Ljóseind er sín eigin andeind, nánari skýring?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Ljóseind er sín eigin andeind, nánari skýring?
Rafeindir, róteindir, nifteindir og fleiri kunnar öreindir hafa tiltekna eiginleika sem gera það að verkum að hægt er að segja fyrir um það með hjálp afstæðiskenningarinnar að þær hljóti að eiga sér andeindir. Sú forsögn hefur síðan verið staðfest í tilraunum og athugunum. Ljóseindin og nokkrar fleiri öreindir sem eru ekki eins þekktar hafa ekki þessa eiginleika, þannig að þær eru sínar eigin andeindir eins og spyrjandi segir.

Í eina tíð hefðu menn haldið að þetta þyrfti ekki skýringar við heldur hitt að einhverjar eindir skuli eiga sér andeindir. En þetta er glöggt dæmi um það hve framvinda hugmyndasögunnar getur gerbreytt allri hugsun okkar, líka því hvað þurfi skýringu og hvað ekki!

Saga andeindarhugtaksins byrjar hjá enska eðlisfræðingnum Paul Dirac (1902-1984) árið 1928. Þeir Werner Heisenberg (1901-1976) og Erwin Schrödinger (1887-1961) höfðu sett fram grundvöll skammtafræðinnar nokkrum árum áður, en tóku þá ekki tillit til afstæðiskenningar Alberts Einsteins (1879-1955). Sumir töldu þó að einfalt mál yrði að bæta úr því en Dirac gerði sér ljóst að svo var ekki. Hann tók sér fyrir hendur að reyna að búa til grundvallarjöfnu sem væri afstæðileg óbreyta sem kallað er og mundi leggja grunninn að afstæðilegri skammtafræði.

Þetta tókst honum og jafnan er kölluð jafna Diracs. Sumir telja hana eitthvert mesta afrek vísinda á 20. öld (Pais, 290). Hún leysti þó ekki allan vandann sem í því felst að fella skammtafræðina að afstæðiskenningunni enda hafa menn glímt við hann allar götur síðan. Það er þó ekki aðalatriðið hér.

Meginatriðið er að jafna Diracs reyndist fela í sér þá forsögn að eind eins og rafeindin ætti sér andeind sem hefði andstæða rafhleðslu en sama massa og að öðru leyti sömu eiginleika; tæki til dæmis þátt í sömu víxlverkunum. Dirac kvað þó ekki upp úr um þetta fyrr en árið 1931 eftir miklar umræðum meðal eðlisfræðinga. Þessi forsögn rættist árið 1932 þegar bandaríski eðlisfræðingurinn Carl Anderson (1905-1991) uppgötvaði jáeindina (positron) sem er einmitt andeind rafeindarinnar.

Jafna Diracs sagði einnig til um að róteindin og nifteindin ættu sér andeindir og þær hafa fundist í tilraunum. Andefni sem svo er kallað er einmitt byggt upp af andróteindum, andnifteindum og jáeindum á sama hátt og venjulegt efni er gert úr eindunum sjálfum.

Allar þær eindir sem hér hafa verið nefndar hafa spunatölu 1/2 sem kallað er. Slíkar eindir gætu ekki verið til samkvæmt venjulegri skammtafræði en eiga sér einmitt eðlilegan tilverurétt samkvæmt jöfnu Diracs; hún skýrir tilvist þeirra, sem menn höfðu raunar áður tekið til greina. Allar eindir sem hafa hálftöluspuna eru fermíeindir sem kallað er en það þýðir meðal annars að engar tvær eindir sömu tegundar geta verið í sama ástandi.

Þessir eiginleikar, fermí-eðlið og hálftöluspuninn, segja skýrt til sín í því hvernig rafeindir raðast í ástönd og orkustig í frumeindum efnisins og skipta því sköpum til dæmis í hugmyndum okkar um lotukerfið og efnafræðilega eiginleika frumefnanna. Þannig ráða þessi tvö atriði miklu um það, hver frumefnin eru.

Þær eindir sem eru meginuppistaða efnisins kringum okkur hafa allar hálftöluspuna, eru fermíeindir og eiga sér andeindir sem eru frábrugðnar þeim sjálfum. Þetta á líka við um kvarkana sem svokallaðar sterkeindir eins og róteind og nifteind eru samsettar úr, en það er kannski önnur saga, enda er ekki hægt að einangra kvarka.

Auk efniseindanna eru til aðrar eindir sem hafa það hlutverk fyrst og fremst að bera víxlverkanir eða krafta milli efniseindanna og eru þess vegna stundum kallaðar burðareindir. Þessar eindir hafa heiltöluspuna og eru ekki fermíeindir heldur bóseindir sem kallað er, þannig að þær geta til að mynda verið margar í sama ástandi. Flestar þeirra hafa rafhleðslu og þá eiga þær sér andeind sem hefur gagnstæða rafhleðslu.

En ef eindin er óhlaðin og hlítir nokkrum öðrum lítilvægari skilyrðum er "andeindin" eins og eindin sjálf. Það er þetta sem gerist með ljóseindina og það á líka við um aðra þekkta burðareind, óhlöðnu píeindina sem táknuð er með p⁰. Sömuleiðis á það við um nokkrar aðrar öreindir sem eru þó ekki eins þekktar, og er reyndar ekki séð fyrir endann á þeirri sögu.

Fleira á Vísindavefnum

Hvað er andefni? eftir Þorstein Vilhjálmsson og fleiri svör sem finna má undir leitarorðinu 'andefni' í leitarvél vefsetursins.

Heimildir og lesefni

Hawking, Stephen, 1990. Saga tímans. Guðmundur Arnlaugsson íslenskaði. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag.

Pais, Abraham, 1986. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford: Clarendon Press.

Weinberg, Steven, 1998. Ár var alda. Guðmundur Arnlaugsson íslenskaði. Reykjavík: Hið íslenska bókmenntafélag....