نیروی ضد جاذبه اگر وجود داشته باشد، چگونه رفتاری در عالم خواهد داشت؟
در مرز میان دو کشور سوییس و فرانسه، آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی (سرن) واقع است. این آزمایشگاه عظیم، انواع و اقسام دستگاه های پیچیده نظیر شتاب دهنده ها و آشکارسازها و از جمله، برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) را در خود جای داده است که در سال 2012، کشف ذره هیگز را برای فیزیکدان ها میسر کرد. شتاب دهنده های آزمایشگاه سرن، برای مطالعه کوچکترین ذرات تشکیل دهنده ماده ساخته شده اند، ذراتی که همه چیز در جهان (از ستاره ها و سیارات گرفته تا فنجان چای شما) از آنها تشکیل شده اند. فیزیکدان ها ماده متعارف تشکیل دهنده ساختارهای جهان را اصطلاحاً ماده باریونی می نامند.
ماده باریونی، ماده ای است که از پروتون و نوترون تشکیل شده است. در واقع، تمام ماده معمولی که در کیهان مشاهده می شود از نوع ماده باریونی است. اما ماده باریونی صرفاً به ذرات ماده محدود نمی شود، بلکه ذرات پادماده را هم در بر می گیرد. بررسی رفتار پادماده، یکی از هیجان انگیزترین شاخه های فیزیک نوین را تشکیل می دهد و این احتمال می رود که بتوان از طریق آن به کشفیات محیرالعقولی مانند نیروی جاذبه دست یافت.
در این مقاله شما می توانید با آخرین دستاوردهای این حوزه تحقیقاتی آشنا شوید.
وجود پادماده را نخستین بار فیزیکدان انگلیسی، پُل دیراک در اواخر دهه 1920 پیش بینی کرد. طولی نکشید که فیزیکدان ها با انجام آزمایش هایی موفق شدند ذرات اسرارآمیز پادماده را کشف کنند. این ذرات اسرارآمیز، با ذرات ماده متناظر خود هم جرم هستند، اما دیگر ویژگی هایشان (مانند بار الکتریکی، اسپین و اعداد کوانتومی) قرینه ویژگی های ذرات ماده متناظر آنها است. مثلاً الکترون بار الکتریکی 1- دارد، در حالی که پادذره ی آن (پوزیترون) بار الکتریکی 1+ دارد.
با توجه به آنکه ویژگی های کوانتومی ماده و پادماده مخالف یکدیگر هستند، ذرات ماده و پادماده همواره با همدیگر و به صورت یک زوج متولد می شوند؛ اما باید توجه داشت که این زوج با یکدیگر سر سازگاری ندارند و اگر پس از تولد با همدیگر مواجه شوند، یکدیگر را نابود می کنند و با فورانی از انرژی، محو می شوند.
ذرات ماده و پادماده همواره به مقدار مساوی ایجاد می شوند، بنابراین قاعدتاً باید در زمان تولد عالم (مهبانگ) هم مقدار برابری از ذرات ماده و پادماده در عالم به وجود آمده باشند. پس از آن هم تمام این ذرات ماده و پادماده باید با گذشت زمان، به یکدیگر برخورد و همدیگر را نابود کرده باشند؛ در نتیجه باید اکنون جهانی تهی از ماده و پادماده بر جای مانده باشد. اما بر خلاف انتظار، می بینیم که جهان ما مملو از ماده و عملاً تهی از پادماده است (ذرات پادماده به میزان فوق العاده اندک و آن هم به صورت گذرا و با طول عمرهای بسیار کوتاه، بواسطه پدیده هایی مانند فرآیندهای پرتوزای طبیعی (رادیواکتیویته) و بر هم کنش های پرتوهای کیهانی با جو زمین ایجاد می شوند). این مسئله می تواند نشانه ای از نبود تقارن کامل بین فرآیندهای حاکم بر ذرات ماده و پادماده باشد؛ به عبارت دیگر، ممکن است قوانین حاکم بر رفتار ذرات ماده و پادماده کاملاً یکسان نباشند.
تقارن یا عدم تقارن؟
کریس پارکز (Chris Parkes)، فیزیکدان دانشگاه منچستر انگلستان و رهبر گروه پژوهشی این دانشگاه در آزمایش LHCb (یکی از آشکارسازهای LHC در سرن)، در این باره می گوید: «علت تفاوت بین رفتار ذرات ماده و پادماده تا حدودی در مدل متعارف فیزیک ذرات بنیادی توضیح داده شده است.» بنابر گفته پارکز، جایزه نوبل فیزیک سال 2008 اساساً به پاس تبیین نظری وجود عدم تقارن بین رفتار ذرات ماده و پادماده در چهارچوب مدل متعارف ذرات بنیادی، به فیزیکدانان درگیر در این کار نظری اهدا شد.
برای بررسی و کاوش این عدم تقارن، ابتدا باید نیروهای بنیادین حاکم بر ذرات را بهتر بشناسیم. احتمالاً می دانید که چهار نیروی بنیادین هسته ای قوی، هسته ای ضعیف، الکترومغناطیسی و گرانش بر دنیای ذرات بنیادی حاکم هستند. نیروی هسته ای قوی، همان نیرویی است که اجزای هسته های اتمی را کنار همدیگر نگاه می دارد. گرانش، نوعی نیروی جاذبه بین تمامی ذرات جرم دار است. نیروی الکترومغناطیسی هم نیروی حاکم بر ذرات دارای بار الکتریکی است و سرانجام، نیروی هسته ای ضعیف، نیرویی است که منجر به وقوع برخی از واپاشی های رادیواکتیو می شود.
این نیروی آخری یعنی نیروی ضعیف، در واقع همان نیرویی است که در عدم تقارن بین بر هم کنش های ماده و پادماده هم نقش ایفا می کند. به بیان دقیق تر باید گفت که بر هم کنش ضعیف در برخی مواقع، تقارن ترکیبی مربوط به بار الکتریکی و پاریته ذرات را – که اصطلاحاً تقارن CP نامیده می شود – نقض می کند و در نتیجه، سبب می شود که ذرات و پادذرات در مواجهه با بر هم کنش ضعیف، به شکلی کاملاً یکسان رفتار نکنند. همین امر، موجب می شود که تعداد ذرات ماده و پادماده با گذر زمان، به تدریج از حالت تساوی خارج شوند. فیزیکدان ها معتقدند که همین پدیده احتمالاً می تواند علت فزونی ماده را بر پادماده در جهان امروز توضیح دهد.
تقابل نسبیت و کوانتوم
اما گذشته از معمای فزونی ماده بر پادماده، معماهای دیگری هم در مورد رفتار پادماده وجود دارند که فیزیکدان ها در تلاش برای حل آنها هستند. یکی از این معماها درباره نحوه تاثیر گرانش بر پادماده است. آنطور که دَنیل کاپلان فیزیکدان در انستیتو فناوری ایلینوی ایالات متحده آمریکا می گوید تا پیش از این، هیچگاه تاثیر گرانش بر پادماده بطور دقیق بررسی نشده بود؛ به همین دلیل حتی این احتمال از سوی برخی فیزیکدان ها مطرح شده است که ممکن است نیروی گرانش، پادماده را دفع کند و به بیان دیگر، نوعی دافعه گرانشی بین ماده و پادماده وجود داشته باشد.
می دانیم که گرانش، نوعی نیروی جاذبه بین ذرات جرم دار است. گرانش سبب می شود که اجرام سماوی، دیگر اجرام را به سوی خود جذب کنند. به عنوان مثال، کره زمین با گرانش خود، اشیاء را بر سطح خود نگاه می دارد.
بهترین نظریه ای که امروز برای تبیین گرانش در اختیار داریم، نظریه نسبیت عام اینشتین است؛ اما دلایلی وجود دارد که حاکی از ناکامل بودن این نظریه است. یکی از این دلایل، آن است که نظریه نسبیت عام، نظریه ای کلاسیک و غیر کوانتومی است. نسبیت بر این فرض استوار است که فضا، زمان، سرعت، نیرو و انرژی، همگی پدیده هایی پیوسته هستند، اما بر اساس نظریه کوانتومی می دانیم که چنین فرضی صحیح نیست.
اگرچه نظریه نسبیت عام، نظریه پذیرفته شده ای است که سال ها بطور عمیق، مورد بررسی قرار گرفته و در همه آزمایش ها تایید شده است، اما اکنون می دانیم که تلفیق این نظریه با نظریه کوانتومی – که یکی از عرصه های داغ پژوهشی فیزیک امروز است – کاری فوق العاده دشوار است، اما یکی از کارهایی که می تواند فیزیکدان ها را در پیوند میان این دو نظریه بزرگ فیزیک یاری کند، تحقیق در مورد مقایسه نحوه تاثیر گرانش بر ذرات ماده و پادماده است.
رابطه عجیب پادماده و گرانش
همانطور که پیش از این هم اشاره شد، برخی معتقدند که ممکن است تاثیر گرانش روی ذرات ماده و پادماده یکسان نباشد، اما هولگر مولر از دانشگاه کالیفرنیا – برکلی و دانشمند ارشد آزمایش آلفا (ALPHA) در سرن نظر دیگری دارد. او می گوید: «بر خلاف باور عامه مردم، اساساً دلیلی وجود ندارد که تصور کنیم پادماده در میدان گرانشی، به جای سقوط، صعود می کند؛ چرا که تا جایی که می دانیم، جرم گرانشی مانند بار الکتریکی نیست که مقادیر مثبت و منفی داشته باشد. به عبارت دیگر، حتی ذرات پادماده هم جرم مثبت دارند و بنابراین باید در میدان گرانشی، همانند ذرات ماده سقوط کنند. گذشته از این، تاکنون شواهدی دال بر صعود ذرات پادماده در میدان گرانشی هم به دست نیامده است.
سوانته یانسل فیزیکدان دانشگاه استکهلم سوئد هم با این نظر موافق است. او می گوید: «اگر تاثیر گرانش روی ذرات ماده و پادماده یکسان نباشد، باید گفت که پادماده، ویژگی کشف نشده متفاوتی از ماده دارد که منجر به رفتار متفاوت آن در میدان گرانشی می شود. اما به هر حال نمی توان این واقعیت را نادیده گرفت که نکاتی در مورد رفتار پادماده وجود دارد که ما از آن سر در نمی آوریم. مهم تر از همه، اینکه ما هنوز به خوبی نمی دانیم چرا مقدار ماده در این جهان تا این حد بیش از پادماده است؛ به گونه ای که همه چیز در اطرافمان از ماده (و نه پادماده) تشکیل شده است. به همین دلیل هم کاملاً منطقی است که هرچه بیشتر در مورد رفتار پادماده تحقیق کنیم و بدیهی است تا زمانی که اندازه گیری های هرچه دقیق تری در مورد رفتار ذرات پادماده – از جمله نحوه رفتار آنها در حضور میدان گرانشی – انجام ندهیم، نمی توانیم به درستی در مورد ویژگی های پادماده قضاوت کنیم.»
به اعتقاد مولر، اگرچه مسئله صعود پادماده در میدان گرانشی چندان پذیرفتنی نیست، اما این امکان وجود دارد که ذرات پادماده با شتابی متفاوت – هر چند با اختلاف بسیار جزئی – نسبت به ذرات ماده در میدان گرانشی سقوط کنند. بدین ترتیب، حتی منتقدان وجود پادگرانش نظیر مولر هم معتقدند که انجام آزمایش های هرچه دقیق تر برای بررسی نحوه تاثیر گرانش روی ذرات پادماده، ضروری است. هم اکنون، آزمایش های متعددی در آزمایشگاه بین المللی سرن در جریان است تا ویژگی های ذرات پادماده را – از جمله نحوه سقوط آنها در میدان گرانشی – با دقت هرچه بالاتر اندازه گیری کنند. آزمایش آلفا (ALPHA) در سرن، امکان به دام انداختن اتم های پادهیدروژن و اندازه گیری شتاب سقوط آنها را در میدان گرانشی برای فیزیکدان ها فراهم کرده است.
بیشتر دقت کن!
کاپلان توضیح می دهد که «اندازه گیری شتاب سقوط پادماده در میدان گرانشی زمین، آزمون مهمی برای سنجش میزان دقت نظریه نسبیت عام اینشتین است.» خوشبختانه چند سالی است که انجام چنین آزمایش هایی برای فیزیکدان ها میسر شده است. سال 2013، فیزیکدان های درگیر در آزمایش آلفا در سرن، اولین نتایج آزمایش های خود را منتشر کردند. بر اساس اندازه گیری های گروه پژوهشی آلفای سرن، شتاب سقوط ذرات پادماده در میدان گرانشی زمین، دست کم 65 درصد و دست بالا، 110 درصد شتاب سقوط ذرات ماده است. همانطور که مشخص است، دقت اندازه گیری ها هنوز در حدی نیست که پاسخی قطعی برای معمای وجود یا نبود پادگرانش ارائه کند.
یکی از مهم ترین عواملی که منجر به کاهش دقت اندازه گیری های مرتبط با ذرات پادماده می شود، وجود نیروی الکترومغناطیسی است. این نیرو بسیار قوی تر از نیروی گرانشی است و در اندازه گیری های مربوط به ذرات پادماده، اختلال ایجاد می کند. گذشته از این، ذخیره ذرات پادماده – حتی ذرات پاماده خنثی مانند پاداتم های هیدروژن – هم کار فوق العاده دشواری است؛ چرا که جداره ظرف محفظه آزمایش، خود از ماده تشکیل شده است و بنابراین، کوچکترین برخورد ذرات پادماده با جداره محفظه آزمایش، منجر به از بین رفتن و نابودی پادذرات خواهد شد. خوشبختانه این معضل در آزمایش های اخیر با استفاده از تله های مغناطیسی پیشرفته، تا حد زیادی بر طرف شده است.
بدین ترتیب، تشخیص وجود هر گونه تاثیر پادگرانشی، نیازمند اندازه گیری های بسیار دقیق تر و انجام آزمایش های بسیار پیشرفته تر است. بر همین اساس، پژوهشگران آزمایشگاه سرن در تلاش هستند تا در سال های پیش رو، دقت آزمایش های خود را با اتم های پادهیدروژن بیش از پیش افزایش دهند. کاپلان و فیزیکدان های همکارش در موسسه فناوری ایلینوی هم با طراحی آزمایشی به نام آزمایش گرانشی پادماده میونی (MAGE) در تلاش هستند از ذرات و پادذرات میون (پسر عموهای سنگین وزن الکترون ها) برای افزایش دقت اندازه گیری های خود در مورد تاثیر گرانش بر پادماده بهره ببرند.
اگرچه اکنون بیشتر فیزیکدان ها بر این باور هستند که چنانچه اختلافی بین شتاب سقوط آزاد ماده و پادماده در میدان گرانشی وجود داشته باشد، این اختلاف، بسیار ناچیز خواهد بود. اما همین اختلاف بسیار ناچیز هم از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. کاپلان در این باره می گوید: «کشف وجود اختلاف بین شتاب سقوط ماده و پادماده – حتی اگر این اختلاف در حد یک در میلیون باشد – درک ما را در عرصه کیهان شناسی متحول خواهد کرد.»
منابع
مقاله علمی و آموزشی «نیروی ضد جاذبه اگر وجود داشته باشد، چگونه رفتاری در عالم خواهد داشت؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله شهاب شعری مقدم از مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
