L’antimatière est identique à la matière ordinaire, sauf qu’elle possède une charge électrique opposée. Par exemple, un électron, qui a une charge négative, a un partenaire d’antimatière appelé positon. Un positon est une particule ayant la même masse qu’un électron mais avec une charge positive.
Les particules sans charge électrique, comme les neutrons, sont souvent leurs propres partenaires d’antimatière. Mais les chercheurs n’ont pas encore déterminé si les mystérieuses minuscules particules connues sous le nom de neutrinos, qui sont également neutres, sont leurs propres antiparticules, rapporte Live Science.
Même si cela peut sembler tiré de la science-fiction, l’antimatière est réelle. L’antimatière a été créée en même temps que la matière après le Big Bang. Mais l’antimatière est rare dans l’univers actuel, et les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi.
Un vaisseau spatial de la NASA a détecté une explosion d’antimatière provoquée par un orage dans l’atmosphère terrestre. NASA
Les humains ont créé des particules d’antimatière en utilisant des collisions ultra-rapides dans d’énormes accélérateurs de particules tels que le Grand collisionneur de hadrons, situé à l’extérieur de Genève et géré par le CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire). Plusieurs expériences au CERN créent de l’antihydrogène, le jumeau antimatière de l’élément hydrogène. L’élément d’antimatière le plus complexe obtenu à ce jour est l’antihélium, un analogue de l’hélium.
Il existe également des antiparticules naturelles produites sporadiquement dans tout l’Univers. Mais lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement et produisent de l’énergie, ce qui signifie que dans un cosmos dominé par la matière comme le nôtre, l’antimatière ne reste pas longtemps.
Voir aussi... Les scientifiques tirent la sonnette d'alarme: le monde perd rapidement de l'eau douce Changements anthropiques et climatiques dans les rivières et les lacs de la Terre |
L’antimatière est également au centre du mystère de l’existence même de l’univers. Dans les premiers instants après le Big Bang, seule l’énergie existait. À mesure que l’univers se refroidissait et s’étendait, des particules de matière et d’antimatière se formaient. Les scientifiques ont mesuré les propriétés des particules et des antiparticules avec une précision extrêmement élevée et ont découvert que les deux se comportent de la même manière. Donc, si l’antimatière et la matière ont été créées en quantités égales et se comportent de la même manière, toute la matière et l’antimatière créées au début des temps auraient dû s’annihiler au contact, ne laissant rien derrière elles.
La matière a commencé à prévaloir sur l’antimatière
Une théorie suggère qu’au début de l’univers, plus de matière a été créée que d’antimatière, de sorte que même après une annihilation mutuelle, il restait suffisamment de matière pour former des étoiles, des galaxies et finalement tout ce qui se trouve sur Terre. La différence serait très minime. Moins d’une particule ordinaire sur un milliard survivrait au chaos et formerait toute la matière qui nous entoure aujourd’hui.
Si le neutrino – une minuscule particule fantomatique qui interagit à peine avec d’autres matières – est en réalité sa propre antiparticule, cela pourrait être la clé pour résoudre ce problème. Dans cette théorie, au début des temps, une petite fraction de neutrinos aurait pu passer de l’antimatière à la matière, créant potentiellement un petit déséquilibre de matière au début de l’univers. Des expériences ont tenté de déterminer si le neutrino était sa propre antiparticule, mais jusqu’à présent, elles n’ont pas été concluantes.
Le physicien britannique Paul Dirac a prédit l’antimatière en 1928 alors qu’il tentait de combiner la mécanique quantique, qui décrit les particules subatomiques, et la théorie de la relativité d’Einstein. Dirac cherchait une solution à l’équation décrivant le mouvement d’un électron se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. «Tout comme l’équation x^2 = 4 peut avoir deux solutions possibles (x = 2 ou x = moins −2), l’équation de Dirac peut avoir deux solutions: une pour un électron d’énergie positive et une pour un électron d’énergie négative», selon le CERN.
Au début, Dirac hésitait à partager ses découvertes. Mais il les a finalement acceptés et a déclaré que chaque particule de l’univers devait avoir une particule miroir qui se comportait de la même manière mais avait la charge opposée.
Les positons ont été découverts quelques années plus tard par le physicien Carl Anderson de l’Institut de technologie de Californie, qui étudiait les rayons cosmiques de haute énergie qui viennent de l’espace et frappent l’atmosphère terrestre, créant un flux d’autres particules. Dans son détecteur, Anderson a observé une trace de quelque chose ayant la même masse qu’un électron, mais avec une charge positive. Le rédacteur en chef de la revue Physical Review a suggéré d’appeler la particule un positon, selon l’American Institute of Physics.
Pour leurs travaux sur cette découverte, Dirac et Anderson ont reçu le prix Nobel de physique : Dirac en 1933 et Anderson en 1936.
Le physicien théoricien britannique Paul Dirac fut l’une des figures les plus importantes des débuts de la physique quantique. Il partagea le prix Nobel de physique avec Erwin Schrödinger en 1933. Mais c’est en 1927 que cet esprit discret mais brillant commença sa quête des «belles mathématiques» et formula ce qui devint l’une de ses plus grandes réalisations: l’équation de Dirac.
Dans cet extrait du chapitre sur l’antimatière de son livre The One Thing You Need to Know, l’auteur Marcus Chown explique comment les méthodes et les manières inhabituelles de Dirac nous ont aidés à comprendre la physique fondamentale qui façonne le monde qui nous entoure.
La nature a décidé de doubler le nombre de ses éléments constitutifs de base. Pour chaque particule subatomique, il existe, de manière remarquable, une «antiparticule» dotée de propriétés opposées, comme la charge électrique. Jusqu’en 1927, personne n’avait le moindre soupçon qu’un tel monde «d’antimatière» existait. Mais cette année-là, le physicien britannique Paul Dirac a écrit une équation décrivant un électron se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière et a remarqué qu’elle contenait quelque chose d’étrange.
Voir aussi... |
Dirac fut l’un des pionniers de la théorie quantique, une description révolutionnaire du monde submicroscopique des atomes et de leurs composants, écrit Marcus Chown dans son livre The Only Thing You Need to Know. Cette théorie a concilié deux caractéristiques apparemment contradictoires du monde révélées par des expériences menées au cours du premier quart du XXe siècle: la capacité des atomes et de leurs semblables à se comporter comme des particules localisées et comme des ondes se propageant. En 1926, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a formulé cela dans l’équation de Schrödinger, qui décrit les ondes de probabilité quantique se propageant dans l’espace.
Paul Dirac. Getty Images
Le problème avec l’équation de Schrödinger est qu’elle n’intègre pas l’autre révolution de la physique du XXe siècle. Dans sa théorie de la relativité restreinte de 1905, Einstein a montré que des choses étranges se produisent dans l’espace et le temps lorsqu’un corps doté d’une masse approche la vitesse de la lumière. Bien que l’équation de Schrödinger fonctionne bien pour décrire un électron dans un petit atome, où la force électrique de quelques protons dans le noyau le fait orbiter à une vitesse beaucoup plus lente que la vitesse de la lumière, dans les atomes plus lourds, où le noyau a de nombreux protons et l’électron orbite à une vitesse proche de la limite de vitesse d’échappement, l’équation s’effondre. Ce qu’il fallait, c’était une équation compatible avec la relativité restreinte – relativiste – et c’est exactement ce que Dirac s’est efforcé de trouver.
Dirac était un homme étrange qui, aujourd’hui, serait probablement diagnostiqué comme étant autiste. Grand, dégingandé et ressemblant à une canne, il avait l’habitude de travailler dur toute la semaine et, le dimanche, de faire de longues promenades dans la campagne autour de Cambridge, où il grimpait aux grands arbres, vêtu de son costume et de sa cravate. Littéralement stupide, il était le Monsieur Spock de la physique. Lorsqu’au cours d’un de ses cours, un étudiant leva la main et dit: «Professeur Dirac, je ne comprends pas l’équation au tableau», il répondit: «C’est un commentaire, pas une question», et continua son cours.
L’approche de Dirac envers la physique n’était pas moins étrange que son caractère. Alors que d’autres physiciens cherchaient des analogues quotidiens des phénomènes qu’ils voulaient décrire et essayaient ensuite de les encapsuler dans une équation mathématique, Dirac a eu le courage de simplement s’asseoir avec un stylo et du papier et de deviner la forme de l’équation. «J’aime jouer avec les équations, simplement à la recherche de belles relations mathématiques qui n’ont peut-être aucune signification physique», a déclaré Dirac. «Parfois, c’est le cas.»
C’est dans sa quête de «belles mathématiques» dans ses chambres spartiates du St. John’s College, à la fin du mois de novembre 1927, que Dirac a littéralement sorti de nulle part ce qui allait devenir l’équation de Dirac. Aujourd’hui, c’est l’une des deux équations inscrites sur le carrelage du sol de l’abbaye de Westminster à Londres. Une autre est l’équation de Stephen Hawking pour la température d’un trou noir. «De toutes les équations de la physique, la plus magique est peut-être l’équation de Dirac», déclare le physicien américain Frank Wilczek (dans It Must Be Beautiful: Great Equations Of Modern Science de Graham Farmell (Granta, 2003)). «C’est la méthode la plus librement inventée, la moins conditionnée par l’expérience et celle qui a les conséquences les plus étranges et les plus étonnantes.»
Dirac a découvert qu’il était impossible de décrire les propriétés d’un électron relativiste, comme son énergie, avec un simple nombre. Il a donc dû utiliser un tableau de nombres deux par deux appelé matrice. Cette «dualité» expliquait la mystérieuse caractéristique de l’électron. Les expériences ont montré que la particule se comportait comme si elle tournait dans l’un des deux sens suivants: dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse. Cependant, si l’électron tournait effectivement, son comportement ne pourrait être compris que s’il tournait plus vite que la lumière, ce qu’Einstein croyait impossible. Les physiciens ont été obligés de conclure que le «spin» de l’électron était quelque chose d’entièrement nouveau. C’était une propriété quantique intrinsèque qui n’avait pas d’analogue dans le monde quotidien. Et c’était là, vit Dirac, sautant simplement sans y être invité de la formule qu’il avait écrite. «Mon équation a donné exactement les propriétés nécessaires à l’électron», a déclaré Dirac. «C’était un bonus vraiment inattendu pour moi, totalement inattendu.» Selon le physicien américain John Hasbrouck Van Vleck, l’explication du spin électronique de Dirac peut être comparée à «un magicien extrayant des lapins d’un chapeau de soie».
La rotation était étrange. Mais un autre aspect qui ressort de l’équation de Dirac est encore plus étrange. Lorsque Dirac écrivit son équation, il remarqua que son mécanisme était étrangement dupliqué. Il semblait décrire non seulement un électron chargé négativement, mais aussi une particule ayant la même masse que l’électron mais avec une charge positive. À cette époque, seules trois particules subatomiques étaient connues: le proton dans le noyau d’un atome; un électron qui tourne autour du noyau; et un photon, une particule de lumière. Il ne semblait pas y avoir besoin d’un autre. Même les grands physiciens de l’époque, comme Werner Heisenberg et Wolfgang Pauli, pensaient que l’équation de Dirac devait être fausse. Cependant, Dirac avait raison et eux avaient tort, comme l’a montré plus tard une expérience à 8 000 kilomètres de Cambridge.
En 1932, Carl Anderson, un physicien américain du California Institute of Technology de Pasadena, essayait de comprendre les rayons cosmiques, des particules de très haute énergie provenant de l’espace. Il s’attendait à ce qu’ils s’écrasent sur des atomes dans l’atmosphère, éjectant leurs électrons. S’il pouvait simplement mesurer l’énergie de ces électrons éjectés, raisonna-t-il, il aurait le contrôle sur l’énergie des rayons cosmiques. À cette fin, il a utilisé un champ magnétique extrêmement puissant pour dévier les électrons, concluant que s’ils avaient une énergie élevée et se déplaçaient donc rapidement, ils passeraient peu de temps à proximité de son champ magnétique et seraient déviés moins brusquement que s’ils avaient une faible énergie et y passaient plus de temps.
Anderson a rendu ses électrons visibles en utilisant une «chambre Wilson». À l’intérieur de l’appareil, de minuscules traînées de gouttelettes d’eau se formaient le long des traces d’électrons, et il pouvait photographier ces traînées. Le 2 août 1932, Anderson développa une plaque photographique et fut étonné de voir une particule de la masse d’un électron qui était déviée de l’électron par un champ magnétique. Il ne savait rien de la prédiction de Dirac. Il tomba cependant sur l’électron chargé positivement de Dirac, une particule qu’il baptisa immédiatement «positron».
Parce que la combinaison de la matière et de l’antimatière produit de l’énergie, les ingénieurs ont suggéré que les vaisseaux spatiaux alimentés par l’antimatière pourraient être un moyen efficace d’explorer l’univers.
La NASA étudie la possibilité d’utiliser des véhicules à antimatière pour voyager vers Mars, mais l’idée présente certains inconvénients. Tout d’abord, c’est très cher.
Moteur à antimatière. smotrim.ru
«Une estimation approximative du coût de production des 10 milligrammes de positons nécessaires à une mission humaine vers Mars est d’environ 250 millions de dollars en utilisant une technologie actuellement en cours de développement», a déclaré Gerald Smith de Positronics Research LLC à Santa Fe, au Nouveau-Mexique, dans un article de 2006 pour la NASA. Le coût peut paraître élevé, mais envoyer quoi que ce soit en orbite coûte toujours environ 10 000 dollars par livre, donc lancer un gros vaisseau spatial avec son équipage humain serait également coûteux.
Plus récemment, des chercheurs de la NASA ont envisagé d’utiliser l’énergie générée par les collisions matière-antimatière pour envoyer une sonde vers le système stellaire voisin Alpha Centauri. L’énergie des collisions permettrait au vaisseau d’accélérer jusqu’à 10% de la vitesse de la lumière, puis de ralentir suffisamment pour explorer Alpha du Centaure, peut-être pendant des décennies.
Voir aussi... Liste complète des gestionnaires d'événements HTML/Javascript avec exemples Liste des documents requis pour un site Web en Fédération de Russie |
No related posts found...
