23آگوست2017

09 دی 1395 نوشته شده توسط 

بالاخره ضدماده اندازه‌گیری شد

معمای جهان‌های وارونه رمز گشایی می‌شود
مریم ایرانی 
P46-The big bang Theory background by Neurostick1
برای نخستین بار در تاریخ علم، دانشمندان موفق شدند، ضدماده یا پادماده (Antimatter) را در شرایط آزمایشگاهی اندازه‌گیری کنند.
ضدماده مفهومی عجیب است که برای کسانی که با فیزیک پیشرفته آشنایی ندارند، پیچیده خواهد بود و حتی برای فیزیکدان‌ها نیز کار با آن اصلا ساده نیست چراکه به محض تماس ضدماده با ماده، هر دو نابود می‌شوند. این مشکل باعث شده بود که تاکنون انسان نتواند ضدماده را اندازه‌گیری کند چون برای این‌ کار نیازمند اتصال ابزار است و این اتصال، سوژه اندازه‌گیری را نابود می‌کند.
اما به واقع این مفهوم فیزیکی به چه معناست؟
درجهان هستی هر ذره ای دارای یک ضدماده خود است که می‌تواند به وسیله آن خنثی و یا نابود شود. مثلا ضدماده الکترون پوزیترون است که دقیقا مشابه الکترون است ولی بار آن برخلاف الکترون که دارای بار منفی است مثبت است.
دیراک فیزیکدان معروف در ۱۹۲۸ چنین استنباط کرد که همه مواد می‌توانند در دو حالت وجود داشته باشند. وی در آغاز نظریه خود را در مورد الکترون بیان کرد و اظهار داشت که باید ذراتی به نام ضد الکترون هم وجود داشته باشد. این گفته تحقق یافت و فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در ۱۹۳۲ ضد الکترون و یا پوزیترون را کشف کرد. پس از اکتشاف دیراک و اندرسون، سرانجام در اکتبر ۱۹۵۵ ایی لوگسلر، فیزیکدان اهل ایتالیا توانست در شتاب دهنده بیوترون در آزمایشگاهی در کالیفرنیا، پاد پروتون و یک سال بعد ۱۹۵۶ پاد نوترون را آشکار کند. اما دانشمندان پارا فراتر گذاشته و در پی ساخت پاد اتم و پاد مولکول برآمدند.
در فیزیک ذرات و شیمی کوانتوم «ضدماده» گستره مفهومی از ضد ذرات تا ماده است، جایی که ضدماده ترکیبی از ضد ذرات می‌شود. این فرآیند را شاید بتوان آینه متقارن ماده و ذرات تشکیل دهنده آن عنوان کرد، آنجا که ذرات در ترکیب با هم ماده را تشکیل می‌دهند. به عنوان مثال یک ضد الکترون و یک ضد پروتون می‌توانند اتم ضد هیدروژن را دقیقا مشابه ترکیب اتم طبیعی هیدروژن با الکترون و پروتون تولید کنند.
در هنگام آفرینش جهان در انفجار بزرگ یا بیگ بنگ نیز باید ماده و ضدماده به یک مقدار تشکیل می‌شد.در نتیجه همه پدیده‌های جهان باید در نتیجه برخورد ماده و ضدماده به انرژی تبدیل می‌شد در نتیجه ماده پدید نمی‌آمد و ما اکنون وجود نداشتیم.
ولی در هنگام انفجار بزرگ یک استثنا رخ می‌دهد و آن این است که بر خلاف همیشه مقدار ماده تولید شده از ضدماده آن اندکی بیشتر بوده است در نتیجه مقداری از ضدماده ماده را نابود ساخت و ماده باقی مانده باعث شد جهان هستی متولد شود. اصل آنتروپی و انسانی محوری می‌گوید باید چنین بوده باشد در غیر این صورت ما اکنون وجود نداشتیم.
فیزیکدان جایزه نوبل استیون واینبرگ می‌نویسد:
«اگر الکترون‌ها اندکی بیشتر از ضد الکترون‌ها و کوارک‌ها اندکی بیشتر از ضد کوارک‌ها نبودند،در آن صورت ذرات معمولی مانند الکترون‌ها و کوارک ها، در جهان امروز اصلا وجود نداشتند. همین افزایش اندک ماده نسبت به ضدماده که تخمین زده می‌شود به نسبت یک در ده میلیارد است،موجب ایجاد هسته اتم‌های سبک در سه دقیقه بعد از مهبانگ(بیگ بنگ) شد و سپس بعد از یک میلیون سال اتم‌ها به وجود آمدند و بعد از آن عناصر سنگین تر در ستاره‌ها پخته شدند و سرانجام ماده ای به وجود آمد که حیات از آن برخاست.»
جرج اسموت فیزیکدان نیز می‌نویسد:
«از این توصیف‌ها چنین بر می‌آید که جهان هستی و نیز هستی ما حاصل اتفاقی بسیار مناسب،یعنی افزایش اندک ماده ندر نتیجه نقض قوانین،در زمانی بسیار مناسب بوده است.این واقعه ممکن است حاصل یکی از پیامد‌های بی‌شماری بوده باشد که در یک برهه زمانی بسیار اندک بعد از مهبانگ رخ داده باشد هنوز حقیقت را نمی‌دانیم.»
نکته قابل توجه این است که بدون تردید نقض قوانین فیزیکی در لحظه آفرینش جهان تنها به وسیله نیرویی که قوانین فیزیکی جهان را پایه ریزی کرده است امکان پذیر بوده است. استیون هاوکینگ در کتاب خود تحت عنوان طرح بزرگ که سعی دارد با استفاده از نظریه ریسمان‌ها آغاز جهان را بدون وجود آفریدگار شرح بدهد به این موضوع اشاره می‌کند که جهان به وسیله قوانین فیزیکی پدید آمده است ولی هیچ اشاره ای به نقض قوانین فیزیکی در لحظه آفرینش جهان نمی‌کند.
اکنون دانشمندان فیزیک مرکز تحقیقات سرن در قالب تیم آلفا موفق شدند برای نخستین بار با استفاده از تکنیک خاصی ضدماده را اندازه‌گیری کنند. آنها یک پوزیترون (الکترون با بار مثبت) را به همراه یک ضد پروتون (پروتون با بار منفی) داخل یک تیوب خلاء قرار دادند تا یک اتم ضد هیدروژن تشکیل شود. سپس این اتم را در میدانی مغناطیسی به‌ دام انداختند و با تکنیک‌های لیزری اندازه‌گیری کردند.
در مرحله بعد آزمایش، دانشمندان پرتوی از لیزر سرخ به ضد هیدروژن تاباندند تا رفتار پوزیترون‌های آن پس از ارتقاء سطح انرژی را بررسی کنند. نتیجه آزمایش خوشبختانه همانند رفتار هیدروژن بود. در صورتی‌ که این ضدماده رفتاری متفاوت از خود بروز می‌داد کل علم فیزیک نیازمند بازنگری می‌بود.
درک رفتار ضدماده برای درک کائنات اهمیت زیادی دارد چراکه براساس تئوری‌ها ضدماده و ماده باید یکدیگر را نابود کنند اما در کائنات این‌ دو در کنار هم هستند و ما همچنان وجود داریم.
پرسش اساسی دیگری هم در اینجا مطرح می‌شود و آن این است که:
ما انسان‌ها و هر آنچه در اطراف ماست از موجودات زنده گرفته تا زمین، سیارات، خورشید و دیگر ستارگان، همه از ماده ساخته شده‌ایم. اما با تصور وجود یک جهان دیگر که مانند تصویر آینه‌ای جهان کنونی ما باشد، چه احساسی به شما دست میدهد؟ اگر ضد ماده وجود دارد، آیا ضد جهان هم وجود دارد؟ در صورت وجود، قوانین آنها چگونه است؟
قوانین ضد شیمی این جهان‌ها همانند قوانین شیمی است. غیر از بارهای وارون، مردمانی که در چنین جهانی به سر می‌برند هرگز نمی‌فهمند که از ضدماده ساخته شده اند. فیزیکدان‌ها این را وارون یا C- وارون می‌نامند، زیرا در این ضد جهان تمام بارهای الکتریکی وارون است، اما چیز دیگری دست نمی‌خورد. البته فیزیکدان‌ها پرسشهایی دربارۀ گیتی‌های دو قلو را بسیار جدی می‌گیرند، چون هنگامی که تنها بارها را در ذرات زیر اتمی جا به جا کنیم یا جهت گیری چپ – راست را وارون نماییم، معادله‌های نیوتن و اینشتین دست نخورده می‌مانند. بنابراین جهان‌های C- وارون یا p- وارون در اصل امکان پذیرند.
برنده نوبل ریچارد فاینمن پرسشی جالب درباره این جهان‌ها پیش کشید. فرض کنید روزی تماسی رادیویی با فضایی‌ها در سیاره ای دور دست بر قرار می‌کنیم ولی نمی‌توانیم آنها را ببینیم. او می‌پرسد آیا می‌توانیم با رادیو تفاوت چپ و راست را بگوییم؟ اگر قوانین فیزیک، جهان p- وارون را مجاز بدارند، آنگاه بیان این مفاهیم باید امکان ناپذیر باشد. او استدالال کرد که گفتن بعضی چیزها آسان است، مثلا بدن ما یا تعداد انگشتانمان، دست‌ها و پاها. ما حتی به فضاییان درباره‌ی قوانین شیمی و زیست‌شناسی هم توضیح بدهیم، اما اگر بخواهیم برای آنها مفهوم چپ و راست (یا ساعت‌گرد و پادساعت‌گرد) را تشریح کنیم، راه به جایی نخواهیم برد. ما هیچگاه نمی‌توانیم برای آنان قرار داشتن قلبمان در سمت چپ بدن، جهت چرخش زمین، یا نحوه ی پیچ خوردگی مولکول DNA را توضیح دهیم.

منابع:
http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature21040.html
http://www.antimatteronline.com/
https://home.cern/topics/antimatter






محتوای بیشتر در این بخش: « آسمان رواقیون آسمان ارسطو »