آیا ضد جاذبه و پاد ماده حقیقت دارند؟ [بخش اول]

ضد جاذبه و ضد ماده از بحث بر انگیزترین مسائلی هستند که سال ها است دانشمندان در تلاش برای بررسی رفتار آن ها هستند. قصد داریم بررسی کنیم که آیا این دو حقیقت دارند و تاکنون در موردشان چه می دانیم؟

یکی از شگفت انگیز ترین واقعیت ها در مورد علم نحوه عملکرد قوانین طبیعت است. هر ذره بدون توجه به اینکه در کجا باشد از قوانین یکسانی تبعیت می کند و نیروی وارده مشابه و قوانین بنیادی ثابتی  را تجربه می کند. هر ذره ای در عالم هستی بدون توجه به خصوصیات آن، می تواند جاذبه را تجربه کند. حداقل این گونه می توان گفت که در تئوری این گونه است.

در عمل اما اندازه گیری برخی از موارد بسیار مشکل است. فوتون ها و ذرات عادی و پایدار همان گونه که انتظار می رود در میدان گرانشی سقوط می کنند. به همین ترتیب است که کره زمین هم اجسام را به سرعت 9.8 متر بر مجذور ثانیه به سمت خود می کشد. اما با این وجود هنوز نتوانسته ایم شتاب جاذبه پاد ماده را محاسبه کنیم.

ضد ماده به زبان ساده

اگر با پاد ماده یا ضد ماده آشنایی ندارید باید گفت که ماده از ذره اما پاد ماده از ضد ذره تشکیل شده است. به عبارت دیگر پاد ماده هسته ای با بار منفی دارد و ذرات مداری آن بار مثبت دارند و از این حیث برعکس ماده است.

در ضد ماده همتای الکترون بار مثبت و همتای پروتون بار منفی دارد

در ماده هسته بار مثبت و الکترون های مداری بار منفی دارند. به نظر می رسد پاد ماده هم به طرز مشابهی در شتاب جاذبه گرفتار شود اما موضوع تا کنون پیچیده تر از این حرف ها بوده است و به طور مرموزی به محض اینکه شروع به اندازه گیری این مورد در پاد ماده می کنیم دیگر هیچ چیزی در موردش نمی دانیم!

پاد ماده برای اولین بار چه زمانی مطرح شد؟

پل دیراک را می توان پدر پاد ماده دانست. دیراک که در سال 1933 جایزه نوبل را دریافت کرده تئوری جدیدی را ارائه داده بود. تئوری او ترکیبی از مکانیک کوانتوم برای تشریح دنیای زیر اتمی با نسبیت خاص اینشتین بود که بر اساس آن هیچ چیزی نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند.

معادله دیراک توضیح می داد که چگونه ذرات ریز و بسیار سریع (از جمله الکترون ها با سرعت حرکت نزدیک به سرعت نور) رفتار می کنند. اما معادله ای که او مطرح کرده بود تنها برای الکترون ها با بار منفی صادق نبود. در واقع این معادله می توانست برای ذراتی با رفتار مشابه با الکترون ها ولی با بار مثبت هم مصداق داشته باشد. با این حال دیراک در ابتدا این موضوع را نادیده گرفته بود اما در نهایت دریافت که معادله خبر از کشف جدیدی می دهد: پاد ماده.

او ادعا کرد که به ازای هر ذره ماده یک ضد ماده با خصوصیاتی مشابه وجود دارد و البته انتظار داشت ضد ماده مورد بحث بار مثبتی داشته باشد. بر اساس گفته های او انتظار می رفت مشابه با ماده که دارای پروتون (با بار مثبت)، نوترون (با بار خنثی) و الکترون (با بار منفی) است، پاد ماده هم دارای ضد پروتون و ضد الکترون باشد تا پاد اتم را تشکیل دهد. پاد الکترون همان چیزی است که به نام پوزیتورن می شناسیم (حالا نیم نگاهی به شکل قبل داشته باشید).

دیراک معتقد بود به ازای هر ماده یک ضد ماده با خصوصیاتی مشابه وجود دارد

این یافته های او گمانه زنی هایی در این باره مطرح کرد که ممکن است جهانی کوچک از ضد ماده ها وجود داشته باشد. دیراک انسان عجیب و غریبی بود و به عنوان نمونه در یکی از سخنرانی های خود در مورد بسیاری از مسائل با «بله»، «خیر» و «تصور نمی کنم» پاسخ می داد. بعدها انعطاف پذیری بیشتری از خود نشان داد و هنگامی که یک متخصص فیزیک نجوم دیدگاه خود را تشریح کرده بود او پاسخ داده بود: «بله». البته در ادامه توضیح داده بود: «وقتی من می گویم بله، به این معنی نیست که با آن موافق هستم بلکه به این معنی است که باید همچنان [به کاوش] ادامه دهید».

به این ترتیب به نظر می رسید خود دیراک هم در برخی از موضوعاتی که مطرح می کرد اطمینان کافی نداشت البته باید حق را به او داد چرا که امروزه هم اطلاعات کاملی درباره پاد ماده نداریم.

ضد ماده در دنیای امروز ما چه کاربردی دارد؟

تاکنون آثاری از ضد ماده را از طریق تشعشعات کیهانی مشاهده کرده ایم و در واقع مقداری از آن به دلیل برخوردهای ذرات با انرژی بالا در سراسر جهان تولید شده است.

وقتی بیگ بنگ اتفاق افتاد مقدار مساوی از ماده و ضد ماده پدید آمد

در بیمارستان ها مولکول های رادیو اکتیو که ذرات ضد ماده را از خود منتشر می کنند برای تصویر برداری در روشی به نام «برش نگاری با گسیل پوزیترون» (PET) به کار می روند. در این روش پوزیترون ها به مغز تزریق می شوند و تشعشعات گاما که در اثر برخورد پوزیترون های ضد ماده با الکترون های ماده ایجاد می شوند را مورد بررسی قرار می دهند. الگوی نوری که در مغزهای آسیب دیده مشاهده می شود با آنچه در مغزهای معمول وجود دارد متفاوت است. به این ترتیب امکان شناسایی اختلالات عصبی فراهم می شود.

علاوه بر این محققانی در سراسر دنیا تلاش می کنند از پوزیترون ها برای بررسی شرایط غیر عادی در مواد مختلف از جمله فلزات، نیمه هادی ها، چیپس های سیب زمینی، بستنی و حتی قرص های آسپیرین بهره ببرند. به این ترتیب امکان تولید محصولات بهتر و یا محکم تری از جمله خودروها، آسمان خراش ها، پل ها، هواپیماها و ... با بررسی در ابعاد اتمی فراهم می شود.

علاوه بر این باید اشاره کرد که از نظر تئوری در زمانی که مه بانگ (بیگ بنگ) اتفاق افتاد میزان مساوی از ماده و پاد ماده تولید شد.

آیا می توان پاد ماده تولید کرد؟

نحوه استفاده از پوزیترون ها برای کاربردهای متنوع از جمله پزشکی را مطرح کردیم اما مشکلی که مدتها در تولید پاد ماده مطرح بوده، تولید آن به صورت پایدار و برای مدت نسبتاً طولانی بوده است.

در مرکز سرن آزمایش هایی در پی تولید ضد هیدروژن به میزانی که قابل استفاده باشد در حال انجام است. تا کنون محققان این آزمایشگاه موفق شده اند اتم های ضد ماده هیدروژن را تولید کنند و مهم تر اینکه این اتم ها برای مدت زمان 20 دقیقه پایدار باقی مانده اند.

با بخش دوم این مطلب همراه باشید تا بررسی کنیم که آیا ضد ماده هم می تواند مشابه با ماده در جاذبه سقوط کند یا رفتار عجیب دیگری از خود نشان می دهد؟