پاد ماده — از صفر تا صد

ما انسان‌ها و تمام دنیایی که می‌شناسیم، از لباس‌ها و لوازم زندگی و اشیاء پیرامون‌مان گرفته تا موجودات زنده، زمین، خورشید و دیگر ستارگان، همه از ماده ساخته شده‌ایم. اما آیا ممکن است دنیای دیگری هم وجود داشته باشد که همه چیز در آن، تصویر آینه‌ای جهان کنونی ما باشد؟ اگرچه چنین جهانی وجود ندارد (یا دستکم ما از آن بی‌اطلاع هستیم)، اما واقعیت این است که در ابعاد اتمی و مولکولی، واقعا چنین چیزی وجود دارد؛ موجوداتی که فیزیکدانان نام «پاد ماده» را برای آن‌ها انتخاب کرده‌اند.

مطالعه پاد ماده می‌تواند دلایل وجودی ما را توضیح دهد؛ اینکه چرا به جای عدم و نیستی، چیزی در این جهان وجود دارد. اگر دوست دارید با مفهوم پاد ماده، نحوه ساخت آن‌ها و توانایی‌ها و کاربردهای آن بیشتر آشنا شوید، با ما همراه باشید.

آغاز ماجرا

در آغاز قرن بیستم، دنیای فیزیک تحت تاثیر دو نظریه انقلابی قرار گرفته بود: نظریه نسبیت خاص که آلبرت اینشتین با قرار دادن سرعت نور در خلأ به عنوان حد بالای سرعت ماده، قوانین جدیدی را برای توصیف حرکت اجسام به دست آورده بود؛ و نظریه مکانیک کوانتومی که افراد زیادی (مانند پلانک، شرودینگر، هایزنبرگ، بوهر و حتی خود اینشتین) در شکل‌گیری آن نقش داشتند و به توصیف شرایط دنیای ریزمقیاس و زیراتمی می‌پرداخت.

فیلم آموزش مکانیک کوانتومی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

فیزیکدان انگلیسی، «پال دیراک» (Paul Dirac) موفق شد این دو نظریه را با هم ترکیب کند و معادله‌ای برای توصیف وضعیت اجسام ریز مقیاس در سرعت‌های بالا به دست آورد. این معادله می‌توانست رفتار الکترون‌هایی را که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کردند، به خوبی توصیف کند.

اما جالب اینجا بود که این معادله برای ذره‌ای کاملا شبیه به الکترون، اما با بار الکتریکی مثبت نیز سازگار بود. دیراک ابتدا تصور کرد این پاسخ ارزشی ندارد، اما پس از مدتی متوجه شد این پاسخ هم درست است و معادله او، وجود دسته کاملا جدیدی از ذرات را پیش‌بینی می‌کند.

دیراک نتیجه گرفت که هر ذره‌ای دارای پاد ذره‌ای کاملا مشابه ولی با بار الکتریکی مخالف است. سرانجام در سال 1932، «کارل اندرسون» (Carl David Anderson) توانست با بررسی رد ذرات بر جای مانده از پرتوهای کیهانی در اتاق ابر، وجود ذره‌ای هم‌جرم الکترون اما با بار الکتریکی مثبت را اثبات کند. این ذره که با پیش‌بینی دیراک مطابقت داشت، پوزیترون (پادالکترون) نام گرفت و باعث شد پاد ذرات و پاد ماده از دنیای نظری به دنیای واقعی قدم بگذارند.

چطور پاد ماده بسازیم؟

اگر از کنار یک توده پاد ماده عبور کنید، در مقایسه با ماده هیچ تفاوتی را در آن مشاهده نمی‌کنید. از بیرون، شما قادر نیستید ماده و پاد ماده را تشخیص دهید. حتی اگر به تک‌تک اتم‌ها هم نگاه کنید، ماده و پاد ماده غیرقابل تشخیص هستند. تنها درون اتم‌ها است که ویژگی مکمل هم بودن آن‌ها خود را نشان می‌دهد.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

اتم‌های ماده، یعنی همان چیزی که بدن من و شما و هر چیزی در اطراف ما از آن ساخته شده است، از الکترون‌هایی ساخته شده است که به دور یک هسته مرکزی در حال چرخش هستند. اتم ساده‌ترین عنصر، هیدروژن، از یک الکترون سبک‌وزن و یک هسته سنگین (در مقیاس اتمی) شامل یک پروتون ساخته شده است. الکترون حامل بار الکتریکی منفی است و پروتون به همان میزان بار الکتریکی، اما از نوع مثبت دارد. بر اساس قانون «بارهای ناهمنام یکدیگر را می‌ربایند» است که این اجزاء در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و اتم را شکل می‌دهند.

اما ذرات بنیادی در دنیای فیزیک، اصولا به دو صورت ذره و پاد ذره (Antiparticle) وجود دارند. پاد ذره‌ها جرم برابر با ذره متناظر خود دارند ولی بار الکتریکی آن‌ها متفاوت است. به عنوان مثال پوزیترون به عنوان پادذره الکترون، جرمش برابر جرم الکترون ولی بارش مثبت است. پاد ماده (Antimatter) از همین پاد ذره‌ها ساخته شده است. در پادذره بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت است که عکس (ضد) ماده است.

حال بیایید پاد ماده هیدروژن را بررسی کنیم. یک اتم پاد هیدروژن همین ساختار هیدروژن را دارد، اما در یک نکته متفاوت است: بارهای الکتریکی اجزای سازنده آن معکوس هستند. یک «پاد پروتون» سنگین، مرکزی و با بار منفی، به یک «پاد الکترون» (پوزیترون) دوردست، سبک و با بار مثبت چنگ می‌زند.

تا آنجایی‌که به قانون جذب بارهای الکتریکی مربوط می‌شود، هیچ چیز تغییر نکرده است: در هر دو حالت بارهای منفی و مثبت یکدیگر را جذب می‌کنند. بنابراین نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که اتم‌ها را می‌سازند تا مولکول‌ها و مواد را به وجود آورند، به صورت مشابه به پاداتم‌ها نیز اعمال می‌شوند تا پادمولکول‌ها و پاد ماده را به وجود آورند.

پاد ماده گمشده

قوانین فیزیک ایجاب می‌کنند انرژی مهبانگ که جهان امروز ما را شکل داده است، باید مقادیر یکسانی از ماده و پاد ماده را به وجود آورده باشد. به عبارت دیگر، وقوع هر واکنشی در جهان که باعث تولید یک ذره ماده می‌شود؛ به صورت هم‌زمان پادماده آن را نیز ایجاد می‌کند. بنابراین فقدان وجود پادماده در توده عالم امروزی یک معما به حساب می‌آید. یکی از مهم‌ترین چالش‌های فیزیکدانان حل این معماست که چرا در جهان، یک عدم تقارن بین ماده و پادماده وجود دارد.

یک موضوع به طور قطعی مشخص است: ماده و پاد ماده مخلوط نمی‌شوند. اگر ماده و پاد ماده را با یکدیگر ترکیب کنید، آن‌ها بی‌درنگ یکدیگر را از بین برده و به انرژی خالص تبدیل می‌شوند. این مساله برای ذرات منفرد هم صادق است.

وقتی ذره‌ای با پادذره دوقلوی خود مواجه می‌شود، هر دو به صورت تابشی از انرژی همچون پرتو گاما نابود می‌شوند. در دهه 1990، مشاهده نابودی الکترون‌ها و پوزیترون‌ها با استفاده از یک شتاب‌دهنده ذرات در آزمایشگاه سرن (CERN) انجام شد. دانشمندان با شتاب دادن آن‌ها تا سرعت نزدیک به سرعت نور در «برخورددهنده بزرگ الکترون-پوزیترون» یا به اختصار LEP آن‌ها را به یکدیگر کوبیدند. انرژی تولیدی حاصله در ناحیه‌ای کوچک‌تر از اندازه یک هسته اتم، مشابه شرایط جهان در چند لحظه پس از پیدایش آن بود.

با ثبت نتایج این شبه‌مهبانگ، مطالعه نحوه شکل‌گیری ماده پس از وقوع مهبانگ امکان‌پذیر بود. آزمایشات تایید کردند که انرژی قابل تبدیل شدن به مقادیر یکسان و برابر ماده و پادماده است. این موضوع این نظریه را که در جهان اولیه، پدیدار شدن ماده و پادماده در تعادل کامل با یکدیگر رخ داد تقویت می‌کرد. بنابراین معمای پادماده گم شده کماکان به قوت خود باقی ماند.

یک احتمال این است در ابتدا، مقدار ماده بیشتر از پادماده بوده باشد. اما این فرض این سوال را ایجاد می‌کند که چرا باید چنین عدم تقارن درونی وجود داشته باشد. احتمال دوم این است که پس از یک نابودی بزرگ، در بخشی از جهان با فزونی ماده مواجه شده باشیم؛ در حالی‌که در کهکشان‌های دوردست پادماده شکل غالب را تشکیل می‌دهد.

اگر این چنین باشد، باید شواهدی به شکل پرتوهای گاما وجود داشته باشد. این پرتوها باید در اثر نابودی الکترون‌ها و پوزیترون‌ها (پادالکترون‌ها) در مرز مشترک بین قلمرو ماده و پادماده ایجاد شوند. اما تا کنون که چنین شواهدی مشاهده نشده است.

در نهایت، فرضیه سوم و پرطرفدارتر این است که باید یک تفاوت ذاتی بین ماده و پادماده وجود داشته باشد. این بدان معناست که نابودی آن‌ها از خود مازادی را بر جای گذاشته است: جهان مادی که در حال حاضر ما آن را تجربه می‌کنیم.

مشکل ذخیره‌سازی

توانایی ساخت اتم‌های پادماده کمک خوبی برای دانشمندان جهت مطالعه آنها و یافتن پاسخ معمای پادماده گمشده به شمار می‌رود. با این وجود، خلق پادماده بدون اینکه بی‌درنگ نابود شود، کار بسیار دشواری است. انهدام ماده و پادماده در مقیاس اتمی، باعث بروز مشکل ذخیره‌سازی آن می‌شود: چطور می‌توان ماده‌ای را نگهداری کرد که باعث نابودی هر چیزی می‌شود که آن را لمس می‌کند؟

این چالشی بود که دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن موفق شدند بر آن غلبه کنند. نخست، شما به یک محیط خلأ خیلی خوب نیاز دارید تا مانع از آن شود که پادماده به طور سهوی، با یک اتم سرگردان هوا برخورد کند. سپس، لازم است پادماده را از تمام مرزهای محفظه نگهداری آن، که طبیعتا از ماده ساخته شده‌اند، دور نگه دارید.

لم کار ساخت یک «بطری مغناطیسی» است که نه از مواد جامد، بلکه از ترکیبی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده است. این میدان‌ها پادماده را در خود محبوس می‌کنند و مانع از رسیدن آن به مواد سازنده آهن‌رباها می‌شوند.

اما نگهداری پاد ماده کم‌انرژی (سرد) ماجرای کاملا متفاوتی دارد. ذخیره‌سازی پادماده سرد در تله‌های پِنینگ (Penning trap) انجام می‌شود، که به افتخار فیزیکدان آلمانی، «فرانس میشل پنینگ» (Frans Michel Penning) نام‌گذاری شده است؛ شخصی که ایده استفاده از ترکیب میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را برای این منظور ارائه داد.

مطالعات انجام شده روی پوزیترون‌های منفرد که برای چندین ماه در تله‌های پنینگ نگهداری شده‌اند، نشان داد صرف‌نظر از علامت مخالف بارهای الکتریکی، پوزیترون عینا مشابه الکترون است. موفقیت مشابهی در خصوص پادپروتون نیز به دست آمد.

اما در خصوص اینکه چه تعداد پوزیترون یا پادپروتون را می‌توان به دام انداخت، یک محدودیت وجود دارد. هر چقدر بیشتر از یک پادماده را در اختیار داشته باشید، مجموع بارهای الکتریکی بیشتر می‌شود. در نهایت، بارهای الکتریکی آنقدر بزرگ می‌شوند که میدان‌های ظریف الکتریکی و مغناطیسی شکل دهنده تله را تخریب می‌کنند.

اگر یک پوزیترون توسط میدان‌های الکتریکی یک پاد پروتون به دام بیفتد، آنگاه یک اتم پادهیدروژن به دست می‌آید. اگرچه بار خالص آن صفر است، اما خاصیت مغناطیسی دارد و بنابراین به میدان‌های مغناطیسی واکنش نشان می‌دهد. در نتیجه، به دام انداختن اتم‌های پادهیدروژن امکان‌پذیر است، اگرچه این کار به مراتب دشوارتر از به دام انداختن پوزیترون‌ها یا پادپروتون‌های منفرد است. بهترین نتیجه‌ای که تا کنون به دست آمده است، نگهداری سه پاداتم به صورت هم‌زمان است.

از پادماده چه چیزی می‌توان آموخت؟

وقتی این مساله را در نظر بگیریم که برای تامین نیروی یک فضاپیما یا ساخت یک سلاح به میلیاردها میلیارد پاد اتم نیاز است، مشخص می‌شود که چرا چنین ایده‌هایی علمی-تخیلی محسوب می‌شوند. با وجود این، ذخیره کردن حتی تعداد اندکی پاد اتم این امید را فراهم می‌کند که بتوان آن‌ها را با استفاده طیف‌سنجی مورد مطالعه قرار داد.

در یک اتم هیدروژن، الکترون نمی‌تواند هرجا که می‌خواهد برود چرا که قوانین مکانیک کوانتوم آن را محدود می‌کند؛ همانند بالا رفتن از یک نردبان که شما تنها می‌توانید روی پله‌ها قدم بگذارید. الکترون در اتم هیدروژن از نظمی بنیادین پیروی می‌کند، که هر پله نردبان معادل وضعیتی است که در آن الکترون دارای میزان انرژی خاصی است.

زمانی‌که الکترون از پله‌ای با انرژی بیشتر به پله‌ای با انرژی کمتر سقوط می‌کند، انرژی اضافه توسط یک فوتون نور حمل می‌شود. رنگ فوتون‌ها متناظر با مقادیر مختلف انرژی است. نتیجه کار یک طیف است، الگویی از خطوط رنگی که مشابه رمزینه (بارکد) است. این طیف پله‌های بنیادینی را که الکترون می‌‌تواند دریک اتم هیدروژن اختیار کند نشان می‌دهد.

برای اتم پادهیدروژن هم از روش مشابهی می‌توان استفاده کرد. بنابراین پیش‌بینی می‌شود که رفتار پوزیترون در یک اتم پادهیدروژن، دقیقا مشابه رفتار الکترون در اتم هیدروژن باشد. در نتیجه طیف (بارکد) اتمی پادهیدروژن باید دقیقا مشابه طیف اتمی هیدروژن باشد.

آخرین نتایج منتشر شده توسط سرن در سال 2018 که انتقال الکترون را بین پایین‌ترین سطوح انرژی پادهیدروژن (یعنی 1S-2S) اندازه‌گیری کرد، نشان داده است که طیف اتمی پادهیدروژن و هیدروژن کاملا یکسان است؛ که تاییدی برای تقارن ماده-پادماده و تقارن سی.پی.تی (CPT Symmetry) به شمار می‌رود.

اگر هرگونه تفاوتی در طیف اتمی آن‌ها آشکار شود، ما تفاوتی را بین ماده و پادماده کشف خواهیم کرد؛ اگرچه آنگاه مجبور خواهیم بود معنای آن را کشف کنیم. اما زمانی‌که این کار را انجام دهیم، معمای پادماده گم شده، و دلیل وجود چیزی در این جهان به جای عدم و نیستی، شاید پاسخ داده شود.

کاربردهای پاد ماده

واقعیت این است که کاربردهای عملی پادماده کماکان در محدوده علمی-تخیلی قرار دارد. در حال حاضر، نابودی پوزیترون توسط الکترون، کلید روش تشخیص پزشکی است که تحت عنوان پرتونگاری تابش پوزیترون یا به اختصار PET شناخته می‌شود.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

بیماران دارویی را می‌بلعند که حاوی اتم‌های پرتوزایی است که پوزیترون ساطع می‌کند. نابودی پوزیترون‌ها در اندام‌های مورد نظر، کلید تشخیص به شمار می‌رود. اتم‌های پادماده (پادهیدروژن) نمی‌توانند فراتر از آنچه که هم اکنون پوزیترون‌ها فراهم می‌کنند، چیزی به این تشخیص اضافه کنند.

در خصوص استفاده از پاد ماده به عنوان منبع انرژی سفینه‌های فضایی، مثل آنچه در فیلم «پیشتازان فضا» به تصویر کشیده شده است، انرژی موجود در تنها چند گرم پادماده برای تامین نیروی مورد نیاز یک فضاپیما در سفر به مریخ کفایت می‌کند. با این وجود، انرژی مورد نیاز برای ساخت پادماده به مراتب بیشتر از انرژی تولیدی آن خواهد بود. مگر اینکه بتوانید در فضای خارج از زمین ذخیره‌ای از پادماده پیدا کنید و از آن به عنوان سوخت استفاده نمایید.

همین شرایط برای سلاح‌های پادماده‌ای برقرار است. هر چند انرژی آزاد شده بمبی که روی هیروشیما انداخته شد، تنها معادل انرژی حاصل از نابودی یک گرم پادماده است، اما پادماده هرگز نمی‌تواند یک سلاح کشتار جمعی باشد. تولید یک گرم پادماده 10 میلیارد سال زمان خواهد برد و 1 میلیارد بطری مغناطیسی برای ذخیره‌سازی آن مورد نیاز است. بنابراین خوشبختانه فعلا نه از نظر فنی و نه اقتصادی، امکان تولید بمب پادماده وجود ندارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش مکانیک کوانتومی ۱
• مجموعه آموزش‌های ریاضیات
• انبساط عالم --- به زبان ساده
• از چگونگی کشف ساختار ماده تا شکل‌گیری مدل استاندارد فیزیک ذرات