ضد ماده چگونه می تواند انسان را در عرض چند سال به ستارگان دیگر ببرد؟

مسافرت بین ستاره ای چیزی است که تنها انسان در فیلم های علمی تخیلی بدان دست یافته است – مانند سفینه یو اس اس اینترپرایز آمریکا که از ضد ماده برای مسافرت بین دستگاه های ستاره ای استفاده می کرد.

اما ضد ماده تنها یک استعاره علمی – تخیلی نیست، ضد ماده واقعا وجود دارد.

ایلان ماسک نیروی ضد ماده را بلیط سفرهای بین ستاره ای نامیده است و فیزیکدانانی مانند رایان وید روس کشف نحوه مهار آن کار می کنند.

ضد ماده از ذراتی درست مانند ماده عادی ولی با بار الکتریکی مخالف ساخته شده است. به این معنا که وقتی ضد ماده با ماده معمولی تماس می یابد، هر دو تباه شده و مقادیر عظیمی انرژی آزاد می کنند.

رایان وید مدیر اجرایی ارشد پوزیشن داینامیکز است، شرکتی که روی سیستم پیشران ضد ماده کار می کند. به گفته او تباه شدن ضد ماده و ماده جرم را بطور مستقیم به انرژی تبدیل می کند. تنها یک گرم ضد ماده می تواند انفجاری معادل یک بمب اتمی ایجاد کند. این نوع انرژی می تواند ما را به دنیاهای ناشناخته ببرد.

موشکی که با ضد ماده کار می کند می تواند در مدت سه هفته ما را به پلوتون ببرد، در جالی که فضاپیمای افق نوی ناسا 9.5 سال طول کشید تا به پلوتون برسد. موشک با پیشرانه ضد ماده می تواند شتابی هشت هزار برابر موشک های عادی تولید کند.

اما چرا تاکنون از این فناوری استفاده نشده است؟ دلیل به هزینه باز می گردد، نه توانایی فناوری.

فیزیکدانان با استفاده از قدرتمندترین شتاب دهنده های ذرات توانسته اند ضد پروتون و اتم های ضد هیدروژن تولید کنند. یک موتور پیشران ضد ماده می تواند به ده درصد سرعت نور- یعنی حدود 100 میلیون کیلومتر بر ساعت دست یابد. اما ساخت نمونه عملی چنین پیشرانه ای 8 میلیارد دلار هزینه دربر دارد. هزینه سوخت سالانه آن نیز 670 میلیون دلار است.

اما برایان وید به ایده جدیدی برای ساخت موتور ضدماده ارزان قیمت تری دست یافته است. پوزیترون ها یا ضد الکترونها صدها بار سبک تر از ضد پروتون ها هستند و چون بطور طبیعی تولید می شوند، نیازی به شتاب دهنده های گران قیمت ندارند.

سیستم پیشرانه ضد ماده وید از کریپتون 79 استفاده می کند، نوعی کریپتون که بطور طبیعی پوزیترون صادر می کند. پوزیترون های تولید شده به سمت ماده معمولی هدایت می شوند تا بر اثر تباهی انرژی فوق العاده زیادی آزاد شود. از این انرژی برای براه انداختن یک رآکتور گداخت هسته ای و تامین پیش رانه لازم استفاده می شود.

در حالی که پوزیترونها ساده تر از سایر انواع ضد ذره تولید می شوند، به علت سبکی فوق العاده زیاد مهار کردن آنها دشوار است و هزینه لازم برای این کار هنوز از دسترس خارج است.

با این وجود این فناوری در آینده نزدیک ممکن است تحقق یافته و آرزوی انسان برای سفر بین ستاره ای را برآورده سازد.

منبع:

https://news.yahoo.com/antimatter-engines-could-fly-humans-155822059.html

در هم تنیدگی کوانتومی، شگفت ترین پدیده در فیزیک

آندریاس مولر، 18 اکتبر 2022

مترجم: اصغر ناصری

جایزه نوبل 2022 در فیزیک به سه دانشمند اعطا شد که سهم درخشانی در تشریح یکی از رازآمیزترین پدیده های طبیعی داشتند، درهم تنیدگی کوانتومی (quantum entanglement).

به ساده ترین بیان، درهم تنیدگی کوانتومی به این معنا است که ویژگی های یک ذره از جفتی در هم تنیده به ویژگی های ذره دیگر بستگی پیدا می کند، بدون اینکه فاصله میان آنها یا محیط میان آنها مطرح باشد. برای مثال این ذرات می توانند الکترونها یا فوتونها باشند و ویژگی مورد نظر می تواند حالتی باشد که ذره در آن بسر می برد، مانند جهت چرخش (اسپین) آن.

بخش شگفت درهم تنیدگی کوانتومی این است که وقتی چیزی را درباره یک ذره در یک جفت در هم تنیده اندازه گیری می کنید، بلافاصله چیزی درباره ذره دیگر خواهید دانست حتی اگر بین آنها میلیونها سال نوری فاصله باشد. این ارتباط غریب میان دو ذره آنی است، و بنظر می رسد یکی از قوانین بنیادین طبیعت را زیرپا می گذارد. معروف است که آلبرت اینشتاین این پدیده را "عمل شبح وار از دوردستها" نامید.

این پدیده که بسیار شگفت عمل می کند – زیرا اطلاعات میان دو ذره گویی سریعتر از نور مبادله می شود – در پرتو کار سه برنده جایزه نوبل، آلن اسپکت، جان کلوزر و آنتون زیلینگر روشن تر شده است.

اما حتی تا سالهای دهه 1970 پژوهشگران هنوز درباره اینکه درهم تنیدگی کوانتومی یک پدیده واقعی است، دچار دودستگی بودند. یک دلیل اصلی این بود که کسی جرات نمی کرد با آینشتاین بزرگ مخالفت کند که خود به این پدیده مشکوک بود. توسعه فناوری آزمونهای نوین و پدید آمدن پژوهشگران جسور باعث شد تا این راز برملا شود.

ذرات می توانند در یک زمان در حالت های متعددی وجود داشته باشند

برای درک صحیح شبح وار بودن درهم تنیدگی کوانتومی، لازم است ابتدا "برهم نهی کوانتومی" را درک کنیم. برهم نهی کوانتومی این ایده است که ذرات در یک لحظه از زمان می توانند در حالت های مختلفی وجود داشته باشند. وقتی یک اندازه گیری انجام می شود، مانند این است که ذره یکی از حالت های موجود در برهم نهی را انتخاب می کند.

برای مثال بسیاری از ذرات صفتی به نام اسپین دارند که برای یک جهت گیری خاص ابزار تحلیل (آنالیزر) می تواند در حالت "بالا" یا "پایین" باشد. اما تا زمانی که اسپین یک ذره اندازه گیری شنده است، بطور همزمان در وضعیت برهم نهی اسپین بالا یا پایین قرار خواهد داشت.

به هر حالت یک احتمال نسبت داده می شود و می توان پیامد متوسط اندازه گیری های متعدد را پیش بینی کرد. احتمال اینکه یک اندازه گیری منفرد به اسپین بالا یا پایین برسد به این احتمال ها بستگی دارد اما خود غیرقابل پیش بینی است.

گرچه بسیار غریب بنظر می رسد، ریاضیات و آزمایشاتی بیشمار نشان داده اند که مکانیک کوانتومی واقعیت فیزیکی را بدرستی توصیف می کند.

واقعیت برهم نهی کوانتومی

درهم تنیدگی کوانتومی یکی از نتایج برهم نهی کوانتومی است که برای بنیان گذاران مکانیک کوانتوم در دهه 1920 و 1930 امری روشن بود.

برای ایجاد ذرات در هم تنیده، باید یک سیستم را به دو بخش تفکیک کنید بطوری که در اینجا حاصل جمع بخش ها معلوم است. برای مثال می توانید یک ذره را با اسپین صفر به دو ذره با اسپین های مخالف تفکیک کنید بطوری که مجموع اسپین های آنها صفر باشد.

در سال 1935 آلبرت اینشتاین، بوریس پودولسکی و نیتان روزن مقاله ای منتشر کردند که یک آزمایش فکری را برای نشان دادن عجیب و غریب بودن درهم تنیدگی کوانتومی تشریح می کرد، پدیده ای که یکی از قوانین بنیادی جهان را به چالش می کشید (آینشتاین با نبوغ بی مانند خود طراح آزمایشات فکری بسیاری بود که تنها سالها و چندین دهه بعد با ابداع وسایل علمی پیشرفته درستی آنها به اثبات رسید .مترجم).

نسخه ساده شده ای از این آزمایش فکری که به دیوید بوهم نسبت داده شده است، تلاشی ذره ای به نام مزون پای را در نظر می گیرد. وقتی این ذره متلاشی می شود، یک الکترون و یک پوزیترون تولید می کند که دارای اسپین های مخالف هستند و از یکدیگر دور می شوند. بنابراین اگر اسپین الکترون با اندازه گیری بالا تعیین شود، اسپین اندازه گیری شده پوزیترون تنها می تواند پایین باشد و بالعکس. این امر حتی اگر دو ذره میلیاردها کیلومتر از هم فاصله داشته باشند صحیح خواهد بود.

این امر اگر اسپین اندازه گیری شده الکترون همواره بالا و از آن پوزیترون همواره پایین باشد خوب است. اما مطابق مکانیک کوانتومی، اسپین هر دو ذره می تواند بخشی بالا و بخشی پایین باشد تا زمانی که اندازه گیری شود. تنها وقتی اندازه گیری انجام شود، حالت کوانتومی اسپین به بالا یا پایین " فرو ریخته" و بطور آنی ذره دیگر را در وضعیت اسپین مخالف قرار می دهد. در اینجا بنظر می رسد ذرات با وسیله ای سریعتر از نور با هم مبادله اطلاعات می کنند. اما مطابق قوانین فیزیک، هیچ چیزی نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند. مطمئنا حالت اندازه گیری شده یک ذره نمی تواند بطور آنی حالت ذره دیگر را در انتهای جهان تعیین کند!

فیزیکدانان از جمله اینشتاین کبیر، تفاسیری جایگزین از درهم تنیدگی کوانتومی در دهه 1930 ارائه کردند. آنها نظریه ای مطرح کردند که مطابق آن خاصیتی ناشناخته – که متغیرهای پنهان نامیده می شد- حالت یک ذره را پیش از اندازه گیری تعیین می کند. اما در آن زمان فیزیکدانان فناوری یا تعریفی از یک اندازه گیری روشن در دست نداشتند که بتواند تغییرات لازم در نظریه کوانتومی برای دخالت دادن متغیرهای ناشناخته را تعیین کرده و به آزمون بگذارد.

آیا نظریه کوانتومی باید اصلاح شود؟

یافتن کلیدهایی برای یک پاسخ، تا سالهای دهه 1960 طول کشید. جان بل، فیزیکدان برحسته ایرلندی که تا دریافت جایزه نوبل زنده نماند، طرحی برای آزمایش اعتبار متغیرهای پنهان ابداع کرد.

بل معادله ای ابداع کرد که هم اکنون آن را به عنوان نابرابری بل می شناسیم، که همواره درست است و گرچه همواره برای مکانیک کوانتومی درست نیست، در مورد متغیرهای پنهان صدق می کند. بنابراین اگر معادله بل در یک آزمایش واقعی برآورده نشود، نظریات مربوط به متغیرهای پنهان محلی را می توان به عنوان توضیحی بر درهم تنیدگی کوانتومی مردود دانست.

آزمایشات انجام شده توسط برندگان جایزه نوبل 2022، بویژه آنچه آلن اسپکت انجام داد، اولین آزمون نابرابری بل بودند. این آزمایشات بجای جفت الکترون و پوزیترون از فوتونهای در هم تنیده استفاده کردند. نتایج بطور قاطعی وجود متغیرهای پنهان را رد کردند، یعنی صفت رازآمیزی که حالت های ذرات در هم تنیده را از پیش تعیین می کند. این آزمایشات نشان دادند مکانیک کوانتومی واقعا صحیح است و ذرات می توانند در فواصل بزرگ طوری ارتباط متقابل پیدا کنند که توسط فیزیک پیش از مکانیک کوانتومی قابل توضیح نیست.

واقعیت مهم این است که تضادی میان نسبیت خاص که مبادله اطلاعات سریعتر از نور را ممنوع می دارد با این پدیده وجود ندارد. این واقعی که اندازه گیری در فواصل بعید به هم مرتبط اند به این معنا نیست که اطلاعات بین ذرات مبادله می شود. دو فرد که دور از همند و بر روی ذرات در هم تنیده آزمایش انجام می دهند نمی توانند از این پدیده برای مبادله اطلاعات بین هم سریعتر از نور استفاده کنند.

امروزه فیزیکدانان به پژوهش درباره درهم تنیدگی کوانتومی و بررسی کاربرد خاص بر روی ذرات مختلف ادامه یم دهند. گرچه مکانیک کوانتومی می تواند احتمال یک اندازه گیری با دقت خارق العاده را پیش بینی کند، بسیایر پژوهشگران درباره اینکه بتواند توصیف کاملی از واقعیت ارائه دهد مشکوک هستند. یک چیز را با اطمینان می دانیم: هنوز اسرار زیادی درباره دنیای مکانیک کوانتومی وجود دارد.

منبع: Howstuffworks

آیا می توان از پیشرانه مبتنی بر ضد ماده برای رفتن به سیارات دیگر استفاده کرد؟

 

تقریبا هر روز ستاره شناسان موفق به کشف سیارات بیگانه جدیدی می شوند اما به علت فاصله باورنکردنی بین دستگاه های ستاره‌ای، اکتشاف فضایی به درون دستگاه خورشیدی خودمان محدود شده است. برای مثال تخمین زده شده که فضاپیمای وویاجر 1 که هم اکنون با سرعت 17.3 کیلومتر بر ثانیه در حال دور شده از ماست، 73 هزار سال بعد به پروکسیمای بی یعنی نزدیکترین سیاره تایید شده بیگانه برسد.

برای حل مساله بغرنج فیزیکی پیمودن فواصل بسیار بزرگ، دانشمندان به سیستم های پیشرانه روی آورده اند که بسیار پیشرفته تر از راکت های با سوخت شیمیایی فعلی هستند. یک چنین سیستم پیشنهاد شده ای پیشرانه بر اساس ضد ماده است که همچنانکه از نام آن پیدا است، استفاده از ضد ماده برای پیش راندن یک فضاپما با سرعت هایی در حد چند صدم سرعت نور است.

ضد ماده چیز جدیدی در فیزیک نیست. وجود آن نخستین بار توسط کارل آندرسن در 1932 ثابت شد. او ذره پوزیترون را کشف کرد که معادل الکترونهایی با بار مثبت هستند. به دنبال آن وجود ضد ماده بارها به اثبات رسید، از جمله در بی واترون برکلی در سال 1955 یک ضد پروتون و در پژوهشگاه فیزیک ذره ای اروپا CERN ضد اتمها کشف شدند.

برخورد یک پروتون و یک ضد پروتون به انفجاری خواهد انجامید که تشعشع خالص با سرعت سیر نور تولید خواهد کرد. برپایه معادله اینشتاین انرژی تولید شده معادل جرم هر دو ذره ضربدر مجذور سرعت نور است و هر دو ذره بطور کامل تباه خواهند شد. به عبارتی یک گرم از ضد ماده قادر است انرژی معادل دوازده مخزن خارجی شاتل فضاپیما تولید کند. بنابراین ضد ماده ها می توانند منبعی ایده آل برای تامین انرژی مسافرت های فضایی باشند.

هم اکنون ظرفیت تولید و ذخیره ضدماده توسط دانشمندان، حدود چند نانوگرم در سال است که برای تامین سوخت کافی یک فضاپیما با نیروی محرکه ضدماده کافی نیست. بنابراین پیشرانهایی مبتنی بر ترکیب ضد ماده و واکنش هسته ای پیشنهاد شده اند که در آنها از ضد ماده تنها برای آغاز واکنش هسته ای استفاده می شود. ضدپروتونها با برخورد با ماده هسته ای متشکل از اورانیوم 238 تباه شده و انرژی کافی برای آغاز واکنش شکافت هسته ای فراهم می کنند. سپس واکنش شکافت هسته ای منجر به تحریک هسته دوتریم-تریتیوم شده و واکنش همجوشی هسته ای در مرکز رآکتور صورت می پذیرد. پلاسمای بسیار داغ تولید شده در اثر این واکنش همجوشی پیشرانه لازم برای فضاپیما را فراهم خواهد ساخت.

پیش بینی می شود یک فضا پیما مبتنی بر پیشران ضدماده بتواند با سرعت 115 میلیون کیلومتر بر ساعت حرکت کند. بنابراین سفر به مریخ توسط این فضاپیما حدود یک ساعت و نیم به طول خواهد انجامید در حالی که هم اکنون این سفر با راکت های سوخت هیدروژنی موجود نه ماه بطول خواهد انجامید. بنابراین استفاده از پیشرانه مبتنی بر ضد ماده امکان کشف فضاهای ناشناخته را برای بشر فراهم خواهد ساخت.

منابع:

https://news.yahoo.com/could-antimatter-based-propulsion-visit-130051552.html

http://www2.ee.ic.ac.uk/derek.low08/yr2proj/antimatter.htm

https://medium.com/techtalkers/antimatter-spacecraft-the-future-of-interstellar-travel-4f06b7491bc3