Andělé a démoni o antihmotě

18. květen 2009 | 06.00 |

Nedávno měl premiéru film Andělé a démoni, který natočil Ron Howard podle bestselleru Dana Browna. Producentem filmu je Sony Pictures a u nás jej uvádí Falcon. Hlavní roli má Tom Hanks, ale také laboratoř CERN a antihmota. Film jsem zatím neviděl, a knihu jsem si poslechl v MP3. Ale dokážu si živě představit, jak lidé budou fyzikální aspekty ve filmu brát jako hotovou a pro ně jasnou věc. Proto je potřeba si vysvětlit, jak výroba antihmoty vlastně probíhá a nakolik je popisovaný děj filmu reálný.

Angels & Demons - Official Trailer 2: http://www.youtube.com/watch?v=bcE8QaKiTGk

Naše hmota je složena s částic a ke každé částici existuje antičástice. Antičástice má stejnou hmotnost, velikost náboje, dobu života i hodnoty dalších fyzikálních veličin jako částice. Liší se pouze ve znaménku náboje či znaméncích některých dalších fyzikálních veličin. Protože existují antiprotony a antineutrony, může z nich sestavit antijádra antiatomů. První objevené  antičástice byly pozitrony (jde o antielektrony). Z antijádra a pozitronů můžeme sestavit antiatomy a v principu i antimolekuly a větší množství různých forem antihmoty.

Takže by mohla existovat antivoda, antiocel i třeba antisvěty. Ovšem jedině do okamžiku než by se antihmota potkala s hmotou. Důležitou vlastností hmoty a antihmoty, pro kterou se objevuje i ve filmu Andělé a démoni, je totiž anihilace. Tento jev nastává v okamžiku, kdy se setkají částice s antičásticí, hmota s antihmotou. Při anihilaci, která bývá zbytečně dramaticky líčena jako bouřlivý výbuch, se přeměňuje energie spojená s klidovou hmotností částic na kinetickou energii. A tato obrovská energie uvolněná při anihilaci  je využita jako zbraň v následujícím příběhu filmu.

V laboratoři CERNu (evropské středisko pro výzkum elementárních částic a struktury hmoty), je brutálně zavražděn vědec Leonardo Vetra, kterému na hrudi vypálí vrah symbol staré sekty iluminátů a vyloupne z hlavy oko, aby se dostal k jeho výsledům práce s antihmotou. Ilumináti byla údajná sekta, jejíž členové byli někteří významní fyzikové historie – například Galileo Galilei.  Ředitel CERNu povolá z USA profesora umění Roberta Langdona (hraje ho Tom Hanks), znalce symboliky a tohoto společenství.

Ten spolu s adoptovanou dcerou zavražděného vědce (a jak se také ukáže dále kněze) Viktorií zjistí, že spolek iluminátů získal z laboratoře CERN čtvrt gramu antihmoty. Z antihmoty ilumináti sestavili  nebezpečnou časovanou bombu, která má zničit Vatikán v době volby nového papeže. Bomba obsahuje v plastovém kontejneru, který snadno projde detektorem kovů, kapičku antihmoty. Ta se vznáší v magnetickému poli ve velmi vysokém vakuu udržovaném tímto kontejnerem. Pokud je napojena na zdroj elektrické energie, který vytváří magnetické pole, je vše v pořádku. Pokud se vnější zdroj elektřiny odpojí, vytváří se magnetické pole pomocí baterie, která však může fungovat pouze čtyřiadvacet hodin. Během volby nového papeže jsou  uneseni i čtyři hlavní kardinálové, kteří mají velkou šanci se stát papežem. Pro oba hlavní hrdiny Roberta Langdona a Vittorii,  zbývá několik hodin na nalezení kardinálů a objevení úkrytu bomby s antihmotou. Tolik zkráceně k obsahu filmu – pointu příběhu prozrazovat nebudu...

Filmaři zavítali  do prostředí laboratoře částicové fyziky CERN. Na rozdíl od Vatikánu bylo vedení laboratoře CERN k filmařům vstřícnější, takže mohli natáčet a sbírat podněty i materiál přímo na místě. Dokonce dodnes nespuštěný urychlovač LHC je ve filmu zobrazen jako zařízení na výrobu antihmoty. S filmaři diskutovali i odborníci, kteří se podílejí na skutečném výzkumu antihmoty. Ve filmu bude fyzikální popis podřízen spádu děje a efektnosti. Antihmota je tak připravena na urychlovači LHC, kde sice při srážkách antičástice vznikají, ale který není pro produkci většího množství antihmoty moc vhodný. Film využívá toho, že hlavně jeho detektory jsou obrovské a působí impozantně. Aby jejich mohutnost vynikla ještě více, sledují je tak vědci experiment ATLAS ve filmu při provozu urychlovače přes skleněné okno. Ve skutečnosti to tak z bezpečnostních důvodů není možné a v době provozu v tunelu urychlovače a v jeskyních experimentů nesmí nikdo být. Vše je řízeno z povrchu. Dalším důvodem, že  je ve filmu využit urychlovač LHC a jeho experimenty, je jeho poslání. Vědci se s jeho pomocí snaží zkoumat hmotu existující zlomky mikrosekund po počátku stvoření našeho světa.  A právě kontrast a napětí mezi úhlem pohledu a způsoby, jakými na "akt zrozeni" našeho světa pohlíží věda a náboženství, je důležitým tématem knihy i filmu.

Výroba nejjednodušší antičástice - antivodíku není jednoduchou záležitostí. Nejprve se musí vyprodukovat antiproton a pozitron, ze kterých se antivodík skládá. To až tak složité není. Pozitrony získáme v rozpadu některých radioizotopů. Antiprotony lze produkovat popsaným způsobem ve srážkách protonů urychlených rychlostmi blízkými rychlosti světla s atomovými jádry. Abychom ale vytvořili aspoň jediný atom, je třeba dosáhnout toho, aby se pozitron a antiproton dostaly do stejného místa a jejich vzájemná rychlost byla tak malá, aby byl antiproton elektrickými silami schopen pozitron zachytit. Problém je, že antičástice vznikají při vysokoenergetických srážkách a mají tak velké kinetické energie. To způsobilo, že první atomy antivodíku se podařilo vyprodukovat až v roce 1996. Využilo se speciálního procesu, při kterém si pohybující se proton sám vyprodukoval pozitron. Nabitá částice, která se pohybuje zrychleným pohybem, totiž může produkovat pár elektronu a pozitronu. Tím se zajistilo, aby byl antiproton a pozitron ve stejném místě. A existovala sice velmi malá ale nenulová pravděpodobnost, že vzájemná rychlost antiprotonu a vzniklého pozitronu bude dostatečně malá. Proto se podařilo v experimentu trvajícím řadu dní vyprodukovat pouze devět atomů antivodíku.
Abychom získali větší množství antivodíku, musíme použít úplně jinou metodu.  V tomto případě vytvoříme z produkovaných antiprotonů nejen svazek, ale tento svazek zpomalíme pomocí zařízení, které působí obráceným způsobem než urychlovač a můžeme mu tak říkat zpomalovač. Zpomalené antiprotony jsou pak zachyceny intenzivním magnetickým polem magnetické pasti. V ní se pak navíc zmenšuje chaotický pohyb antiprotonů a oblak antiprotonů se tak ochlazuje. Magnetické pasti založené na dokonalé superchladné kryogenní technice pak v principu dokáží udržet desítky milionů antiprotonů týdny i měsíce. Podobná metoda by se nejspíše využila při skladování antihmoty pro případné využití pro kosmické lodě. Popsaný zpomalovač antiprotonů a podobná past pracuje v laboratoři CERN, i když v tomto případě jsou antiprotony v této pasti jen velmi krátce.
Oblak pozitronů vzniklých v rozpadu vhodného radiozotopu se v jiné magnetické pasti také ochlazuje a poté se vstřikuje do další magnetické pasti, kam jsou současně vstříknuty i ochlazené antiprotony. Zde pak dochází k záchytu pozitronu antiprotonem a vzniku antivodíku. Takovým způsobem se daří připravovat desítky až stovky tisíc atomů antivodíku. Problémem je, že vzniklý antivodík je na rozdíl od osamělého antiprotonu a pozitronu elektricky neutrální. Magnetická past ho tak neudrží, uniká z ní a na stěnách její komory anihiluje.

V současné době se hledají cesty, jak zachytit neutrální antivodík v novém typu magnetické pasti. Ta by měla využívat toho, že antivodík je sice neutrální, ale má magnetický moment. Je tedy malou magnetkou, kterou lze magnetickým polem uvěznit. Ovšem konstrukce takové pasti je velmi náročná. I když se to podaří, tak získáme jen velmi malý obláček extrémně řídkého plynu z antivodíku. Ten nám sice umožní porovnat vlastnosti vodíku a antivodíku, ale jedná se o množství o dvacet řádů menší než je čtvrtina gramu v Andělích a démonech.
Dnes sice víme, že antihmota a antisvět se od hmoty a světa malinko liší, takže si můžeme sdělit s mimozemskou civilizací, zda je z antihmoty či hmoty. Rozdíl je ale opravdu jen velmi malinký a ve specifických procesech. Víme tak, že chemické vlastnosti antivodíku by měly být totožné s vlastnostmi vodíku. Tedy i jeho teplota tání je  -259,3°C a teplota varu pak -252,7 °C.   Pokud bychom chtěli tedy dostat gramové množství antihmoty jako v knize a filmu a uchovat je v tak malém kontejneru, museli bychom při využití antivodíku vyřešit nejen jeho hromadnou produkci a udržení, ale také nejspíše i jeho alespoň zkapalnění nebo spíše zmrazování. Vše by muselo probíhat takovým způsobem, aby se antihmota nemohla dostat do kontaktu ani s minimálním počtem atomů hmoty. Musela by tedy být ve vysokém vakuu a nějakým způsobem by se musela zajistit stálá separace od stěn kontejneru. Použití elektrického nabití antihmoty a udržení v magnetickém poli využité v knize a filmu je jedinou představitelnou cestou. V reálné situaci si však provedení něčeho takového zatím představit nedokážeme. Problémem by bylo například odpařování antivodíků ze zmrzlé tablety nebo kapky a jeho následná anihilace při setkání se stěnami kontejneru. Proto musí autoři v dílech, kde se antihmota vyskytuje, sahat k řešením z oblasti fikce. 

Ve filmu je k výrobě antihmoty využit urychlovač LHC. V praxi se však používají a budou využívat jiné urychlovače, protože pro přípravu antiprotonů totiž není optimální tak vysoká energie srážky, jakou urychlovač LHC produkuje. Zároveň je pak třeba vzniklé antiprotonů okamžitě  zachytit a zpomalit, proto je lépe, když mají malou kinetickou energii.  Urychlovač LHC je navíc srážeč. Urychluje dva svazky protonů proti sobě a sráží je. Ovšem hustota protonů u obou svazků je velmi malá a malý je i počet srážek a produkovaných antiprotonů. Daleko výhodnější je svazek nasměrovat do tlustého terče s těžkého kovu. V tomto případě je hustota jader v terči velmi vysoká a tím je vysoký i počet produkovaných antiprotonů. U kovového terče lze zajistit i efektivní odvod tepla a tedy jeho chlazení. Další výhodou je, že většina takto vzniklých antiprotonů letí ve směru původního svazku a tak je následná manipulace s nimi pomocí magnetických a elektrických polí jednodušší.  Ať už je potřebujeme zpomalit pro vytváření antivodíku nebo naopak urychlit a následně srážet z protony, jak je to prováděno na urychlovači Tevatron v laboratoři Fermilab v USA. Popsaným způsobem se tak antiprotony produkují ve Fermilabu, v CERNu i dalších laboratořích. V současnosti je roční produkce zhruba do desítky nanogramů (miliardtin gramu) a zmíněnou čtvrtinu gramu bychom tak produkovali desítku milionů let.

V našem okolí neexistují zásoby antihmoty proto ji nemůžeme využít energeticky. Zatím se uvažuje o využití antihmoty pouze pro pohon kosmických lodí, kde je důležitá malá hmotnost a efektivnost paliva. Že se nakonec z paliva dostane mnohem méně energie než se při jeho produkci spotřebuje, není v tomto případě důležité. Reálně se může uvažovat o využití nabitých antiprotonů v podobě plazmy uzavřené v magnetické pasti. Nevýhodou je, že taková plazma je relativně řídká a tím efektivnost tohoto zdroje zhoršuje. Problémem je v současnosti malá efektivnost výroby antiprotonů (nanogramy antiprotonů za rok). Pokud bychom využili relativně jednoduchá vylepšení v produkci a sběru antiprotonů a postavili urychlovač na jejich produkci specializovaný, nebyl by problém zvýšit produkci o dva řády. Další zefektivnění by už bylo náročnější. I tak to však budou pouze mikrogramy ročně. I když však vyrobíme více antiprotonů, narazíme na limity při jejich skladování. Dnešní magnetické pasti zatím dokáží udržovat desítky milionů antiprotonů. I zde je možné vylepšení o pár řádů, ale i tak to budou jen jednotky až desítky miliard antiprotonů, tedy desetiny nanogramů. A pro pohon mezihvězdného plavidla jsou potřeba nejméně gramy. Proto se uvažuje o kombinaci termojaderného pohonu a pohonu na antihmotu. Všechny tyto úvahy jsou však zatím pouze na papíře a bude třeba překonat velké množství technických překážek, než se budou případně moci uskutečnit.

Můžeme být zatím klidní - realizace bomby využívající antihmotu jak byla  ukázána ve filmu by v praxi možná nebyla. Odlišný od skutečnosti i popis laboratoří v CERNu. Ale to nemusí být na závadu kvality tohoto díla. V tomto případě jde hlavně o způsob podání zápletky a její režijní a herecká realizace. Osobně se na film určitě vypravím a odchylky od fyzikálních reálií mi až tak moc vadit nebudou. Lituji však předem všechny diváky, kteří si tuto zajímavou fikci před zhlédnutím filmu nepřečtou v knize. Filmaři mají přece jenom velmi rychlé postupy v ději a přehnaně bazírují na efektních akčních scénách.

s využitím článku Vladimíra Wágnera

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1 (4x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře