پادماده چیست، در کجا یافت می‌شود و چه کاربردی در فضا دارد؟+فیلم

2
زمان مطالعه: 6 دقیقه

پادماده یا ضدماده (Anti Matter) یکی از مواد چالش‌برانگیز در عالم خلقت است که می‌تواند تولید انرژی از جمله در حوزه فضا را در آینده دگرگون کند. در این مقاله علاوه‌بر پاسخ به سوالات مختلف درباره پادماده، به کاربردهای احتمالی آن در آینده در قلمروی فضا می‌پردازیم.

تاریخچه پادماده

اصطلاح پادماده اولین بار در سال ۱۸۹۸ توسط آرتور شوستر (Arthur Schuster)، فیزیکدان بریتانیایی، استفاده شد. او فرضیه پاداتم‌ها و همچنین تمام سامانه‌های ستاره‌ای پاد ماده را مطرح و در مورد امکان نابودی ماده و پادماده توسط یکدیگر بحث کرد. ایده‌های شوستر به‌عنوان یک پیشنهاد نظری جدی مطرح نشدند و صرفا حدس و گمان بودند. این ایده‌ها مانند فرضیه‌های قبلی، با مفهوم مدرن پادماده تفاوت داشت؛ مفهومی که در آن پاد ماده دارای جاذبه منفی است.

پادماده

پاد ماده چیست و چگونه ساخته می‌شود؟

در فیزیک جدید، پادماده به ماده‌ای متشکل از ذرات زیراتمی گفته می‌شود که جرم، بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌های ماده معمولی را دارد، اما علامت (مثبت یا منفی) بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی آن‌ها مخالف است. ذرات پادماده مربوط به الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌ترتیب پوزیترون (e+)، پادپروتون (p-) و پادنوترون (n-) نامیده شده و از آن‌ها به‌عنوان پادذره یاد می‌شود.

خواص الکتریکی پادماده برخلاف مواد معمولی است؛ پوزیترون بار مثبت و پادپروتون بار منفی دارد. پادنوترون نیز اگرچه از نظر الکتریکی خنثی است، اما علامت گشتاور مغناطیسی آن با نوترون متضاد است. ماده و پاد ماده نمی‌توانند بیش از کسری کوچک از ثانیه در فاصله نزدیک با یکدیگر همزیستی داشته باشند، زیرا با یکدیگر برخورد کرده و یکدیگر را را از بین می‌برند که در نتیجه آن مقادیر زیادی انرژی به‌شکل پرتوهای گاما یا ذرات بنیادی آزاد می‌شود.

در همین رابطه بخوانید:

روسیه فضاپیمایی با سوخت هسته‌ای را به اعماق فضا می‌فرستد

ذرات پادماده به‌یکدیگر متصل شده و پادماده را تشکیل می‌دهند، همان‌طور که ذرات معمولی برای تشکیل ماده معمولی به‌هم متصل می‌شوند. برای مثال، یک پوزیترون (پادذره الکترون) و یک پادپروتون (پادذره پروتون) می‌توانند یک اتم پادهیدروژن تشکیل دهند. همچنین هسته‌های پادهلیوم به‌طور مصنوعی و البته به‌سختی تولید می‌شوند و پیچیده‌ترین پادهسته‌هایی به‌شمار می‌روند که تاکنون مشاهده شده است. قواعد فیزیک وجود هسته‌های اتمی پادماده پیچیده و همچنین پاداتم‌های مرتبط با عناصر شیمیایی شناخته‌شده را ممکن می‌داند.

عکس پادماده (پاد ماده)

پادماده چه کاربردی دارد؟

تولید انرژی از پادماده

برخورد بین هر ذره و شریک پادذره‌اش منجر به نابودی متقابل آن‌ها می‌شود و نسبت‌های مختلف اشعه گاما، نوترینوها و گاهی اوقات جفت‌های ذره-پادذره کم‌‌چگال‌تری را ایجاد می‌کند. بخش اعظم کل انرژی حاصل از این نابودی به‌شکل پرتوهای یونیزه‌کننده ظاهر می‌شود.

اگر در اطراف رخداد مذکور ماده‌ای وجود داشته باشد، محتوای انرژی این تابش جذب شده و به‌شکل‌های دیگر انرژی مانند گرما یا نور بدل می‌شود. مقدار انرژی آزادشده معمولا متناسب با جرم کل ماده و پادماده‌ای بوده که با یکدیگر برخورد کرده‌اند و مطابق با معادله E=mc2 است. البته تولید پاد ماده هزینه بسیار بالایی دارد که در نتیجه تولید انرژی از آن را امری چالش‌برانگیز می‌کند.

خرید پادماده

پادماده، گران‌ترین ماده جهان

دانشمندان ادعا می‌کنند که پاد ماده گران‌ترین ماده برای تولیدات است. بر اساس تحقیق ناسا در سال ۱۹۹۹ به‌ازای تولید هر گرم پادهیدروژن باید ۶۲.۵ تریلیون دلار هزینه کرد. یک علت چنین هزینه بسیار بالایی دشوار بودن تولید این ماده است، زیرا تعداد بسیار کمی پادپروتون از واکنش‌ها در شتاب‌دهنده‌های ذرات تولید می‌شود. دلیل دیگر نیز میزان تقاضای بالاتر برای استفاده‌های دیگر از شتاب‌دهنده‌های ذرات است.

همچنین برخی محققان در سال ۲۰۰۶ تخمین زدند که برای تولید ۱۰ میلی‌گرم پوزیترون می‌بایست ۲۵۰ میلیون دلار هزینه کرد. طبق گزارشی دیگر جهت تولید حدود یک میلیاردم گرم (مقداری که تاکنون برای برخورد ذرات و پادذرات استفاده شده است) چند صد میلیون فرانک سوئیس هزینه شده است. باتوجه‌به این هزینه‌های هنگفت، محققان در صدد یافتن پاد ماده در خارج از سیاره خاکی و انتقال آن به زمین هستند.

پادماده چگونه ساخته می شود

پادماده در کجا یافت می‌شود؟

بر اساس شواهدی محکم می‌توان گفت علی‌رغم وجود ترکیبی برابر از ماده و پاد ماده، جهان قابل مشاهده تقریبا به‌طور کامل از ماده معمولی تشکیل شده است که این عدم تقارن ماده و پادماده در عالم مرئی یکی از مسائل بزرگ حل‌نشده در فیزیک به‌شمار می‌رود. بااین‌اوصاف پس پادماده در کجا یافت می‌شود؟

پادماده را به‌طور طبیعی نمی‌توان در زمین پیدا کرد؛ به‌جز برخی موارد بسیار نادر و با طول عمر بسیار کوتاه که در نتیجه واپاشی هسته‌ای و پرتوهای کیهانی به‌وجود می‌آیند. دلیل چنین امری آن است که پادماده‌های موجود در زمین و خارج از آزمایشگاه‌های خاص، طی برخورد با مواد معمولی متلاشی می‌شوند. البته امکان تولید پادذره‌ها و بعضی از پادماده‌های پایدار (مانند پادهیدروژن) به‌میزان بسیار اندک وجود دارد، اما نه به‌اندازه‌ای که دانشمندان بتوانند تمام خواص فیزیک نظری آن‌ها را آزمایش کنند.

در همین رابطه بخوانید:

ستاره‌شناسان دقیق‌ترین نقشه ماده تاریک جهان را تهیه کردند

پادماده در تماس با هر نوع ماده دیگری نابود می‌شود؛ ازاین‌رو محققان برای به‌دام‌اندازی و نگه داشتن آن از یک نوع قفس میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی موسوم به دام پنینگ استفاده می‌کنند. دام پنینگ دستگاهی برای نگه داشتن ذرات باردار با استفاده از یک میدان مغناطیسی یکنواخت محوری و یک میدان الکتریکی چهارقطبی غیریکنواخت است.

از سویی آژانس فضایی آمریکا طی چندین پژوهش، در حال بررسی این موضوع است که آیا می‌توان از میدان‌های مغناطیسی که به‌طور طبیعی در کمربند ون آلن (Van Allen) زمین و یا حتی کمربند غول‌های گازی مانند مشتری رخ می‌دهد، برای جمع‌آوری پادماده بهره گرفت و بدین ترتیب پادماده را با هزینه کمتری تولید کرد. دراین‌صورت می‌توان از این ماده برای مقاصد فضایی نیز بهره گرفت و انرژی آن‌ها را از پاد ماده به‌دست آورد.

پادماده در فضا

پادماده در فضا

فضاپیمای پادماده

فضاپیمایی که از پادماده به‌عنوان منبع انرژی خود استفاده می‌کند، فضاپیمای پاد ماده نامیده می‌شود. مزیت فضاپیمای پاد ماده این است که در آن‌ها بخش زیادی از جرم باقیمانده مخلوط ماده/پاد ماده می‌تواند به انرژی تبدیل شود و به فضاپیما این امکان را می‌دهد تا چگالی انرژی و تکانه ویژه‌ای بسیار بالاتر از فضاپیماهای دیگر داشته باشند. دانشمندان تاکنون چندین طرح نیز برای توسعه چنین فضاپیماهایی ارائه داده‌اند.

عکس پادماده

انواع فضاپیماهای پاد ماده

فضاپیماهای پاد ماده را از نظر کاربرد می‌توان به سه نوع تقسیم کرد؛ فضاپیماهایی که مستقیما از انرژی حاصل از نابودی پاد ماده برای رانش استفاده می‌کنند، فضاپیماهایی که یک سیال کارکن (Working Fluid) یا یک ماده واسطه را گرم کرده و از آن به‌عنوان نیروی پیشران بهره می‌برند و در آخر فضاپیماهایی که یک سیال کارکن یا یک ماده واسطه را به‌منظور تولید الکتریسیته برای نوعی از سامانه‌های پیشران فضاپیماهای الکتریکی گرم می‌کنند.

در همین رابطه بخوانید:

راکتورهای هسته‌ای ناسا راهی برای تولید انرژی در مریخ

مفاهیم پیشرانی که از این مکانیسم‌ها بهره می‌برند، به‌طورکلی به چهار دسته تقسیم می‌شوند؛ هسته جامد، هسته گازی، هسته پلاسما و هسته پرتو. به‌علاوه، می‌توان در فضاپیماها مقادیر بسیار کمتری از پاد ماده را به‌عنوان سوخت استفاده کرد، اما در این مورد به پیشران ماده بسیار بیشتری نیاز است. در این حالت امکان بهره‌گیری از راهکارهای ترکیبی با استفاده از پاد ماده به‌منظور کاتالیز کردن واکنش‌های شکافت/همجوشی برای تولید نیروی پیشران وجود دارد.

فضاپیماهای پادماده

حقیقت این است که کاربردهای عملی پاد ماده کماکان در حوزه علمی-تخیلی قرار دارد و درحال‌حاضر به‌جز در برخی موارد استثنایی مانند حوزه پزشکی تقریبا هیچ کاربرد عملی ندارند. بااین‌وجود دانشمندان امیدوارند در آینده و با پیشرفت علوم در این زمینه به نتایجی دست یابند و امکان بهره‌گیری از پاد ماده را در حوزه‌های مختلف چون قلمروی فضا فراهم کنند.

راستی نظر شما چیست؟ آیا فکر می‌کنید پادماده می‌تواند در آینده نزدیک سفرهای فضایی را دگرگون کند؟ نظرات خود را با ما به‌اشتراک بگذارید؛ تلاش کارشناسان اسپاش، پاسخگویی به ابهام‌ها و سوال‌های شما دراین‌باره است.

منبع britannica wikipedia wikipedia worldscientific
مطالب پیشنهادی اسپاش
guest
2 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها
سجادجون مانند الماس کمیاب
سجادجون مانند الماس کمیاب
21 روز قبل

این همه توضیح دادید و گفتید این پادماده گران ترین ماده است اما آخرش گفتید جز در موارد استثناء پزشکی فعلا جای دیگه استفاده نمی شود! و امید است که با پیشرفت علوم بشود استفاده کرد!!!!! یعنی دقیقا بعضی کاربرانی امثال من 🦓 فرض کردید؟ یعنی این همه زحمت برای هیچ! دقیقا مثل اون پروژه های هزار میلیاردی ناسا بر هیچ می پیچه!

اسپاش
ویرایشگر
21 روز قبل

سلام
بله خوب درحال‌حاضر استفاده بسیار محدودی داره و نهادهایی مثل ناسا تلاش می‌کنن بتونن با هزینه خیلی کمتر پاماده به‌دست بیارن
هدف ما با این مقاله معرفی پادماده بوده، پژوهش‌های مرتبط رو جاهای دیگه انجام میدن!