فهرست مندرجاتپاد ماده و پاد گیتی‌ها
(قسمت اول و دوم)
[قبل] [بعد]
اولین‌بار دیراک مدعی شد که برای هر ذره مادی، پاد ذره‌ای به‌همان جرم ولی با بار مخالف وجود دارد. از پیوند این پاد ذره‌ها، پاد اتم پدید می‌آید و پاد اتم‌ها می‌توانند پاد ماده‌هایی متناظر با اجسام دنیای مادی بسازند. یعنی مثلاً امکان وجود پاد ستاره‌ها، پاد کهکشان‌ها و حتی پاد گیتی‌ها وجود دارد. در قسمت اول با تاریخچه پاد ماده و با گمانه زنی‌ها در مورد پاد گیتی‌ها آشنا می‌شوید، و در قسمت دوم، ادامه ماجرای فاینمن، پاد گرانش و پاد گیتی‌ها تقدیم‌تان می‌گردد.
[↑] قسمت اول
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 پاد ماده وجود دارد، آیا پاد جهان هم وجود دارد؟
البته وجود چنین جهانی به‌طور عام پذیرفته نیست. اما، جهان ذرات زیراتمی (الکترون، پروتون، نوترون، ...) چنین همتایی دارند و هر یک از این ذرات برای خود همتایی در آن جهان دارند که به اصطلاح پاد ذره آن ذرات نامیده می‌شوند.
[↑] بنیان‌گذار پاد ماده
قبل از تعریف معیار برای پاد ماده، نخستین‌بار «پل دیراک»، فیزیکدان معروف در سال 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 به‌نام پاد الکترون هم وجود داشته باشند، که نام آن را پوزیترون نهاده بود. وی معادله برای پاسخ چگونگی پاد ماده نوشت، به بیان دیگر پاد ماده به این دلیل وجود دارد که معادلۀ دیراک دو جواب داشت، یکی برای ماده و یکی برای پاد ماده. معادله وی نه تنها وجود پاد ماده را پیش‌بینی می‌کرد، بلکه «اسپین»[۱] الکترون را هم پیش‌بینی می‌نمود و از این نظر جالب است که ذرات زیر اتمی می‌توانند مانند فرفره اسپین داشته باشند.
این گفته تحقق یافت و فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در سال ۱۹۳۲ پاد الکترون و یا پوزیترون را کشف کرد و دیراک به‌همین خاطر در سال ۱۹۳۳ جایزۀ نوبل را برد. پس از اکتشاف دیراک و اندرسون، این نظریه عمومی‌تر شد و نه تنها الکترون بلکه همه‌ی ذرات را نیز در بر گرفت. هر ذره یک دو قلو با جرم، اسپین، مقدار بار الکتریکی و خواص دیگر یکسان دارد، با این تفاوت که علامت بسیاری از این خواص معکوس و یک پاد به آن اضافه می‌شود. در اکتبر ۱۹۵۵، «اییلو گسلر»، فیزیکدان اهل ایتالیا توانست در شتاب‌دهنده بیوترون در آزمایشگاهی در کالیفورنیا پاد پروتون و یک سال بعد پاد نوترون را آشکار کند.
[↑] مکانیزم پاد ماده
اما دانشمندان پا را فراتر گذاشته و در پی ساخت پاد اتم و پاد مولکول برآمدند. مکانیزم این‌که اصلاً پاد ذرات چیستند، چه خواصی دارند و در قیاس با همتای ماده‌ای خود چگونه رفتار می‌کنند، مدتی فیزیکدان را به‌خود مشغول کرد! ابتدا این تصور وجود داشت که پاد ماده در واقع تصویری از ماده در آینه است. این بدان مناست که پاد ذرات، 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 به‌صورت پرتوهای گاما ظاهر می‌شود، در می‌آیند. البته اگر این انرژی به‌اندازه 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 اینشتن یعنی E= mc2 است.
پاد ذرات از برخورد شدید ذرات دیگر در شتاب‌دهنده‌ها به‌وجود می‌آیند. این ذرات در خارج از آزمایش‌های فیزیک جایی ندارد، هنگامی که ماده و پاد ماده را در شتاب‌دهنده به‌هم برخورد می‌دهند با فوران انرژی ناپدید می‌شود، به این فرایند نابودی گفته می‌شود که باعث ار بین رفتن هر دو ذره می‌شود و جای آن‌ها را فوتون‌های بسیار پر انرژی الکترومغناطیسی می‌گیرند.
در توضیح این‌که چرا ما بیشتر ماده را می‌بینیم تا پاد ماده، در تاریخ کیهان آمده است. در مرحله دوم از هشت مرحله یا مقطع تاریخ کیهان آمده است که اولین سنگ‌بناهای ماده (مثلاً کوارک و الکترون و پاد ذرات آن‌ها) از برخورد پرتوها، با یکدیگر به‌وجود می‌آیند. قسمتی از این سنگ‌بناها دوباره با یکدیگر برخورد می‌کنند و به‌صورت تشعشع فرو می‌پاشند. در لحظه‌های اولیه کیهان، ذرات فوق سنگین نیز می‌توانستند به‌وجود آمده باشند. این ذرات دارای این ویژگی هستند که هنگام فروپاشی، ماده بیشتری نسبت پاد ماده (مثلاً کوارک‌های بیشتری نسبت به آنتی کوارک‌ها) ایجاد کنند. ذراتی که فقط در میان اولین اجزای بسیار کوچک ثانیه‌ها وجود داشتند، برای ما میراث مهمی به‌جا گذاردند که عبارت از فزونی ماده در برابر پاد ماده بود.
[↑] پاد ماده و پاد گیتی‌ها
حال به پرسش نخست باز می‌گردیم، آیا پاد گیتی‌های وارونی می‌توانند وجود داشته باشند؟ در صورت وجود، قوانین آن‌ها چگونه است؟ قوانین پاد شیمی این جهان‌ها همانند قوانین شیمی است. غیر از بارهای وارون، مردمانی که در چنین جهانی به‌سر می‌برند هرگز نمی‌فهمند که از پاد ماده ساخته شده‌اند. فیزیکدان‌ها این را وارون یا C- وارون می‌نامند، زیرا در این پاد 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 جابه‌جا کنیم یا جهت‌گیری چپ – راست را وارون نماییم، معادله‌های نیوتن و اینشتین دست نخورده می‌مانند. بنابراین جهان‌های C- وارون یا p- وارون در اصل امکان‌پذیرند.
برنده نوبل ریچارد فاینمن پرسشی جالب درباره این جهان‌ها پیش کشید. فرض کنید روزی تماسی رادیویی با فضایی‌ها در سیاره‌ای 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 امکان‌ناپذیر باشد. او استدالال کرد که گفتن بعضی چیزها آسان است، مثلاً 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 پاد ساعتگرد) را تشریح کنیم، راه به‌جایی نخواهیم برد. ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم برای آنان قرار داشتن قلب‌مان در سمت چپ بدن، جهت چرخش زمین، یا نحوه‌ی پیچ‌خوردگی مولکول DNA را توضیح دهیم.
[↑] قسمت دوم
به‌نظر می‌رسد که طبیعت تعداد ذرات زیراتمی در گیتی را بدون دلیل خوبی دو برابر کرده است. معمولاً طبیعت کاملاً صرفه‌جو است، اما اکنون که از پاد ماده آگاهیم، طبیعت واقعا اسراف کار به‌نظر می‌رسد. باز هم این پرسش را تکرار می‌کنیم که آیا واقعاً پاد گیتی و پاد گرانش هم می‌توانند وجود داشته باشد؟
[↑] پاد گرانش و پاد گیتی‌ها
پاد ذره‌ها دارای بار مخالف با ماده‌ی معمولی‌اند. ولی ذراتی که هیچ باری ندارند (مانند فوتون، ذره‌ی نور یا گراویتون، که ذره‌ی گرانش است) نیز می‌توانند پاد ذره‌ی خود را داشته باشند. می‌بینیم که گرانش پاد ماده‌ی خودش را دارد؛ به بیان دیگر گرانش و پاد گرانش یک چیزند. بنایراین پاد ماده تحت گرانش باید پایین بیفتند، نه این که بالا بروند. (البته هیچ وقت در آزمایشگاه دیده نشده است).
نظریه دیراک به پرسش‌هایی ژرف نیز پاسخ می‌دهد: چرا طبیعت پاد ماده را مجاز می‌شمارد؟ آیا به‌معنی وجود پاد گیتی‌هاست؟ پس از پرسش‌های ریچارد فاینمن مبنی بر این‌که، فرض کنید روزی تماسی رادیویی با فضایی‌ها در سیاره‌ای دور دست بر قرار می‌کنیم ولی نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم. آیا می‌توانیم با رادیو تفاوت چپ و راست را بگوییم؟ اگر قوانین فیزیک، جهان p- وارون را مجاز بدارند، آن‌گاه بیان این مفاهیم باید امکان‌ناپذیر باشد. اما وقتی دو دانشمند به‌نام‌های سی. ان یانگ و تی. لی.، از دانشگاه کلمبیا، این قضیه پر و بال گرفته را رد کردند شوکی به دنیای فیزیک وارد شد. آنان با بررسی ماهیت ذرات زیراتمی نشان دادند که گیتی آینه‌ای p- وارون نمی‌تواند وجود داشته باشد. برای این نتیجه‌ی زیر و رو کننده که «سرنگونی پاریته[٢]» خوانده می‌شود، یانگ و لی برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۱۹۵۸ شدند. برای فاینمن این نتیجه‌گیری بدین معنا بود که اگر داریم با رادیو با فضاییان حرف می‌زنیم، می‌توان آزمایشی ترتیب داد که فقط از طریق آن ما را قادر می‌سازد که تفاوت گیتی‌ها چپ گرد و راست گرد را توضیح دهیم.
سپس فاینمن نشستی تاریخی را که سرانجام بین فضاییان و انسان‌ها برقرار می‌شود را تصور کرد. ما در نخستین برخورد به فضاییان می‌گوییم، دست راست خود را دراز کنید و بعد با آن‌ها دست می‌دهیم. اگر فضاییان واقعاً دست راست خود را دراز کردند، آن‌گاه می‌فهمیم که در انتقال «چپ- راست» و «ساعت گرد- پاد ساعت گرد» به آن‌ها موفق بوده‌ایم. ولی فاینمن بعداً پرسش نگران کننده‌ای را مطرح کرد. اگر فضاییان دست چپ خود را دراز کردند چه؟ این یعنی که ما اشتباهی مرگبار انجام داده‌ایم، یعنی که نتوانستیم مفهوم چپ و راست را منتقل کنیم. بدتر از همه این‌که فضاییان عملاً از پاد ماده ساخته شده‌اند و تمام آزمایشات را وارون انجام داده‌اند و در نتیجه چپ و راست را قاطی کرده‌اند. این یعنی که وقتی با آن‌ها دست دهیم، منفجر خواهیم شد!
تا دهه ۱۹۶۰ فهم ما بر این منوال بود. گفتن تفاوت بین گیتی ما و گیتی که در آن همه چیز از پاد ماده ساخته شده و پاریته – وارون است، امکان‌ناپذیر بود. اگر هر دوی پاریته و بار را وارون می‌کردیم، گیتی حاصل از قوانین فیزیک پیروی می‌کرد. پاریته به‌خودی خود سرنگون شده بود، ولی بار و پاریته کماکان تقارن خوبی از گیتی به‌شمار می‌رفت، بنابراین گیتی وارون کماکان ممکن است. این بدان معناست که اگر ماتلفنی با فضاییان صحبت مر کردیم نمی‌توانستیم به آنان درباره‌ی تفاوت بین گیتی معمولی و گیتی‌ای که در آن هم پاریته و هم بار وارون بود (یعنی چپ و راست جابه‌جا شده‌اند و تمام ماده به پاد ماده تبدیل شده است) چیزی بگوییم.
سپس در سال ۱۹۶۴ شوک دوم به فیزیکدان‌ها وارد شد: گیتی منفی وارون نمی‌توانست وجود داشته باشد. با تجزیه و تحلیل خواص ذرات زیراتمی، اگر با رادیو با این گیتی وارون صحبت کنیم، کماکان می‌توانیم به بیان تفاوت چپ – راست، ساعتگرد- پاد ساعتگرد بپردازیم. برای این نتیجه، جیمز کرونین و وال فیچ جایزه‌ی نوبل ۱۹۸۰ را بردند. در نهایت آیا پاد گیتی‌های وارون امکان پذیرند؟ پاسخ آری است. حتی اگر پاد گیتی‌های وارون امکان‌پذیر نباشند، پاد گیتی کماکان امکان‌پذیر است، ولی چیزی عجیب و غریب خواهد بود. اگر ما بارها، پاریته و روند زمان را وارون کنیم، آن‌گاه گیتی حاصل از تمام قوانین فیزیک پیروی خواهد کرد.
نویسندگان داستان علمی، تخیلی بر این باورند که در آینده 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 خواهد برد. سرعت این چنین فضاپیمایی در مقایسه با سرعت شاتل‌های فضاهای کنونی هم، چون سرعت یک یوزپلنگ در مقابل لاک‌پشت است. این فضاپیما می‌تواند سفر یازده ماهه جستجوگر سیاره مریخ را یک ماهه به انجام رساند. دیگر توانایی پاد ماده در ایجاد سرعت‌های بسیار بالا و نزدیک به سرعت نور است. اما این بار به‌جای 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 می‌آید.
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- همه ذرات داری ویژگی به‌نام اسپین هستند که مربوط می‌شود به این‌که ذره از جهت‌های مختلف به چه شکلی و شمایلی به‌نظر می‌رسد.
[٢]- پاریته یک خاصیت فیزیکی تابع موج یک ذره است. یک تعریف و قرارداد است. هر سه محور مختصات را نسبت به مبدا برعکس کنید. اگه تابع موج تحت این کار (یعنی منفی کردن هرچه x داریم و هرچه y داریم و هرچه z داریم) علامتش تغییر نکرد یعنی این‌که ککش هم نگزیده که همه چیز قرینه شده. پس پاریته‌اش ۱ است. اگر تابع در علامت منفی شد پاریته‌اش ۱- است. اگر حسابی شکلش به‌هم ریخت پاریته ندارد. پاریته یک جور معیار برای تقارن است. به پاریته‌ی ۱ پاریته‌ی زوج هم می‌گویند یعنی تابع موج زوج است. به پاریته‌ی ۱- پاریته‌ی فرد می‌گویند. یعنی تابع موج فرد است.
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ سام، پاد ماده و پاد گیتی‌ها (قسمت اول و قسمت دوم)، از: وب‌سایت علمی بیگ بنگ
