منوی اصلی

سبد خرید شما خالی است.

سرگذشت ماده

سرگذشت ماده

این مقاله توسط خانم کمند حسن‌نژاد تهیه شده است. کمند دانش‌آموز سال یازدهم ریاضی است و سال قبل هم مقاله‌ای در مورد سیاهچاله‌ها از او در سایت منتشر کردیم. ترتیب و نحوه بیان مطالب برعهده خودشان بوده است و از حضورشان در سایت ستاره‌شناس سپاسگزارم.

محمد همایونی
۲۷ مرداد ۱۴۰۰

سرگذشت ماده

چکیده تحقیق

درک جهان اطراف بدون دانستن اطلاعات در مورد ماده و پیدایش آن ممکن نیست، برای دانستن آن باید مثل همیشه به آغاز برگردیم، یعنی آغاز آفرینش، انگار تمام دانسته و ندانسته‌های‌مان از همان آغاز سرچشمه می‌گیرد از این رو این مقاله به پیدایش ماده پرداخته و از کوارک‌های ریز گرفته تا اتم‌ها و مولکول‌ها همه را بررسی خواهد کرد.
این مقاله را از چیز‌های ساده و قابل فهم شروع خواهیم کرد و سپس به قول معروف به عمق ماجرا می‌رویم و اسرار را کاوش خواهیم کرد.

پیش گفتار

بشر مثل همیشه یافته‌های بدست آمده‌اش را مدیون تعدادی ذهن زیبا است، منظور از این ذهن‌های زیبا فیزیکدانان ذرات و نظریه‌پردازان فیزیک کوانتومی و فیزیک ذرات بنیادی مانند: ماری‌گل‌من، ورنر‌ هایزنبرگ، جیمز  چادویک (کاشف نوترون)، ارنست رادرفورد (معروف به پدر فیزیک هسته‌ی)، پیتر هیگز و… هست. (در ادامه با بقیه فیزیکدانان نیز آشنا می‌شویم.)

و تاریخچه‌ای کوتاه نیز از این بزرگواران و کار‌های علمی‌شان بیان خواهیم کرد.

اهداف تحقیق

اهداف یک محقق چیزی جز آگاهی بیشتر از جهان اطراف و پرداختن به طبیعت جهان نمی‌تواند باشد، به هرحال هدف از این تحقیق آشنایی کامل با ماده، پادماده، حالت‌ها و ویژگی‌های ماده و … است. بهتر است بگوییم به جهان ذرات خوش آمدید.

بخش اول: ماده

فصل اول: پیدایش ماده

«هیچ چیز وجود ندارد به جز اتم‌ها و فضای خالی، هر چیز دیگری پندار آدمی است.»

دموکریت فیلسوف یونانی

همه چیز از مِهبانگ (Bigbang) شروع می‌شود. منظور از همه چیز زمان، فضا، انرژی و ماده است که همگی ۱۳٫۸ میلیارد سال قبل در حادثه مِهبانگ یا همان انفجار بزرگ به وجود آمدند. البته باید تاکید کرد که هیچ اطلاعاتی در مورد قبل از انفجار بزرگ وجود ندارد و تمام گفته‌ها تنها در حد فرضیه هستند چرا که به باور برخی از فیزیکدانان قبل از مهبانگ چیزی وجود نداشته. به عقیده برخی دیگر کیهان همیشه وجود داشته و هیچگاه به وجود نیامده است و این جهان چرخه‌ای است بی پایان یعنی بدون آغاز و بدون پایان که برای اولین بار توسط جوردانو برونو کشیش و فیلسوف ایتالیایی بیان شد. همچنین برخی فیزیکدانان بر این باورند که در دماهای به حد زیاد بالا که فقط بعد از انفجار بزرگ وجود داشته، چهار نیروی بنیادین (گرانش، الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف) با هم متحد بوده‌اند ولی سپس با سرد شدن کیهان این نیرو‌ها از هم جدا شده‌اند. (از: ماهیت کیهان اثر مارتین ریس)

منظور از انفجار بزرگ (مهبانگ) انفجاری بود که به طور همزمان و در سراسر فضا روی داد و همانطور که می‌دانیم در ثانیه‌های اول انفجار دما به حد باورنکردنی داغ بود. در چنین شرایطی الکترون و پوزیترون فراوان وجود داشتند (پوزیترون: ذره‌ای هم جرم الکترون ولی با بار مثبت که فقط در مواقع خاص به وجود می‌آید همانند انفجار ابرنواختری) و البته فراموش نشود که در آن هنگام نوترینو‌ها (نوترینوها  ذراتی بدون بار الکتریکی و بدون جرم هستند)  و فوتون‌ها (ذرات بنیادی فاقد جرم و بار الکتریکی) نیز وجود داشتند. از این‌ها گذشته، توصیف وقایع مهبانگ بسیار پیچیده و تخصصی است. پس از گذشت چند صدهزار سال از به وجود آمدن ذرات بنیادی، ابتدا هیدروژن و هلیوم به وجود آمدند و سپس در میلیون‌ها و میلیاردها سال بعدی، عناصر سنگین‌تر از آن‌ها به وجود آمدند تا جهان به شکل کنونی‌اش در آمد.

اتم‌ها و ذرات بنیادی

حال به طور جداگانه به اتم و عنصر می‌پردازیم. ابتدا از اتم‌ها شروع می‌کنیم؛اتم‌ها کوچکترین ذرات تشکیل دهنده ماده به شمار می‌آیند، البته تا قبل از کشف ذرات بنیادی این تعریف درست بود اما با گذشت زمان مشخص شد که کوچکتر از اتم هم امکان پذیر است. واژه اتم را برای اولین بار فیلسوف خندان یا همان دموکریت معروف یونان باستان ابداع کرد.

کلمه اتم از واژه یونانی اتوموس به معنای تقسیم ناپذیر گرفته شده است ولی با وجود اطلاعاتی که اکنون داریم می‌دانیم که خود اتم از نوترون و پروتون و الکترون تشکیل شده است که جزو اولین ذراتی بودند که پس از مهبانگ به وجود آمدند. اما اکنون قضیه را پیچیده‌تر توضیح خواهم داد چرا که داستان ما به نوترون و پروتون ختم نمی‌شود. منظور این است که خود نوترون و پروتون از ذراتی بنیادی به نام کوارک تشکیل شده‌اند (توجه داشته باشید که تاکنون ۶ مدل استاندارد کوارک کشف شده‌اند به نام‌های کوارک بالا، کوارک پایین، کوارک سر، کوارک ته، کوارک افسون و کوارک شگفت).

موری‌گل‌مان
موری‌گل‌مان

مدل کوارک و حتی نام آن را موری‌گل‌من فیزیکدان آمریکایی در سال ۱۹۶۴ ارائه داد. البته همزمان با او فیزیکدان دیگری به نام جورج زویگ نیز آن را ارائه داد؛ بعد‌ها موری‌گل‌من به خاطر تلاش‌هایش در زمینه کوارک در سال ۱۹۶۹ جایزه نوبل را دریافت کرد.

ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها اسپین دارند. اسپین (در یک معنای بسیار ابتدایی و غیردقیق) به معنای چرخش است و از خاصیت‌های بنیادی ذرات زیراتمی است که یک خاصیت کوانتومی به شمار می‌آید.  نزدیک‌ترین خاصیت کلاسیکی به اسپین، اندازه حرکت زاویه‌ای است  (از: ویکی پدیا). نوترون از سه کوارک تشکیل شده است (دو کوارک پایین و یک کوارک بالا) پروتون نیز از سه کوارک تشکیل شده است (دو کوارک بالا و یک کوارک پایین).

کوارک‌هاکوارک بالاکوارک پایینکوارک سرکوارک شگفتکوارک افسونکوارک ته
اسپین‌ها½+½+½+½+½+½+

تصویر زیر درون نوترون و پروتون و تعداد کوارک‌هایشان را با اسپین نشان می‌دهد.

کوارک‌ها در پروتون و نوترون

علم کوارک‌ها و دیگر ذرات بنیادی بسیار پیچیده و شگفت انگیز است و فیزیکدانان ذرات بنیادی و کوانتوم با مطالعه آنها ذرات دیگری کشف کرده و ویژگی‌های آن‌ها را نیز بررسی می‌کنند. به دلیل پیچیدگی این بحث آن را در اینجا متوقف کرده و هرگاه لازم شد دوباره به کوارک‌ها و ذرات بنیادی دیگر برمی‌گردیم. اکنون با تعریف عنصر آشنا خواهیم شد.

عناصر شیمیایی

عنصر در شیمی به ماده خالصی گفته می‌شود که فقط از یک اتم ساخته شده است. در طول تاریخ شیمی تلاش‌های زیادی شد تا عناصر را تقسیم‌بندی کنند از جمله آنتوان لاووازیه. او در سال ۱۷۸۹ فهرستی از ۳۳ عنصر شیمیایی را منتشر کرد و آنها را به فلزی، نافلزی و احتمالا گازی و خاکی دسته بندی کرد. همچنین شارل ژانت طبقه‌بندی‌ای برای عناصر انجام داد که هشت دوره و چهارده گروه داشت، طبقه‌بندی وی اشکالاتی داشت به طور مثال هلیم در جایگاه گاز نجیب قرار نداشت و… .

و اما همانطور که می‌دانید اصلی‌ترین طبقه‌بندی عناصر را دیمیتری ایوانویچ مندلیف شیمی‌دان روسی انجام داد. او ابتدا عناصر را بر اساس جرم اتمی تقسیم‌بندی کرد، پس از مشاهده اشکالاتی در آن عناصر را بر اساس عدد اتمی تقسیم‌بندی کرد. توجه داشته باشیم که همزمان با او لوتر مایر به صورت مستقل روی تقسیم‌بندی عناصر کار می‌کرد و بیست و هشت عنصر را توانست بر اساس والانس تقسیم‌بندی کند. همزمان با لوتر مایر و مندلیف، ویلیام اودلینگ نیز بر روی تقسیم‌بندی عناصر کار می‌کرد و اما در آخر تقسیم‌بندی مندلیف بر اساس عدد اتمی از همه کامل‌تر در آمد و به جدول مندلیف شهرت یافت که عناصر را در ۱۸ گروه و ۷ دوره تقسیم می‌کند.

حال که با پیدایش ماده، کوارک‌ها، اتم‌ها و عناصر آشنا شده‌اید بهتر است دوباره به ذرات بنیادی برگردیم اما این بار بیشتر و دقیق‌تر به آن می‌پردازیم.

فصل دوم: ذرات بنیادی

«یک برنامه منسجم در جهان وجود دارد، هر چند که نمیدانم آن برنامه برای چیست.»

فرد هویل ـ منجم انگلیسی

این فصل را با چند تعریف شروع می‌کنیم؛ اول به هادرون‌ها می‌پردازیم.‌

هادرون‌ها

هادرون‌ها ذرات ترکیبی هستند که از دو یا سه کوارک تشکیل شده اند یا به طور دقیق‌تر ذرات ساخته شده از کوارک‌ها را ‌هادرون می‌نامند. خود هادرون به دو دسته باریون‌ها و مزون‌ها تقسیم می‌شوند که پروتون و نوترون هر دو جزو باریون هستند. در واقع باریون‌ها از سه کوارک تشکیل می‌شوند ولی مزون‌ها از دو کوارک تشکیل می‌شوند. بهتر است بگوییم که مزون‌ها از یک کوارک و یک پادکوارک به وجود می‌آیند (در فصل بعد معنای پاد و پادکوارک توضیح داده خواهد شد).

موری‌گل‌من نام کوارک‌ها را از یکی از کتاب‌های جیمز جویس به نام بیدارخوابی فینیگان‌ها انتخاب کرده است. دلیل منحصر به فردی کوارک‌ها این است که بارشان ضریبی از بار یک الکترون است به جای آنکه ضریبی از عددی صحیح باشد. (از کتاب: مکانیک کوانتومی به زبان ساده نوشته جما لاوندر)

اینجا باید یک تذکر مهم بدهم:
که نام‌هایی مثل: ته، شگفت، پایین، و ویژگی‌هایی مثل مزه، رنگ و … که در مورد ذرات بنیادی عنوان می‌شوند، مفهوم‌هایی کوانتومی دارند که اصلا در زندگی معمولی ما و دنیای ماکروسکوپی نمونه معادلی ندارند. هر کدام نشان دهنده یک ویژگی کوانتومی ذرات بنیادین هست و چون معادل‌های معمولی در فیزیک عمومی نداشته‌اند، چنین نام‌هایی برای آن‌ها انتخاب شده است. پس هیچ موقع فکر نکنیم که ذرات بنیادین، مزه و رنگ دارند.

محمد همایونی

فیزیکدانان دهه ۱۹۷۰ ذرات بنیادی را همانند عناصر گروه‌بندی کردند که این مدل به مدل استاندارد شهرت دارد. در مدل استاندارد ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده است که این ذرات در دو دسته قرار می‌گیرند: لپتون‌ها و کوارک‌ها. در ادامه به لپتون‌ها نیز خواهیم پرداخت (توجه داشته باشید که لپتون‌ها نیز مانند کوارک‌ها ۶ عدد به نام‌های الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون ِ نوترینو، تاو، تاو ِ نوترینو تقسیم میشوند.) اکنون بهتر است دوباره بر روی کوارک‌ها متمرکز شویم.

کوارک‌ها

آیا به این فکر کرده‌اید که شاید نیرویی وجود داشته باشد که کوارک‌ها را در کنار هم قرار می‌دهد؟ خب اگر اینگونه فکر کرده‌اید تبریک می‌گویم. این نیرو همان هسته‌ای قوی است که توسط ذرات بنیادی دیگری به نام گلوئون انتقال داده می‌شود، گلوئون به معنای چسب است و مثل چسب نیز عمل می‌کند و کوارک‌ها را پیوند می‌دهد و اینگونه نوترون و پروتون به وجود می‌آیند.

سه کوارک ِ پایین، بالا و افسون در ساختار ماده نقش دارند درحالی که سه شکل آخری بسیار ناپایدارند و به نظر می‌رسد که در ساختار ماده نقشی نداشته باشند. علاوه بر این‌ها کوارک‌ها رنگ نیز دارند! بله آنها سه رنگ دارند چرا که بنابر کرومودینامیک کوانتومی کوارک‌ها ویژگی‌ای به نام بار رنگ دارند و این سه رنگ آبی، سبز و قرمز هستند و هر کدام پادرنگ نیز دارند که یعنی هر کدام پادقرمز، پادآبی و پادسبز دارند. (در فصل بعدی به پادپرداخته خواهد شد)

کوارک‌ها مثال واقعی یک خانواده هستند چرا که تاکنون هیچ کوارکی به طور جدا مشاهده نشده است و این قدرت نیروی هسته‌ای قوی را نشان می‌دهد. رنگ‌ها و پادرنگ‌های کوارک‌ها یکدیگر را می‌ربایند. (از: مکانیک کوانتومی به زبان ساده نوشته جما لاوندر)

لپتون‌ها

حال تعریفی از لپتون‌ها را بیان می‌کنیم و آن‌ها را نیز با دقت بررسی می‌کنیم. لپتون‌ها ذرات بنیادی با اسپین نیمه صحیح هستند که برهم‌کنش هسته‌ای قوی ندارند و از اصل طرد پاؤلی پیروی می‌کنند. (از: ویکی پدیا)

اما حالا منظور از اصل طرد پاؤلی چیست؟ اصل طرد پاؤلی در سال ۱۹۲۵ توسط فیزیکدان اتریشی  ولفگانگ پاؤلی ارائه شد و توضیح می‌دهد که چرا اتم‌های معمولی نمی‌توانند با هم در یک نقطه از فضا وجود داشته باشند. در واقع قوانین پاؤلی برای تمام الکترون‌ها و ذرات دیگری که اسپین کوانتومی آنها مضربی نیمه صحیح از اعداد صحیح است؛ شامل پروتون و نوترون به کار می‌رود. (از: نظریه‌های تاثیر گذار در علم فیزیک نوشته جوآن بیکر)

فرمی هایزنبرگ دیراک
فرمی ـ هایزنبرگ ـ پاؤلی

لپتون‌ها خود به دو بخش تقسیم می‌شوند: لپتون‌های خنثی و لپتون‌های دارای بار الکتریکی مانند الکترون. لپتون‌ها ویژگی‌های ذاتی مختلفی مانند بار الکتریکی، اسپین و جرم دارند. هرچند که لپتون‌ها برخلاف کوارک‌ها در معرض برهم‌کنش هسته‌ای قوی نیستند اما با سه نیروی بنیادی دیگر برهم‌کنش دارند یعنی با گرانش، الکترومغناطیس ( به جز نوترینو که بار الکتریکی ندارد ) و برهم‌کنش ضعیف.

به ازای هر مزه لپتون یک پادذره متناظر وجود دارد که با نام پادلپتون شناخته می‌شود و تنها تفاوت آن با لپتون متناظرش در علامت برخی از ویژگی‌های آن است. البته با وجود اینکه بر مبنای برخی نظریه‌ها نوترینو هم ممکن است پادنوترینوی متناظر داشته باشد اما در حال حاضر نمی‌دانیم این موضوع صحت دارد یا نه. (از: ویکی پدیا)

واژه لپتون برگرفته از لپتوس یونانی به معنای کوچک است که توسط فیزیکدان بلژیکی لئون روزنفلد انتخاب شد. همانطور که گفته شد الکترون هم نوعی لپتون است که توسط جی جی تامسون انگلیسی کشف شد. دومین الکترون کشف شده توسط ولفگانگ پاؤلی در سال ۱۹۳۰ بود که الکترون نوترینو نام گرفت. در سال ۱۹۳۶ نیز کارل دیوید اندرسون فیزیکدان آمریکایی میون را کشف کرد و در نهایت در سال ۱۹۶۲ لئون لدرمن آمریکایی به همراه ملوین شوارتز (آمریکایی) و جک اشتینبرگر آلمانی موفق به کشف این شدند که بیش از یک نوع  نوترینو وجود دارد.

اندرسون
کارل اندرسون

گراویتون

حال نوبت به آخرین قهرمانان ذرات بنیادی می‌رسد. اکنون می‌خواهیم به ذرات بنیادی تخیلی که از نظریه‌های فیزیکی سرچشمه گرفته‌اند بپردازیم. اول از همه گراویتون را بررسی خواهیم کرد. گراویتون یک ذره بنیادی فرضی از نوع بوزون پیمانه‌ای در گرانش کوانتومی است. بنابراین نظریه این ذره حامل نیروی گرانش است. در صورت وجود گراویتون این ذره خود پادذره  خود خواهد بود یعنی گراویتون و آنتی گراویتون یک ذره خواهند بود. (از: ویکی پدیا)

بوزون‌ها

حالا منظور از بوزون چه بود؟ بوزون‌ها ذره‌هایی با عدد اسپین درست هستند که به نام ساتیندرا بوز فیزیکدان هندی نام‌گذاری شده‌اند. در واقع همه ذرات بنیادی یا بوزون هستند یا فرمیون. فوتون و گلوئون و البته بوزون‌های  Z و W جزو بوزون‌های پیمانه‌ای هستند. همانطور که گفتیم گلوئون‌ها حامل انتقال نیروی هسته‌ای قوی هستند و باید این را اضافه کنیم که بوزون‌های W و Z حامل نیروی هسته‌ای ضعیف هستند.

همچنین گفتیم که تمام ذرات یا بوزون هستند یا فرمیون، دقت کنید که کوارک‌ها و لپتون‌ها جزو فرمیون‌ها هستند؛ به تصویر زیر دقت کنید.

جدول ذرات بنیادی در مدل استاندارد

اکنون که با دنیای ماده و ذرات به صورت کامل آشنا شدیم بهتر است این فصل را به پایان برسانیم و به پادماده، پادکوارک‌ها و.. بپردازیم.


بخش دوم : پادماده

فصل اول: مفهوم  و تاریخچه  پادماده 

«مخالف یک بیان صحیح، یک بیان غلط است.اما مخالف یک حقیقت عمیق ممکن است یک حقیقت عمیق دیگر باشد.»

نیلز بور فیزیکدان دانمارکی

پادماده

آیا پیدایش پادماده را باید مدیون پل دیراک باشیم؟ اول فصل را با این سوال جالب شروع کردیم، در واقع جواب ما به این سوال خیر است چرا که پادماده همیشه وجود داشته است یعنی از آغاز آفرینش و از همان نقطه‌ای که مهبانگ رخ داد. حتی بهتر است بگوییم که چند ثانیه پس از انفجار بزرگ سوپی از پوزیترون‌ها و الکترون‌ها وجود داشت. اما به چه دلیل پادماده را به دیراک ربط می‌دهند؟

هایزنبرگ و دیراک
هایزنبرگ و دیراک

پل دیراک در سال ۱۹۲۸ در تلاش برای خلق یک معادله برای الکترون بود و در این حین دریافت که امکان دارد الکترون انرژی منفی هم داشته باشد چون همانطور که میدانیم الکترون انرژی مثبت دارد، دیراک پیشنهاد کرد که باید چنین ذره‌ای وجود داشته باشد یعنی ذره‌ای که پادالکترون باشد و این مکمل ماده را پادماده نامید.

چهار سال بعد یعنی در سال ۱۹۳۲ کارل اندرسون وجود پادالکترون را در آزمایشی اثبات کرد و آن را پوزیترون نامید. بعد از حدود ۲۰ سال  یعنی در سال ۱۹۵۵ دانشمندان توانستند پادپروتون را نیز کشف کنند و بعد از آن هم مشخصا پادنوترون کشف شد. اما آیا تعریفی برای پادماده وجود دارد یا خیر؟

پادماده مانند ماده از ذراتی به نام پادذره تشکیل شده است که با ذرات معمولی فرق دارند. در ضدماده بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت است که معکوس ماده است (از: ویکی پدیا). پادذره‌ها دقیقا هم جرم ذره خود هستند با این تفاوت که بار الکتریکی آنها فرق می‌کند همانند پوزیترون که پادذره الکترون است و هم جرم آن اما بار الکتریکی آن مثبت است.

با قرار دادن یک ذره و یک پادذره آن کنار هم، آنها یکدیگر را نابود می‌کنند و به صورت یک درخش انرژی در می‌آیند که یک زوج فوتون پرانرژی به جای آن تولید می‌شود. اما پادماده بسیار نادر است؛ و برخورد دهنده بزرگ هادرون هم می‌تواند هر سال حداکثر یک میلیاردیم یک گرم پادماده تولید کند. (از: مکانیک کوانتومی به زبان ساده نوشته جما لاوندر)

همانطور که گفته شد برخورد پادماده و ماده موجب انفجار می‌شود، شاید هم به همین دلیل است که مقدار پادماده آنقدر کم است (هیچکس دلیل کمیابی آن را نمی‌داند) چون به احتمال زیاد اگر مقدار آنها یعنی ماده و پادماده برابر می‌بود کیهان نابود می‌شد و تنها ذره باقی مانده فوتون می‌بود زیرا از برخورد ماده و پادماده فوتون تولید می‌شود.

همانطور که گفته شد پوزیترون اولین پادذره‌ای بود که کشف شد، از این رو در مورد آن اطلاعات بیشتری وجود دارد. پوزیترون پادذره‌ای بسیار ناپایدار است و از دو روش برای تولید آن استفاده می‌کنند:

  1. از واکنش‌های هسته‌ای بنیادی
  2. از واپاشی یک فوتون

تصویر زیر حرکت پوزیترون را در اتاقک ابر ویلسون در سال ۱۹۳۲ که توسط کارل اندرسون انجام شد نشان می‌دهد. وی متوجه شد که یک ذره همانند الکترون اما در جهتی متناظر با بار مثبت منحرف می‌شود. (از: ویکی پدیا)

الکترون و پوزیترون در اتاقک ابر

در قسمت‌های قبل از برخورد دهنده بزرگ هادرون نام برده شد. اکنون کمی بیشتر در مورد آن بحث خواهیم کرد. این برخورد دهنده بزرگ هادرون در واقع یک شتاب دهنده ذرات واقع در سازمان سرن در نزدیکی ژنو سوئیس است و بهتر است بگوییم بیشتر اطلاعات خود را در مورد ذرات بنیادی و پادذرات مدیون این شتاب دهنده بزرگ هستیم.

شتاب دهنده چیست؟

شاید بسیاری از ما نام آن را شنیده باشیم ولی تعریف دقیق آن را ندانیم. به هر حال شتاب دهنده به دستگاهی گفته می‌شود که در آن ذرات باردار تا سرعت‌های زیادی شتاب داده می‌شوند. (این ذرات باردار را می‌توان همان ذرات بنیادی در نظر گرفت.) شتاب دهنده‌ها به دو دسته خطی و دایره‌ای تقسیم می‌شوند و خود شتاب دهنده‌های خطی نیز چند دسته هستند که پرکاربردترین آنها واندوگراف و پرکاربردترین شتاب دهنده‌های دایره‌ای سیکلوترون، بتاترون و… هستند.

فیزیکدانان بر روی کره زمین، پادماده را در شتاب دهنده‌های ذرات می‌سازند، مانند آنچه در سرن سوئیس یا در آزمایشگاه فرمی‌لب در نزدیکی شیکاگو صورت می‌گیرد. وقتی ذرات و پادذرات با هم برخورد کنند یک انرژی خالص ناگهانی تولید می‌شود و یکدیگر را از بین می‌برند ماده طبق معادله انیشتین به انرژی تبدیل می‌شود: E=MC2 . بنابراین اگر شما دوقلوی پادماده خود را ملاقات کنید؛ هرگز ایده خوبی نیست که او را در آغوش بگیرید. (از: نظریه‌های تاثیرگذار در فیزیک نوشته جوآن بیکر)

در مورد فرمول بالا توضیحات بیشتری می‌دهیم. این فرمول را آلبرت انیشتین فیزیکدان آلمانی در مقاله‌اش در سال ۱۹۰۵ بیان کرد. مفهوم این فرمول این است که انرژی ِ هم‌ارز با یک جرم مشخص از ماده برابر است با حاصل ضرب جرم در مجذور سرعت نور. E: نماد انرژی، M: جرم و C: سرعت نور است.

اولین پادهسته در سال ۱۹۶۵ تولید شد و سه دهه بعد یعنی در سال ۱۹۹۵ اتم‌های پادهیدروژن ساخته شدند. اما سوال این است که آیا واقعا ماده و پادماده امکان دارد روزی از بین بروند؟ در واقع باید گفت که ماده بسیار پایدار است و هنوز کسی ندیده است که پروتونی واپاشی کند، عمر پروتون‌ها میلیارد‌ها میلیارد سال است؛ یعنی خیلی بیشتر از طول عمر کنونی جهان پروتون‌ها عمر دارند.

همانطور که در فصل قبل گفته شد اکثر ذرات بنیادی پادذره دارند و حتی اشاره کردیم که کوارک‌ها علاوه بر رنگ، پادرنگ نیز دارند (پادقرمز، پادسبز و پادآبی)؛ اکنون سوال این است که پادماده و پادذرات چه کاربردی در زندگی ما دارند؟ ایده‌هایی درباره سلاح پادماده‌ای وجود دارد، توجه داشته باشید که هنوز چنین سلاحی ساخته نشده است به دلیل کمیابی پادذره و شاید هم کبود تکنولوژی ولی پادماده انرژی بسیار زیادی دارد و واقعا هم امکان دارد که روزی از آن برای ساخت سلاح‌های قوی استفاده شود.

علاوه بر این‌ها پادماده هزینه زیادی دارد به طوری که هزینه ساخت ده میلی‌گرم از آن ۲۵۰ میلیون دلار است. پس می‌شود نتیجه گرفت که پادماده اصلا صرفه اقتصادی ندارد هر چند که انرژی زیادی دارد اما باید در نظر گرفت که پادماده به محض برخورد با ماده نابود می‌شود و نگهداری آن هم در آزمایشگاه‌ها بسیار سخت است.

با توجه به وقوع مهبانگ باید به مقداری مساوی ماده و پادماده در جهان وجود داشته باشد و کمیاب بودن پادماده به‌راستی یک معمای حل نشده است. یکی از فرضیه‌های فیزیکدانان این است که از ابتدا مقدار ماده از پادماده بیشتر بوده است؛ اما دلیلش چه می‌تواند باشد؟ هنوز کسی جواب این سوال را نمی‌داند. پادماده سوال‌های زیادی را بی‌جواب گذاشته است و امیدوارم که به زودی جواب‌های آن پیدا شود.

  هیدروژن، عنصری معروف که همه می‌شناسیم نیز پادخودش را دارد که پادهیدروژن نام دارد. پادهیدروژن پادماده‌ای است که در مقابل هیدروژن قرار می‌گیرد. از آنجایی که اتم هیدروژن شامل یک پروتون و یک الکترون است؛ پادهیدروژن شامل پادپروتون و پوزیترون است. در سال ۱۹۹۵  آزمایش‌هایی برای تولید آن انجام شد اما پادهیدروژن به دلیل داغ بودن بسیار زودتر از آنکه بتوان روی آن آزمایشی انجام داد از بین می‌رفت. (از: ویکی پدیا)

 تصویر زیر تفاوت هیدروژن و پادهیدروژن را به خوبی نشان می‌دهد.

هیدروژن و پادهیدروژن

فصل دوم: انرژی تاریک و ماده تاریک

«تاریخچه نجوم، تاریخچه‌ای در مورد پسروی افق‌هاست»

ادوین‌هابل (اخترشناس آمریکایی)

جهان کنونی شامل ۸/۲۶ درصد ماده تاریک، ۳/۶۸درصد انرژی تاریک و ۹/۴ درصد ماده معمولی است. ما تا اینجا با مفهوم ماده آشنا شدیم اکنون با مفهوم انرژی تاریک و ماده تاریک آشنا خواهیم شد. هر چند که در مورد آنها اطلاعات زیادی در دسترس نیست اما به حدی وجود دارد که بتوان در مورد آن نوشت. داستان ما از ادوین هابل شروع می‌شود، وی دریافت که کهکشان‌های دوردست همه در حال دور شدن از ما هستند؛ و بر اساس قانون او که به قانون هابل شهرت دارد هر چقدر کهکشان‌ها از ما دورتر باشند با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند. او با این کشف توانست اثبات کند که جهان در حال انبساط است. اما این مطلب چه ارتباطی با انرژی تاریک دارد؟

انرژی تاریک

انرژی تاریک شکل ناشناخته‌ای از انرژی است که همه فضای گیتی را به صورت فرضی در بر می‌گیرد و سرعت انبساط جهان را می‌افزاید. طبق بررسی دانشمندان انرژی تاریک مقبول‌ترین فرضیه برای توضیح دادن مشاهدات اخیر است که می‌گویند جهان با آهنگ رو به افزایشی منبسط می‌شود. انرژی تاریک همگن در نظر گرفته می‌شود، خیلی چگال نیست و معلوم نیست با کدام نیرو‌های بنیادی به جز گرانش برهم‌کنش می‌کند. (از: ویکی پدیا)

ادوین هابل
ادوین هابل

بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهند که انبساط جهان هستی در دوره‌ای خاص در همان زمان‌های اولیه پس از مهبانگ شتاب عظیمی گرفته است. ابتدا دانشمندان فکر می‌کردند انبساط جهان هستی به تدریج کندتر می‌شود، اما در سال ۱۹۸۸ نتایج، برعکس آن را نشان داد و اینگونه بود که اخترشناسان این عامل شتاب دهنده را انرژی تاریک نامیدند. در منظومه شمسی نیز تقریبا ۶ تن انرژی تاریک درون شعاع مدار پلوتون یافت می‌شود.

ماده تاریک

اکنون نگاه کوتاهی به ماده تاریک می‌اندازیم و آن را بررسی خواهیم کرد.ماده تاریک نوعی از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسند ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است. ماده تاریک به طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست. مشخصا ماده تاریک نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی را جذب یا منتشر نمی‌کند. (از: ویکی پدیا)

برای اولین بار در سال ۱۹۳۰ کم‌کم ماده تاریک کشف شد و اولین بار فریتز زوئیکی ستاره‌شناس سوئیسی مشاهده کرد که خوشه‌های کهکشانی نزدیک کهکشان ما طوری رفتار می‌کنند که انگار جرمشان بیشتر از وزن همه ستاره‌هایی از کهکشانی است که در آن خوشه دیده می‌شوند. به قول  اخترفیزیکدان آمریکایی سال پرلموتر: جهان از ماده تاریک و انرژی تاریک ساخته شده است و ما نمی‌دانیم ماهیت هر یک از اینها چیست.

اگرچه اطلاعات زیادی در مورد انرژی تاریک و ماده تاریک وجود ندارد و هنوز هم منتظر کشف‌های جدید هستیم ولی نمی‌توان شگفت‌انگیز بودن انرژی تاریک و ماده تاریک را انکار کرد.

پایان.

تهیه و تدوین: کمند حسن‌نژاد

محمد همایونی
کارشناس و مدرس نجوم هستم و اعتقاد دارم که « یک ستاره شناس این جهان را مکانی زیباتر برای زندگی می‌بیند! » و جهت ترویج آن فعالیت می‌کنم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

ثبت‌نام در دوره آنلاین آموزش نجوم:کلیک کنید
+