Andělé a démoni - fakta a mýty o antihmotě a o LHC

Zář 20, 2008

  LHC je na několik dní mimo provoz kvůli chlazení
    Jak spolu souvisí LHC a film Andělé a démoni? Inu ve filmu není vždy všechno úplně realistické.
 

    Hned na začátku se musím přiznat, že jsem docela filmový barbar. Filmové premiéry mne nechávají ledově klidným a v kině jsem byl naposled asi ještě se školou. Zprávu o tom, že vznikl film Andělé a démoni jsem tedy přešel stejně jako vždy. Můj názor se ale začal měnit, když jsem zjistil, že filmaři do svého díla implantovali i LHC.

     Film jsem sice neviděl, přesto jsem si o něm z recenzí a článků na internetu udělal relativní obrázek. Dnešní postřeh není věnován filmu Andělé a démoni jako takovému (nečekejte tedy, že se zde budu zabývat jeho dějem), spíše bych chtěl trochu odhalit fyzikální roušku, která se jako červená nit line celým filmem a okolo které se celý děj točí. Jinými slovy, dnešní postřeh bude o tom jak je to ve skutečnosti s antihmotou a jak to autoři prezentovali ve filmu.

    Ze všeho nejdřív si ale musíme říct co to vlastně ta antihmota je. Ze školy všichni víme, že se svět kolem nás skládá z molekul. Ty jsou složené z atomů. I když atomos znamená řecky nedělitelný, víme už, že se skládá z elektronového obalu a jádra, ve kterém jsou neutrony a protony. Tyto elementární částice tvoří veškerou hmotu, kterou kolem sebe vidíme. Podle dosavadních výzkumů tvoří i naprosto drtivou většinu hmoty, která tvoří celý vesmír. Každá z těchto částic má ale i svojí antičástici. Tou asi nejznámější je pozitron, o kterém se učí i na střední škole. Podle správného bysme ho měli nazývat antielektron, ale z historických důvodů se tato antičástice nazývá pozitron. Antičástice se ve většině ohledů podobají částicím. Mají stejnou hmotnost, velikost náboje, dobu života i další hodnoty. Liší se od nich ale ve znaménku značícím náboj (pozitivní / negativní) a ve znaménkách některých dalších fyzikálních veličin. Protože existují antiprotony a antineutrony, můžeme z nich sestavit antijádra antiatomů, kolem kterých by v antielektronovém obalu obíhaly pozitrony. Z těchto antiatomů by se daly sestavit antimolekuly a z nich celý antisvět. Jenže to má jeden háček a to hodně velký. Při kontaktu jakékoliv částice antihmoty s hmotou dochází k jevu zvanému anihilace. Při tomto ději obě zasažené částice zanikají. Aby ale byl zachován zákon o zachování hmoty, přemění se na energii, tedy na dva fotony, které se od místa srážky rozletí rychlostí světla. Pokud bychom dokázali využít antihilaci k získávání energie, měli bysme v ruce nevyčerpatelný zdroj, který by měl 100% účinnost přeměny energie. Pro představu při štěpení jaderného paliva v reaktorech je účinnost přeměny jen okolo 1,5%! Velmi často se o "motorech na antihmotu" hovoří v souvislosti s vesmírnými loděmi. Není se co divit. K pohonu by totiž stačilo jen minimum paliva (zlomky, maximálně jednotky gramů). Přesto by se z tohoto paliva dokázalo uvolnit neuvěřitelné množství energie. Jak jsem totiž napsal výše, při anihilaci dochází ke 100%  účinnosti energetické přeměny. Ale než se bude antihmota běžně používat si ještě hodně dlouho počkáme.

Přečtěte si všechny články o Large Hadron Collideru

    Teď si řekneme jak vlastně antihmota vzniká. Poprvé její existenci předpověděl roku 1928 Brit Paul Dirac. Její potvrzení přišlo o 4 roky později. Stále to ale byly jen výsledky srážek kdesi ve vesmíru. Na přípravu na Zemi jsme si museli ještě dlouho počkat. Není to totiž vůbec nic snadného. Vědcům se to daří jen s využitím nejmodernějších technologií a stejně se roční produkce antihmoty pohybuje v řádech desítek nanogramů (miliardtiny gramu) antihmoty. Vědcům se už podařilo vytvořit první antiatomy. Vzhledem ke své "jednoduchosti" byl zvolen jako vzor vodík.V jádru má jen jeden proton a v obalu jeden elektron. Stačí tedy spojit antiproton s pozitronem a máme na světě antiatom antivodíku. Chyba lávky! Tak snadné to ani zdaleka není. Získat pozitron není tak těžké - uvolňuje se totiž při některých rozpadech těžkých radioaktivních jader. Výroba antiprotonu vyžaduje speciální urychlovač, ve kterému budou klasické protony urychlené na rychlost blízkou rychlosti světla bombardovat atomová jádra. Pokud bude štěstí, vznikne antiproton. Obě antičástice jsme už vytvořili, teď zbývá z nich udělat antiatom. K tomu musíme obě antičástice dostat do stejného místa a zároveň je zpomalit natolik aby antiproton mohl zachytit kolem letící pozitron a připojit ho k sobě. Tyto technické potíže se podařilo překonat až roku 1996, kdy během několikadenního pokusu vzniklo devět antiatomů antivodíku. Metoda, kterou byly vytvořeny byla ale příliš složitá a pro větší výrobu nevhodná. Začal se tedy používat princip, který funguje až doposud a umožňuje výrobu milionů antičástic. Jde o to, že se z produkovaných antiprotonů vytvoří svazek, který se zpomalí pomocí speciálního zařízení. To pracuje obráceně než urychlovač, dalo by se mu tedy říkat zpomalovač. Takto zpomalené antiprotony jsou následně zachyceny soustavou elektromagnetů v tzv. magnetické pasti. Nemusím snad zdůrazňovat, že celý pokus probíhá v maximálním vakuu, protože antičástice by okamžitě s částicemi ve vzduchu anihilovaly. Zpátky ale k magnetické pasti. V ní se díky okolní teplotě blízké absolutní nule oblak antiprotonů ochlazuje, čímž klesá jejich chaotický neuspořádaný pohyb. V jiné magnetické pasti dojde k zachycení pozitronů vzniklých rozpadem těžkých jader. Magnetické pasti dokáží uchovávat miliony antičástic po dlouhou dobu. Antičástice totiž mají elektrický náboj, díky kterému se dají udržovat ve vymezeném prostoru pomocí elektromagnetů, které kolem nich tvoří elektromagnetické pole. Pak vědci antičástice z obou pastí vstříknou do společné pasti, ve které se antiprotony spojí s pozitrony, čímž vznikají antiatomy antivodíku. Jak jsme se ale učili ve škole - atom je navenek elektroneutrální. Jeho opačné elektrické síly mezi jádrem a obalem se vyruší. Stejné je to i s antiatomy. Jenže jakmile částice nemá elektrický náboj, nedá se udržet pomocí elektromagnetů. Antivodík tedy z pasti unikne a následně anihiluje na stěnách pasti. Tolik tedy k výrobě nejjednoduššího antiprvku - antivodíku. Na výrobu těžších antiprvků si budeme muset ještě hodně, ale opravdu hodně dlouho počkat. Zapotřebí je totiž splnit  ještě mnohem více podmínek aby antiatom vznikl. Je potřeba na malý prostor naakumulovat větší množství částic, navíc se do hry přidávají i i starosti s antineutrony, které jsme u antivodíku neřešili, protože ve vodíku žádný neutron není.

    Abych se ale vrátil k samotnému filmu Andělé a démoni. Šlo o krádež čtvrt gramu antihmoty (blíže nespecifikovaného druhu). Jenže vzhledem k současné rychlosti produkce by lidstvo tohle množství vyrábělo mnoho desítek milionů let. Kde se ale filmoví autoři strefili byla možnost přenášení antihmoty - ve filmu se používají elektromagnety. Dá se tedy očekávat, že onou ve filmu použitou antihmotou budou asi jen elementární antičástice. Pokud by se totiž jednalo o antiatomy, muselo by se použít zařízení, které zatím lidstvo nevyvinulo. Spekulativní je i účinek, který by vyvolala anihilace čtvrt gramu antihmoty. Podle teoretických výpočtů by se mohla uvolnit energie srovnatelná s výbuchem Hirošimské bomby. Během ní se ale energie "rozmělnila" mezi několik forem. Jednak došlo k vývoji ohromného množství tepla, světla, vznikla tlaková vlna, kinetickou energii měly unášené částice, ale musíme přičíst i samotné záření. Během anihilace by se tedy uvolnilo stejné množství energie, jen by bylo kumulované do jednoho druhu energie. Jak by ale takový "výbuch" vypadal? Na tuhle otázku není nikdo schopen přesně odpovědět, protože anihilace takového množství antihmoty nebyla nikdy provedena. Teoreticky by se jednalo o velmi mohutný záblesk, veškeré další projevy by ale byly pouze v řádu fantazie.

    Další podstatnou chybičkou ve filmu je použití LHC. Necháme stranou to, že ve filmu pozorují vědci LHC v akci přes prosklené okno u detektoru ATLAS i když v reálu nesmí během pokusů v podzemí nikdo zůstat. Hlavní problém je v tom, že LHC není primárně určeno k tomu aby vyrábělo antičástice. Svou základní konstrukcí se jedná o tzv. srážeč. Jeho úkolem je urychlit dva svazky atomů k rychlosti blížící se rychlosti světla a následně je v přesně vypočítané chvíli a místě srazit dohromady a sledovat vzniklé částice, resp. napodobit podmínky krátce po Velkém třesku. Ano, během těchto pokusů sice mohou antičástice vzniknout, ovšem velmi rychle anihilují, jelikož LHC neobsahuje výše zmíněný zpomalovač. Mnohem lépe k tomu poslouží například urychlovač Tevatron, který je umístěn v americké laboratoři Fermilab a kde antihmota běžně vzniká a zkoumá se. LHC ale dostalo přednost hlavně díky své mohutnosti. Experiment ATLAS je totiž opravdu nenahraditelnou kulisou.

    I přesto, že se filmaři ne vždy úplně přesně drželi faktů (koho by to ostatně potom bavilo, že?), filmovým fanouškům to nemusí vůbec vadit. Na druhou stranu se filmaři nedopustili žádných vyložených "kopanců" (snad až na to množství antihmoty), takže se na snímek mohou s klidným srdcem vydat i fyzikové aniž by riskovali, že je z předvedených fantasmagorií raní mrtvice.

    Jaký máte názor na film Andělé a démoni, kde se objevil i Large Hadron Collider? Jaký názor máte na antihmotu? Kdy se podle vás dočkáme jejího prvního praktického využití? Napište nám co si o tom všem myslíte. Využijte k tomu tento diskusní panel.

Při psaní jsme vycházel z těchto článků:
OSEL: Andělé a démoni aneb jak se v laboratoři CERN opravdu vyrábí antihmota
Wikipedia: Antihmota
Wikipedia: Anihilace