پاد ماده

ما انسانها و هر آنچه در اطراف ماست از موجودات زنده زمین و 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؟ البته وجود چنین جهانی پذیرفته نیست. با این حال جهان ذرات زیر اتمی (الکترون ، پروتون ، نوترون ، ...) چنین همتایی دارد و هر یک از این ذرات برای خود همتایی در آن جهان دارند که به اصطلاح پاد ذره آن ذرات مینامند.

پاد ماده (ضد ماده) ضدماده ما انسانها و هر آنچه در اطراف ماست از موجودات زنده زمین و 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؟ البته وجود چنین جهانی پذیرفته نیست. با این حال جهان ذرات زیر اتمی (الکترون ، پروتون ، نوترون ، ...) چنین همتایی دارد و هر یک از این ذرات برای خود همتایی در آن جهان دارند که به اصطلاح پاد ذره آن ذرات مینامند. تاریخچه دیراک فیزیکدان معروف در 1928 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 با شد. این گفته تحقق یافت و فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در 1932 ضد الکترون و یا پوزیترون را کشف کرد. پس از اکتشاف دیراک و اندرسون ، سرانجام در اکتبر 1955 اییلوگسلر ، فیزیکدان اهل ایتالیا توانست در شتابدهنده بیوترون در آزمایشگاهی در کالیفورنیا پاد پروتون و یک سال بعد 1956 پاد نوترون را آشکار کند. اما دانشمندان پارا فراتر گذاشته و در پی ساخت پاد اتم و پاد مولکول برآمدند. مکانیزم اینکه اصلا پاد ذرات چیستند ، چه خواصی دارند و در قیاس با همتای ماده‌ای خود چگونه رفتار میکنند، مدتی فیزیکدان را به خود مشغول کرد؟ ابتدا این تصور وجود داشت که پاد ماده در واقع تصویری از ماده در آینه است. این بدان مناست که پاذرات ، باید باری مخالف و هم اندازه و جرمی قرینه جرم تصویری خود در دنیای ماده داشته باشند. بحث بار الکتریکی کاملا پذیرفته شده بود. اما جرم منفی بسیار دشوار مینماید. ویژگی دیگر پاد ذرات ، ویژگی نابودی در صورت برخورد و تماس با پاد ماده خود است. در این انهدام مشترک هر دو نابود میشوند، و به مقدار قابل توجهی انرژی که بیشتر به صورت پرتوهای گاما ظاهر میشود، در میآیند. البته اگر این انرژی به اندازه کافی زیاد باشد، میتواند به جفت ماده و پاد ماده دیگری نیز تبدیل شود که این تصویر خوبی از تبدیل ماده و انرژی به یکدیگر و بیان فرمول معروف انیشتن است. پاد ذرات از برخورد شدید ذرات دیگر بوجود میآیند. این وظیفه به عهده شتابدهنده‌ها است. در توضیح اینکه چرا ما بیشتر ماده را میبینیم تا ضد ماده ، در تاریخ کیهان آمده است. در مرحله دوم از هشت مرحله یا مقطع تاریخ کیهان آمده است که اولین سنگ بناهای ماده (مثلا کوارک و الکترون و پاد ذرات آنها) از برخورد پرتوها ، با یکدیگر بوجود میآیند. قسمتی از این سنگ بناها دوباره با یکدیگر برخورد میکنند و به صورت تشعشع فرو میپاشند. در لحظه های بسیار بسیار اولیه ، ذرات فوق سنگین نیز میتوانسته‌اند بوجود آمده باشند. این ذرات دارای این ویژگی هستند که هنگام فروپاشی ، ماده بیشتری نسبت ضد ماده (مثلا کوارک‌های بیشتری نسبت به آنتی کوارکها) ایجاد کنند. ذراتی که فقط در میان اولین اجزای بسیار کوچک ثانیه‌ها وجود داشتند، برای ما میراث مهمی به جا گذاردند که عبارت از فزونی ماده در برابر ضد ماده بود. آزمایش ساده برای تصور جسم منفی ، ماهی باهوشی را تصور کنید که به سطح آب میآید و به قعر آن نمیرود. همچنین فرض کنید حباب‌هایی از داخل بطری که در کف اقیانوس قرار دارد به سمت بالا حرکت میکنند. ماهی باهوش با مشاهده حباب‌ها شدیدا علاقمند خواهند شد به آن جرمی منفی نسبت دهد. زیرا در خلاف جهت نیروی وارد از سوی جاذبه زمین حرکت میکنند. با این تصورات ، فیزیکدانان وجود چنین حالتی را برای پاد ماده غیر تحمل میدانند. آینده پاد ماده نویسندگان داستان غیر علمی ، تخیلی بر این باورند که میتوان با استفاده از ماده و پاد ماده ، فضاپیماهایی را به جلو راند. یک فضاپیمای مجهز به موتور ماده - پاد ماده در کسری از مدت زمان که امروزه یک فضاپیمای مجهز به موتور هیدروژن مایع لازم دارد تا به ستارگان همسایه خورشید برسد، ما را به آن سوی مرزهای منظومه شمسی (خورشیدی) خواهد برد. سرعت این چنین فضاپیمایی در مقایسه با سرعت شاتلهای فضاهای کنونی هم ، چون سرعت یک یوزپلنگ در مقابل لاک پشت است. این فضاپیما میتواند سفر یازده ماهه جستجوگر سیاره بهرام را یک ماهه به انجام رساند. دیگر توانایی پاد ماده در ایجاد سرعتهای بسیار بالا و نزدیک به سرعت نور است. اما این بار به جای سفر در کیهان ، سفر در زمان مورد نظر است. این تصور جدید از زمان ، به ما میآموزد که میتوان با سرعت گرفتن ، نقطه خاصی از فضا- زمان را کمتر منتظر گذاشت و این همان جایی است که پاد ماده به کمک ما میشتابد.

ضد ماده

ضدماده ها

فیزیکدانان در هر گوشه ای از دنیا، از ماشین هایی با تکنولوژی پیشرفته جهت تولید ذراتی که ضدماده نامیده می شوند، استفاده می کنند. فیزیکدانان بر این باور هستند که ضدماده در واقع تصویر آینه ای ماده است و تمام دنیای امروز ما فقط از ذرات مادی تشکیل شده است. همانگونه که شما و تصویرتان در آینه کاملا یکسان هستید فقط با این تفاوت که جای چپ و راست عوض شده اند، یک ذره و پادذره اش هم یکسان هستند به استثنای اینکه بار الکتریکی مخالف هم دارند.

این تحقیق، به احتمال زیاد هیچ چیز موجود را تغییر نخواهد داد و مسلما هیچ شباهتی با کرمچاله (Wormhole) ندارد. کرمچاله می تواند این امکان را برای شما فراهم کند که در یک لحظه از یک قسمت جهان به قسمت دیگر منتقل شوید. با این حال این تحقیق می تواند به دانشمندان کمک کند تا منشأ و ترکیب جهان را بشناسند. البته ذرات ضدماده کاربرد علمی هم پیدا کرده اند به عنوان مثال در تجهیزات پزشکی که برای تصویربرداری از مغز جهت نشان دادن فعالیت ذهنی به کار می رود، ضدذرات نقش مهمی دارند. تا به حال عده کمی از مردم که اغلب آنها را هم فیزیکدانان تشکیل می دهند، توانسته اند ضدماده را مشاهده کنند.

ما بیشتر با ماده آشنا تر هستیم. آب، هوا، تلویزیون، هر آنچه که می بینیم، لمس می کنیم، می خوریم، می نوشیم و هوایی که تنفس می کنیم، همه از ذرات کوچکی که اتم نامیده می شوند، ساخته شده اند. خود اتم ها هم از ذرات به مراتب کوچکتری به نام الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده اند. الکترون ها بار الکتریکی منفی و پروتون ها بار الکتریکی مثبت دارند و نوترون ها هیچ بار الکتریکی ندارند. یک اتم معمولی از تعداد مساوی الکترون و پروتون تشکیل شده است اما تعداد نوترون ها لزوما با آنها برابر نیست. تعداد پروتون های یک اتم مشخص می کند، که نوع اتم چیست به عنوان مثال اتم هیدروژن یک پروتون و یک الکترون دارد و نوترون ندارد.

هر نوع از ذره یک پادذره هم دارد. آنتی پروتون درست مانند یک پروتون است با این تفاوت که بار الکتریکی منفی دارد. یک پوزیترون آنتی الکترون از همه لحاظ مانند الکترون است به استثنای اینکه بار الکتریکی مثبت دارد. هر گاه که پروتون و آنتی پروتون به هم برسند یا هنگامی که الکترون و پوزیترون با هم برخورد کنند، همدیگر را نابود می کنند و این نابودی منجر به تولید انرژی می شود.

رالف لاندائو فیزیکدان در سرن سوئیس می گوید: هنگامی که درباره ضدماده با همکارانم صحبت می کنم آنها خیلی در این باره هیجان زده نمی شوند و معمولا می پرسند که ضدذره جدید کدام است و چگونه رفتار می کند. اما هنگامی که با افرادی غیر از فیزیکدانان صحبت می کنم آنها با چشمانی خیره از تعجب نگاه می کنند و انگار با مسائلی کاملا غیر عادی مواجه شده اند. در آزمایشگاه سرن، لاندائو عضو گروهی است که ATHENA نامیده می شود. این گروه فیزیکدانان برای اولین بار موفق شدند پوزیترون و آنتی پروتون را به هم اتصال دهند. نتیجه این اتصال تولید اتم آنتی هیدروژن بود که همانا ساده ترین آنتی اتم است. اصول نظری ساخت ضد ماده بسیار ساده است اما در عمل تجهیزات لازم، بسیار پیشرفته و البته گران هستند. دانشمندان در سرن از یک نوع ماشین مخصوص، برای تولید ضد ماده استفاده می کنند. معمولا هنگامی که این پاد ذره ها ایجاد می شوند، انرژی زیادی دارند.

به همین خاطر در داخل ماشین، آنها را در تونل هایی دایره ای به حرکت درمی آورند. در بدو حرکت این پادذره ها در هر ثانیه یک میلیون دور در تونل حرکت می کنند اما با کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی سرعت آنها را کاهش می دهند و هنگامی که ضد ذره ها از حرکت باز ایستادند آنها را حفظ می کنند تا با ضدذره های دیگر ترکیب کنند و آنتی اتم به دست آورند. تا به حال آنتی هیدروژن اولین آنتی اتمی است که توسط انسان خلق شده است. تکه های ضد ماده ساخته شده توسط انسان می تواند پنجره ای رو به سوی لحظه های آغازین زمان باشد. لاندائو می گوید: یکی از بزرگ ترین اسرار جهان این است که هنوز مکانی که شامل ضد ماده باشد پیدا نشده است البته شاید شما هرگز درباره این موضوع شبی را با بی خوابی سپری نکرده باشید اما فیزیکدانان با این قضیه درگیر هستند. یک دلیل را برای لزوم اندیشیدن درباره ضد ماده بیان می کنیم.

بسیاری از فیزیکدانان بر این باور هستند که اگر جهان از انفجار بزرگ که Big Bang نامیده می شود، به وجود آمده است باید مقدار ماده و ضد ماده در جهان به یک اندازه تولید شده باشد. اما می دانیم که هر گاه ماده و ضد ماده با هم برخورد کنند همدیگر را خنثی می کنند و هر دو نابود می شوند. بنابراین می بایست طی اولین چند میلی ثانیه عمر جهان، پس از انفجار بزرگ این دو نوع ذره به هم می رسیدند و همدیگر را نابود می کردند. اما چنین نشده است شاید به این خاطر که در آغاز پیدایش جهان مقدار ماده اندکی بیشتر از ضدماده بوده است. لذا موقع برخورد این دو نوع ذره، تمام ضدماده نابود شده است و ماده باقی مانده، تمام جهان امروز را تشکیل داده است.

دانشمندان می خواهند دریابند که چه چیز باعث عدم تعادل ماده و ضدماده در ابتدای پیدایش جهان شده است. برای این منظور آنها آنتی اتم ها را مورد بررسی قرار می دهند و با اتم ها مقایسه می کنند و در جست وجوی تفاوتی ولو کوچک میان آنها هستند. این سئوالات بسیار مهم هستند زیرا اگر هیچ عدم تعادلی میان ماده و ضدماده نبود، ما در حال حاضر وجود نداشتیم. روند پروژه کند است البته به خاطر نارسایی تکنولوژی موجود. محققان ATHENA می توانند در هر ثانیه 100 اتم آنتی هیدروژن بسازند. با این سرعت، ساخت یک گرم آنتی هیدروژن چندین میلیارد سال به طول می انجامد و این زمان بیشتر از عمر جهان است. از طرفی دیگر ذخیره ضدماده نیز بسیار دشوار است زیرا به محض آنکه ضدماده با ماده تماس پیدا کند نابود می شود.

محققان در این اندیشه هستند که چگونه آنتی اتم های بیشتری بسازند، آنها را به دام بیندازند و برای مدت طولانی نگه دارند. البته این احتمال هم وجود دارد که مقادیر بزرگی از ضدماده در مکان هایی دور دست در فضای بیرون به شکل ضدستاره یا ضدکهکشان وجود داشته باشد. اما کاوش های طولانی هنوز چیزی را نشان نداده است. اما لاندائو هنوز امید خود را در این باره از دست نداده است. این امکان هم وجود دارد که جهان های دیگری وجود داشته باشند که ما قادر به دیدن آنها نباشیم و در آنجا برتری با ضدماده باشد. اما اینکه چرا حداقل یک مورد شبیه آن جهان در این بخش از جهان ما وجود ندارد هنوز یک راز است.

آونگ فوکو

آونگ فوکو دارای گلوله‌ای است که از ریسمانی آویزان شده و طوری قرار داده شده است که بتواند آزادانه در هر صفحه قائمی نوسان کند. آونگ در صفحه مشخصی شروع به نوسان می‌کند و مشاهده می‌شود که پس از چندین ساعت صفحه نوسان به تدریج حول محور قائم حرکت تقدیمی انجام می‌دهد. گلوله باید بسیار وزین و ریسمان بسیار طویل و نقطه آویز تقریبا بدون ‌اصطکاک باشد تا آونگ بتواند آزادانه به مدت طولانی به نوسان خود ادامه بدهد

آونگ‏های فوکو برای نمایش به سقف‏های خیلی ‏بلند وگوی‏های فلزی بزرگی نیاز‏ دارند. اینگونه نمایش به ژان لئون فوکو در سال 1851 میلادی برمی‏گردد. او از یک گوی‏ سنگین به جرم 28 کیلوگرم که بوسیله‏ی یک سیم بلند به طول 67 متر از گنبد پانتئون پاریس آویخته شده‏ بود، استفاده کرد.امروزه آونگ فوکو با ارتفاع کمتری قابل ساخت می باشد که نمونه آن آونگ 3 متری گروه فیزیک دانشگاه اصفهان می باشد، که قرار است به عنوان وسیله‏ی آموزشی‏ای که پدیده‏ی چرخش زمین را به صورت تجربی و با دقت بالا نشان می‏دهد، در ورودی ساختمان دانشکده‏ی فیزیک دانشگاه اصفهان نصب شود.برای این کار سقف طبقه دوم گروه فیزیک سوراخ شده و از پیش آمدگی آن طبقه در سر در ورودی استفاده شده و آونگ نصب می شود. مدت زمان ساخت این آونگ 6 ماه بوده و هم اکنون در کارگاه فیزیک دانشگاه آزمونهای دقت کارکرد آونگ انجام میشود. این آونگ توسط 2 دانشجوی کارشناسی دانشگاه اصفهان، وحید طایفه ونفیسه معصوم زاده، در کارگاه گروه فیزیک ساخته و راه اندازی شد

کاربرد آونگ فوکو
در جهان ، جنبش و حرکت مطلق و محض وجود ندارد، چون حرکت فقط در مقایسه با بی‌حرکتی ، قابل توضیح و تشریح می‌تواند باشد. به عنوان مثال زمین در تناسب و در نسبت به چیزی که نمی‌چرخد، چرخش دارد. بنابراین ، باید بتوانیم اشیائی را پیدا کنیم که ثابت باشند و به نوعی بتوانیم از ثابت بودن آنها مطمئن باشیم، تا بتوانیم هر حرکت را در مقایسه با این اشیا بررسی کنیم. درست در همین جاست که آونگ فوکو به یاری ما می‌آید

کاربرد آونگ فوکو
در جهان ، جنبش و حرکت مطلق و محض وجود ندارد، چون حرکت فقط در مقایسه با بی‌حرکتی ، قابل توضیح و تشریح می‌تواند باشد. به عنوان مثال زمین در تناسب و در نسبت به چیزی که نمی‌چرخد، چرخش دارد. بنابراین ، باید بتوانیم اشیائی را پیدا کنیم که ثابت باشند و به نوعی بتوانیم از ثابت بودن آنها مطمئن باشیم، تا بتوانیم هر حرکت را در مقایسه با این اشیا بررسی کنیم. درست در همین جاست که آونگ فوکو به یاری ما می‌آید

از آنجا که این آونگ بعد از آویخته شدن ، سطح ارتعاش ثابتی دارد، کافی است که آن را در جهت یک کره آسمانی که می‌خواهیم سکون و بی حرکتی آن را آزمایش کنیم، میزان کنیم. اگر کره آسمانی مورد آزمایش بی‌حرکتی باشد، همیشه در سطح ارتعاش آونگ باقی خواهد ماند، در غیر اینصورت ، یعنی در صورتی که حرکتی داشته باشد، انحرافی اندک بسوی خارج از سطح ارتعاش آونگ در آن ملاحظه خواهد شد

گستره کاربردی آونگ فوکو
اگر چنانچه سطح ارتعاش آونگ فوکو را بسوی خورشید نشانه رویم، زحمت بیهوده‌ای است. چون خورشید بعد از یک ماه از این سطح خارج خواهد بود. نزدیکترین ستاره‌ها که در شعاعی حدود چند سال نوری با ما قرار گرفته‌اند، زمان بیشتری را در آونگ فوکو خواهند گذراند. لیکن آنها نیز پس از چند سال از آن خارج خواهند شد. کهکشان آندرومدا که در 2.3 میلیون سال نوری ما قرار گرفته است، زمان درازی را در سطح ارتعاش می‌ماند، لیکن سرانجام او نیز آن را ترک می‌کند. اگر پاندول خود را بسوی یک انبوه کهشکانی که در چند میلیارد سال نوری ما واقع است و فقط در بزرگترین تلسکوپها قابل روءیت است، نشانه برویم، فقط در این مورد است که دیگر انحراف از سطح پاندول دیده نمی‌شود

نتیجه آونگ فوکو
رفتار آونگ فوکو ما را وادار به این نتیجه گیری می‌کند که سوای آنچه از دیدگاه مکانیک کلاسیک مورد بحث قرار می‌گیرد، یک نوع تداخل عمل دیگر نیز وجود دارد. تداخل عمل اسرار آمیزی که در آن نه نیرو و نه مبادله انرژی وارد می‌شوند، بلکه با سراسر کائنات ارتباط دارد. به عبارت دیگر می‌توان گفت که آونگ فوکو به ما نشان داد که کائنات در مقیاس ماکروسکوپیکی با خود مرتبط و پیوسته است.

البته در مقیاس میکروسکوپی نیز کائنات غیر قابل تقسیم است و این امر بدیهی بر تجربه مشهوری که در سال 1920 توسط آلبرت انیشتین ، بوریس پورولسکی و ناتان روزن پیشنهاد شد، استوار است. دانشمندان مذکور با این پیشنهاد می‌خواستند نادرست بودن تعبیری را که مکانیک کوانتومی از واقعیت به مشابه یک احتمال می‌کند، نشان دهند

رقص کیهانی و آونگ فوکو
می‌دانیم که زمین به دور خورشید می‌چرخد (حرکت انتقالی زمین)، که آن نیز خود در اطراف مرکز راه شیری دور می‌زند و راه شیری بسوی مرکز گروه کهکشان محلی جذب می‌شود که آن هم خود بسوی مرکز غبار کهکشانی می‌رود. بنابراین می‌توان گفت که در حرکت گسترشی کائنات یک مجلس رقص کیهانی پرشکوه و حیرت انگیز برپاست. تب و تابهای این رقص است که اجرام آسمانی مورد آزمایش ما را بسوی بیرون سطح ارتعاش آونگ فوکو ، منحرف می‌کند. این انحراف زمانی پایان می‌یابد که اجسام آنقدر دور باشند که در این رقص کیهانی شرکت کنند