antymateria to nie bajki, że antymaterię można dziś kupić.

Jeszcze tydzień temu nie zdawałem sobie z tego sprawy, jednak właśnie się dowiedziałem i doświadczyłem na własnej skórze jak działa PET-scan. W angielskim „PET” to zwierzątko domowe, ale w tym przypadku idzie o Positron Emission Tomography. Wikipedia krótko wszystko wyjaśnia pod hasłem Pozytonowa_tomografia_emisyjna

Mój PET-scan miał miejsce w Klinice Pasteura w Tuluzie i trwał ok. półtorej godziny.

Z tego godzina czekania, kiedy to przez kroplówkę rozprowadzała się substancję promieniotwórczą w mojej krwi, a potem około pół godziny gdy maszyna rejestrowała miliardy anihilacji materii i antymaterii odbywające się w moim ciele.

Maszyna (detektory fotonów i obróbka otrzymanych fotonów) wygląda tak:


A po obróbce komputerowej zrekonstruowany obraz wygląda tak:

Sam zaś proces zamiany mojego ciała w kosmiczny napęd oparty na anihilacji materii i antymaterii opiszę krótko tak.

Szpital ma akcelerator (podobny do tego jak w CERNie, tyle, że kieszonkowych rozmiarów). W tym akceleratorze produkowany jest promieniotwórczy Fluor 18. Fluor 18 ma czas półrozpadu ok 110 minut (po tym czasie traci połowę swojej aktualnej aktywności), winien być więc użyty w ciągu mniej więcej takiego czasu po wyprodukowania. By Fluor 18 stał się biologicznie aktywny, użyty zostaje do wyprodukowania substancji pod nazwą Fludeoxyglukoza F 18,  C₆H₁₁¹⁸FO₅:

Substancję tą, w postaci przeżroczystego roztworu, wprowadzono mi do krwi. Zwykła kroplówka do żyły w lewej ręce. Nic specjalnego nie czułem.

Substancja rozchodzi się we krwi i gromadzi się szczególnie w tych komórkach ciała, które są głodne glukozy. I o to właśnie idzie by takie miejsca w ciele zidentyfikować. Końcowe obrazki rekonstruowane komputerowo takie właśnie miejsca pokazują. Zadanie lekarza jest wtedy zinterpretowanie otrzymanych obrazów. Czy są „normalne”, czy też „podejrzane”? A jeśli podejrzane, co konkretnego podejrzewać? Zależnie od doświadczenia, i od uprzedzeń, jeden lekarz będzie podejrzewał to, drugi tamto, a trzeci nic w ogóle. Całkiem podobnie do tego jak to jest z fizykami i z doświadczeniami w CERNie. To ogłaszają, że coś odkryli, to się z tego wycofują. To czynnik ludzki, zawsze zawodny, ale niezbędny.

Aparatura za to jest niezawodna. Jest wręcz fantastyczna. Szczyt techniki potwierdzający poprawność przewidywań fizyki kwantowej i teorii względności. Bowiem w aparaturze wykorzystuje się zarówno słynne E=mc² jak i równanie Diraca mechaniki kwantowej i kwantowej teorii pola. Inaczej aparatura rejestrowała by chaos i żadnych obrazów nie dawała do interpretowania.

A odbywa się to tak. Jądra Fluoru 18 ulegają rozpadowi. Idzie o to by aparatura stwierdziła w którym punkcie ciała każde z jąder się rozpadło. A rozpada się w ciele początkowo około 3 milionów jąder w sekundzie (po 110 minutach jedynie połowa z tego, a po następnych 110 minutach jedynie połowa z tej połowy itd.). Każdy taki rozpad produkuje pozyton – cząstkę antymaterii, dodatni elektron. Pozyton w ciele szybko zwalnia, praktycznie się zatrzymuje po przebyciu około 1 mm, po czym spotyka się z jakimś elektronem i następuje anihilacja amaterii i antymaterii. Para pozyton-elektron, materia-antymateria, zamienia się w czystą energię, w parę fotonów. Z praw zachowania pędu i energii fotony te lecą w przeciwnych kierunkach, każdy z energią 511.0 keV, co jest energią równoważną masie elektronu (lub pozytonu). Od czasu do czasu, choć rzadko, produkowane są trzy fotony, od czasu do czasu dwa nie lecące dokładnie w przeciwnych kierunkach, więc nie wszystkie rozpady są rejestrowane. Wystarczająco wiele jest jednak rejestrowanych. Detektory fotonów są w obudowie urządzenia w cylinrze wokół mojego ciała. Gdy dwa detektory leżące naprzeciw siebie rejestrują parę fotonów „prawie jednocześnie” (jakie winno być  to „prawie” to sprawa fizyki i technologii), wtedy wiadomo na jakiej linii prostej nastąpiła anihilacja. Gdy detektory mają dostateczną rozdzielczą czasową, jeden z fotonów dolatuje do detektora „nieco wcześniej” niż inny. Prędkość światła jest skończona i z tego „nieco” sprytne oprogramowanie natychmiast wylicza w którym miejscu linii prostej nastąpiła anihilacja. Z tych obliczeń rekonstruowany jest obraz. Detektory fotonów ustawione są w cylindrach wokół ciała. Całość może się przy tym przesuwać wzdłuż ciała.

Po zabiegu substancja radioaktywna jest eliminowana z ciała w ciągu praktycznie w ciągu doby.

Tyle o samym procesie. Jak widać antymateria istnieje, fizyka się sprawdza. Niemniej zagadka pozostaje: dlaczego wokół nas jest przede wszystkim materia? Przecież w przyrodzie obowiązuje chyba jakieś prawo zbilansowania? Czyż nie powinno być we Wszechświecie tyle samo materii co antymaterii? A jeśli tak, to gdzie ta antymateria się przed nami ukrywa?

Możliwa odpowiedź jest taka: Antymateria została wypchnięta na drugą stronę Wszechświata.

A dlaczego? Może pomiędzy materią a antymaterią zachodzi grawitacyjne odpychanie? Tak twierdzą moi „znajomi z przyszłości”. Ale czy tak jest naprawdę, tego do dziś nie wiemy.   W czasopiśmie New Scientist z 27-go listopada 2019 ukazal się wywiad z Jeffreyem Hansgstem p.t. „'I like a challenge': CERN physicist on the draw of weird antimatter”. Czytamy tam zaraz na samym początku:

I work with antimatter, which is this weird, mirror opposite to “normal” matter. It is a huge puzzle, because we think matter and antimatter existed in equal quantities just after the big bang, but we can’t explain why only matter survived. My ALPHA experiment is looking at the properties of the simplest anti-atom, antihydrogen, to see if there may be some small, overlooked difference between matter and antimatter.

Pracuję z antymaterią, która jest tym dziwnym przeciwieństwem „normalnej materii”. Mamy tu ogromną zagadkę, ponieważ sądzimy, że w wielkim wybuchu powstały równe ilości materii i antymaterii, jednak nie potrafimy wyjaśnić czemu przeżyła głównie materia. Nasz eksperyment ALPHA bada własności najprostszego any-atomu, antywodoru, by stwierdzić czy nie ma małych ale przeoczonych przez fizyków róznic między materią a antymaterią.

Z dalszego ciągu wywiadu dowiadujemy się, że nie tylko o „małe” róznice idzie. Że idzie o to, że nie wiadomo nawet czy antymateria w polu grawitacyjnym Ziemi będzie spadała w dół, czy w górę?

Ten eksperyment jest przygotowywany od lata i jakoś nie może dojść do skutku. W międzyczasie fizycy nad podobnymi eksperymentami pracujący mają ciekawe życie. Jak dobrze być fizykiem!

Jeffrey Hangst, ten od ALPHA i antywodoru,  z gitarą po lewej. Kliknij tu by posłuchać tego rocka i stać się uczestnikiem festiwalu w CERNie.

W czasie wolnym od rocka fizycy zajmują się myśleniem nad tym gdzie się podziała antymateria? Zwykłe myślenie przychodzi w przypadku tego pytania ciężko. Lepiej skutkuje myślenie alternatywne. I tak mój znajomy fizyk Jean-Pierre Petit proponuje model Wszechświata, gdzie ma on dwie strony, lewą i prawą. Tą zewnętrzną, na pokaz, i tą drugą, od podszewki. Antymateria ukrywa się po tej  stronie od podszewki. Oto obrazek z pracy Negative energy states and interstellar travel.

Gdy podszewkę weźmiemy pod uwagę, wtedy, według Jean-Pierre, możemy z łatwością dokonywać podróży w przestrzeni i w czasie konkurując z UFO.

Czy ja w to wierzę? O tak! Taka wiara daje nadzieję. Nadzieja zachęca do pracy. A interesująca praca uszczęśliwia. Więc może nie powinienem narzekać na fizyków z CERNu. Są szczęśliwi, zatem grają na gitarach. Normalka.