ضد ماده چیست؟

ضد ماده همانند ماده معمولی ولیکن با بار مخالف است. برای مثال یک الکترون که دارای بار منفی است، دارای ضد ذره‌ای به نام پوزیترون است که همان جرم الکترون را دارد، منتهی با باری مثبت.

ذراتی مانند نوترونها نیز که بار الکتریکی ندارند، دارای ضد ذره مخصوص به خود هستند. اما پژوهشگران هنوز نتوانسته اند به این واقعیت پی ببرند که آیا ذرات رازآمیزی مانند نوترینو که آنها نیز خنثا هستند، دارای ضدذره خود هستند یا نه.

گرچه ضد ماده چیزی شبیه داستانهای علمی تخیلی می ماند، اما واقعا وجود دارد. ضد ماده همگام با ماده پس از مهبانگ ایجاد شده اند اما در جهان امروزین ضدماده نادر است و دانشمندان هنوز دلیل آن را نمی دانند.

ضد ماده چیست و چگونه ساخته می شود؟

انسان با استفاده از برخوردهای با سرعت بسیار بالا در شتاب دهنده های عظیم ذرات توانسته ضد ماده بسازد. نمونه ای از این شتاب دهنده ها، برخورد دهنده بزرگ هادرون ها است که بیرون جنوا تاسیس شده و توسط CERN ، سازمان پژوهش هسته ای اروپا مدیریت می شود. آزمایشات متعددی در CERN برای تولید ضد هیدروژن انجام شده که دوقلوی ضد ماده هیدروژن است. پیچیده ترین ضد ماده تولید شده تاکنون ضد هلیوم بوده است.

ضدماده هایی نیز هستند که بطور طبیعی تولید شده و بطور نامنظم در سراسر کیهان پراکنده شده اند. اما وقتی ماده و ضدماده با هم برخورد می کنند، یکدیگر را تباه کرده و انرژی تولید می کنند. به عبارتی در کیهانی که ماده در آن غالب است ضد ماده نمی تواند به مدت طولانی وجود داشته باشد.

ضد ماده در قلب رازی درباره علت وجودی این جهان قرار دارد. در نخستین لحظات پس از مهبانگ، تنها انرژی وجود داشت. با سرد شدن کیهان و انبساط آن، هر دو گروه ذرات ماده و ضد ماده تولید شدند. دانشمندان خواص ماده و ضد ماده را با دقت بسیار اندازه گیری کرده اند و چنین دریافته اند که هر دو یکسان رفتار می کنند. بنابراین اگر ضد ماده و ماده در حجم های برابری تولید شده و یکسان رفتار می کرده اند، تمام ماده و ضد ماده تولید شده در ابتدای پیدایش عالم باید یکدیگر را تباه کرده و هیچ چیزی بر جای نمی ماند.

اینکه چرا ماده بر ضد ماده غلبه پیدا کرده و بر جای مانده هنوز یک راز است.

نظریه ای علمی چنین می گوید که در ابتدای پیدایش عالم ماده بیشتری نسبت به ضد ماده به وجود آمده و پس از تباهی دوجانبه، ماده کافی برای تشکیل ستارگان، کهکشان ها و نهایتا بر روی کره زمین باقی مانده است. این اختلاف بسیار ناچیز بوده است. کمتر از یکی از یک میلیارد ذره عادی باید از این آشوب جان بدر برده و تمام ماده پیرامون ما را تشکیل داده باشند.

اگر نوترینو – که ذره ای بسیار خرد و شبح ناک است که بندرت با ماده واکنش می کند – دارای ضد ذره خود باشد، کلید حل این مساله را در اختیار ما خواهد گذارد. در این نظریه در آغاز زمان، کسر کوچکی از نوترینوها قادر به عبور از ضد ماده و ورود به ماده شدند و یک عدم توازن ناچیزی در میزان ماده ابتدای تشکیل عالم ایجاد کردند. آزمایشاتی برای یافتن ضدنوترینو انجام شده که تاکنون موفق نبوده اند.

پیش بینی و جایزه نوبل

فیزیکدا بریتانیایی پاول دیراک ضد ماده را در 1928 پیش بینی کرد و سعی در ترکیب مکانیک کوانتومی، نظریه توصیف کننده ذرات زیراتمی با نظریه نسبیت اینشتاین نمود. دیراک به دنبال جوابهایی برای معادله ای بود که توصیف کننده حرکت یک الکترون با سرعت نزدیک نور است. درست مانند معادله منجر به یافتن ریشه های 4 که دو عدد 2+ و 2- می توانند باشند، معادله دیراک دارای دو جواب، یکی برای الکترون با انرژی مثبت و دیگری برای الکترونی با انرژی منفی بود.

در ابتدا دیراک درباره به اشتراک گذاری یافته های خود تعلل می کرد. اما نهایتا بر این تردید غلبه کرد و اعلام نمود که هر ذره ای در جهان داری ضد ذره مخصوص به خود با بار مخالف است.

پوزیترونها چند سال بعد توسط کارل آندرسن کشف شدند که پرتوهای کیهانی با انرژی بالا را مطالعه می کرد که از فضا آمده و با اتمسفر زمین برخورد کرده و آبشاری از ذرات دیگر ایجاد می کنند. در آشکارساز او، اندرسن ردی از ذره ای با جرم الکترون ولی بار مثبت یافت که پوزیترون نامیده شد. دیراک و اندرسن برای کار خود در سالهای 1933 و 1936 جایزه نوبل را بردند.

فضاپیمایی که با ضد ماده کار می کند؟

از آنجایی که برخورد ماده و ضدماده تولید انرژی می کند، مهندسین در جستجوی این موضوع بوده اند که آیا از فضاپیمایی با پیشرانه ضد ماده می توان برای اکتشاف فضایی استفاده کرد؟

ناسا امکان بالقوه استفاده از فضاپیمایی با پیشرانه ضدماده برای پرواز به مریخ را بررسی کرده، لیکن برخی به علت هزینه سنگین این ایده را رد کرده اند. یک تخمین خام می گوید تولید 10 هزارم گرم پوزیترون برای ماموریت سفر به مریخ با فناوری امروزین نیاز به 250 میلیون دلار هزینه دارد. اما فضاپیمای با پیشرانه ماده – ضد ماده می تواند با 10 درصد سرعت نور حرکت کند، یعنی 108 میلیون کیلومتر بر ساعت. با چنین سرعتی تنها در چند ساعت می توان به مریخ رسید!

منبع: Live Science, 13 Dec, 2021