آیا ضد جاذبه و پاد ماده حقیقت دارند؟ [بخش دوم – پایانی]

ضد ماده و ضد جاذبه از مسائلی بوده اند که برای دهه ها ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده اند. در بخش اول این مطلب ضد ماده را به زبانی ساده توضیح دادیم و تاریخچه آن به همراه برخی کاربردهای آن را مطرح کردیم. در این بخش بررسی می کنیم که آیا ضد ماده در جاذبه سقوط می کند و امکان تولید بمب های مبتنی بر آن وجود دارد؟

آیا ضد ماده در جاذبه سقوط می کند؟

جاذبه برای تمامی ماده ها به طور مشابه عمل می کند اما شرایط برای پاد ماده چطور است؟ اگر تصور کنیم که ضد ماده به گونه متفاوتی رفتار می کند آن گاه باید درک خود از بسیاری از مسائل فیزیک را متحول کنیم.

شاید درکش سخت باشد اما دو تفکر مختلف در مورد جرم مطرح است. از یک سو جرمی است که وقتی به آن نیرویی وارد می شود شتاب می گیرد. در این مورد باید به قانون دوم نیوتن (F = ma) اشاره کرد. بر این اساس شتاب جسمی به جرم m که نیروی F به آن وارد شود هم راستا و متناسب با نیروی وارد شده بر آن است. این شتاب با جرم جسم نسبت عکس دارد. این جرم مشابه با همانی است که در هم ارزی جرم و انرژی توسط اینشتین (E = mc²) مطرح شده است.

بر اساس فرمول ارائه شده توسط آلبرت اینشتین انرژی یک سیستم فیزیکی (E) برابر با حاصل ضرب جرم سیستم (m) در مجذور سرعت نور (c) است. به عبارتی این فرمول نشان می‌دهد که هر مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار بسیار زیادی از انرژی است. به شکل دیگر می توان گفت که چه مقدار انرژی نیاز است تا یک ذره (یا پاد ذره) تولید شود یا چه مقدار انرژی هنگام نابود شدن آن حاصل می شود.

اما علاوه بر این یک جرم دیگر هم تعریف می شود: جرم گرانشی. این جرم حاصل از مقدار نیرویی است که به جسم در یک میدان گرانشی وارد می شود. رابطه ای که در این باره تعریف شده است به این ترتیب است: W = mg. در این فرمول W نشان دهنده وزن است. m نمایانگر جرم و g شتاب جاذبه است.

برای ماده این دو جرم را می شناسیم اما برای ضد ماده تاکنون موفق به اندازه گیری جرم نشده ایم. تاکنون نیروی غیر جاذبه ای به ضد ماده وارد شده است و محققان شتاب گرفتن آن را مشاهده کرده اند. علاوه بر این همان طور که گفته شد امکان ایجاد پاد ماده و البته نابود کردن آن هم فراهم شده است. در نهایت باید گفت که هر دو معادله F = ma و E = mc² برای پاد ماده هم صدق می کند.

اما اگر بخواهیم رفتار گرانشی ضد ماده را درک کنیم. برای این منظور باید برخی اندازه گیری ها را انجام دهیم که خوشبختانه آزمایش آلفا در مرکز سرن همین موضوع را بررسی می کند. در پروژه آلفا تلاش می شود رفتار پاد ماده خنثی در میدان گرانشی اندازه گیری شود و احتمالاً با حسگرهای جاذبه مرکز آلفا روزی موفق به یافتن پاسخ سوالاتمان می شویم.

یکی از گام های مهم که تاکنون در این باره برداشته شده، علاوه بر تولید ذراتی از ضد ماده، ایجاد ترکیب هایی پایدار و البته خنثی از ضد ماده است. می توان پاد پروتون و پوزیترون (پاد الکترون) را تولید کرد، سرعت آنها را کاهش داد و مجبورشان کرد تا بر هم اثر بگذارند تا ضد هیدروژنی خنثی را ایجاد کنند. با استفاده از ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی می توان این پاد اتم ها را محدود کرد تا در شرایط پایدار باقی بمانند و به عبارتی از حالت ماده به دور باشند تا نابود نشوند.

به لطف آزمایش آلفا در مرکز سرن تا کنون موفق شده ایم برای مدتی در حدود 20 دقیقه ضد ماده پایدار را تولید کنیم و این ذرات بنیادی را برای مدتی طولانی (در مقایسه با کسری از ثانیه) زنده نگه داریم. محققان سپس این ذرات را در معرض فوتون ها قرار داده و دریافته اند که انتشار و جذبی که توسط آنها اتفاق می افتد مشابه با اتم ها است. به این ترتیب مشخص شد که ضد ماده همان طوری رفتار می کنند که فیزیک پیش بینی می کنند. با این حال یک استثنا در این بین وجود دارد که هنوز وضعیت رفنار پاد ماده در برابر آن روشن نیست: نیروی گرانش.

انتظار می رود آشکار ساز نیروی گرانش آلفا که توسط شرکتی کانادایی ساخته شده و سپس به مرکز سرن انتقال یافته بتواند به کار دانشمندان بیاید تا شتاب ضد ماده اندازه گیری شود.

آیا پاد ماده در حضور میدان گرانشی روی سطح زمین با شتاب 9.8 متر بر مجذور ثانیه به سمت زمین سقوط می کند، با شتاب منفی 9.8 متر بر مجذور ثانیه به بالا می رود یا در نهایت هیچ شتاب گرانشی بر آن اثر نمی گذارد؟ شاید هم مقدار دیگری از گرانش بر آن تأثیر بگذارد؟

از دید عملی و تئوری اگر به هر مقداری به جز میزان مثبت 9.8 متر بر مجذور ثانیه برسیم با یک پدیده انقلابی طرف خواهیم بود.

آیا امکان تولید بمب های پاد ماده وجود دارد؟

حتماً در فیلم های علمی تخیلی یا بازی ها بمب های ضد ماده (Anti Matter) را دیده اید. شاید روزی بشر موفق شود ضد ماده را تحت کنترل خود در آورد اما حداقل در آینده ای نزدیک تولید چنین تجهیزات مخربی چندان محتمل نیست و در حال حاضر ساخت چنین بمبی به علت فقدان فناوری و هزینه بالا ممکن نیست.

جمع بندی

انتظار داریم هر همتای پاد ماده ای برای یک ماده دارای خصوصیات زیر باشد:

• جرم مشابه
• شتاب مشابه در میدان گرانشی
• بار الکتریکی معکوس
• چرخش در جهت معکوس
• خصوصیات مغناطیسی مشابه
• باید بتوانند به طور مشابه به هم متصل شوند؛ مشابه با اتم ها یا مولکول ها و ساختارهای عادی
• باید طیف انتقال پوزیتورنِ مشابه در شرایط متنوع داشته باشد.

برخی از این موارد مدت ها است که اندازه گیری شده اند: جرم لَختی، بار الکتریکی، خصوصیات مغناطیسی و چرخشی. خصوصیات موقت و دائمی دیگر توسط آشکار سازهای دیگر پروژه آلفا اندازه گیری شده اند و با پیش بینی های فیزیک ذرات منطبق بوده اند. با این حال اگر شتاب گرانشی منفی باشد متعجب خواهیم شد.

چگونه می توان ضد جاذبه تولید کرد؟

برای اینکه حفاظی کامل و یکنواخت در مقابل نیروی گرانش ایجاد کنیم راهی نداریم. نمی توانیم میدان گرانشی یکسانی در منطقه ای از فضا تولید کنیم. اما دلیل این موضوع چیست؟ بگذارید در ابتدا مقایسه ای با میدان های الکتریکی انجام دهیم. در میدان های الکتریکی بارهای مثبت و منفی و به عبارتی 2 شارژ الکتریکی داریم اما در مورد جاذبه نیروی تنها یک نوع شارژ و در کنار آن جرم و انرژی را داریم.

البته اگر جرم گرانشی منفی داشته باشیم آنگاه همه اینها تغییر می کند. اگر فرض بر این باشد که ضد ماده دارای خاصیت ضد جاذبه است آنگاه جاذبه به آن به چشم یک چیز ساخته شده از ضد جرم یا با ضد انرژی نگاه می کند و آن را از خود می راند.

البته در تئوری می توان با برخورد دادن الکترونِ ماده و پوزیترونِ ضد ماده آنها را نابود کرد و انرژی بسیار بالایی را تولید کرد اما فعلاً و با قوانین فیزیک که تاکنون آنها را درک کرده ایم پاد جرم یا پاد انرژی وجود خارجی ندارد. در نهایت با اطلاعات فعلی می توان انتظار داشت که پاد ماده در هنگام رویارویی با جاذبه جرم طبیعی و انرژی عادی داشته باشد.

در نهایت پیش از اینکه شتاب گرانشی پاد ماده را اندازه گیری کنیم ابتدا باید خود را برای رفتارهای متفاوت با آنچه که از طبیعت انتظار داریم آماده کرده باشیم. روابط هم ارزی ممکن است برای ضد ماده صادق نباشد و به طور کامل برعکس باشد اما اگر این گونه باشد دنیای جدیدی از احتمالات به روی ما باز می شود و شاید بتوانیم محدودیت های بشر در تولید را کنار بزنیم. برای این منظور کافی است ضد اتم را در میدان گرانشی قرار دهیم و بررسی کنیم که چه رفتاری دارد و به کدام سوی جاذبه سقوط می کند. به نظر می رسد تا زمانی که موفق به این آزمایش شویم تنها چند سال فاصله داشته باشیم.