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

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

مفهوم پادماده چیست؟

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.

درباره جهان موازی چه می‌دانید؟ مقاله ما درباره این موضوع شگفت‌انگیز و چالش‌برانگیز را نیز بخوانید؛ ما در این مقاله جهان‌های موازی را به صورت علمی مورد بررسی قرار داده‌ایم.

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 پادماده یا ضدماده (ویژگی‌های الکتریکی)

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.

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.

در همین رابطه بخوانید: واکنش یکسان ماده و پادماده به گرانش شگفتی دانشمندان را برانگیخت

کاربرد پادماده چیست؟

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.

عکس پادماده

در تصویر زیر تجهیزات مربوط به آزمایش‌ها روی پادماده یا ضدماده را در سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (CERN) سوئیس مشاهده می‌کنید.

خرید پادماده

دانشمندان ادعا می‌کنند که پادماده قیمت بسیار بالایی دارد و 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.

قیمت پادماده

همچنین برای قیمت پادماده 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.

در همین رابطه بخوانید: چگونه می‌توان به فضایی‌ها آدرس زمین را داد؟

پاد ماده 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 پاد ماده‌های 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.

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 پاد ماده 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.

پاد ماده 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.

در همین رابطه بخوانید: آیا سفر با سرعتی بیش از سرعت نور در یک فضاپیما امکان‌پذیر است؟

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.

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.

پادماده و ماده تاریک

در مورد پادماده به تفصیل گفته شد، اما ماده تاریک ماده‌ای است که برهمکنش الکترومغناطیسی ندارد و بنابراین با استفاده از نور نمی توان آن را دید. بنابر اظهارات دانشمندان، هر چیزی که در اطرافمان مشاهده می‌کنیم، تمام آنچه در سیاره زمین وجود دارد تا کهکشان‌های بسیار دور، همه و همه تنها ۵ درصد از کل جهان هستی را تشکیل می‌دهند و بقیه جهان را انرژی تاریک و یا ماده تاریک فراگرفته است.

دانلود تماشایی و آموزنده «مستند ماده و انرژی تاریک از کجا آمده‌اند» همراه با زیرنویس فارسی از لینک زیر:

لینک دانلود مستند

در ادامه نکاتی جالب درباره پادماده یا ضدماده را به صورت سوال و جواب بیان می‌کنیم.

آیا سیاهچاله می‌تواند پاد ماده را نابود کند؟ حتی اگر قرار باشد ماده و پاد ماده در جایی نزدیک یا داخل سیاهچاله نابود شوند، فوتون‌های حاصله باعث ایجاد انحنا در فضازمان نمی‌شوند، زیرا تمام واکنش‌های فیزیکی ذرات انرژی و تکانه را حفظ می‌کنند. چنین امری به این موضوع مربوط می‌شود که یک سیاهچاله چگونه می‌تواند از چیزی جز تشعشع تشکیل شود.

پاد ماده را برای چه مدت زمان می‌توان نگهداری کرد؟ در سال ۲۰۱۱ دانشمندان سرن توانستند آنتی هیدروژن را برای تقریبا ۱۷ دقیقه حفظ کنند. رکورد ذخیره پادذرات در حال حاضر مربوط به آزمایشی موسوم به TRAP در سرن است که طی آن آنتی پروتون‌ها به مدت ۴۰۵ روز در محفظه‌ای مخصوص نگهداری شدند.

یک کیلوگرم ضدماده چه کاری می‌تواند انجام دهد؟ اگر یک کیلوگرم پادماده با یک کیلوگرم ماده تماس پیدا کند، انفجار حاصل معادل ۴۳ مگاتن تی‌ان‌تی خواهد بود که تقریبا ۳ هزار برابر قوی‌تر از انفجار بمب اتم در شهر هیروشیمای ژاپن است.

آیا پادماده را می‌توان به عنوان سوخت مناسبی در نظر گرفت؟ وقتی پادماده با ماده برخورد می‌کند، انفجاری رخ می‌دهد و این دو ذره به انرژی خالص تبدیل می‌شوند. دانشمندان پادماده را به عنوان یک سوخت کامل در نظر می‌گیرند، زیرا تمام جرم غالب که در برخورد میان ماده و پادماده حضور دارد، به انرژی بدل می‌گردد.

پاد ماده چه شکلی است و چگونه به نظر می‌رسد؟ فیزیکدانان طی آزمایش‌هایی دریافته‌اند پاداتم‌ها دقیقا شبیه اتم‌ها هستند.

آیا رعد و برق پادماده ایجاد می‌کند؟ محققان دریافته‌اند صاعقه باعث واکنش‌های فوتوهسته‌ای در جو شده که موجب به وجود آوردن پاد ماده می‌شود.

آیا ضد ماده در بدن انسان وجود دارد؟ این مواد در مولکول‌های بدن شما ادغام شده، در نهایت تجزیه می‌شوند و در بدن شما تشعشع تولید می‌کنند. هنگامی که ایزوتوپ پتاسیم-۴۰ تجزیه گردد یک پوزیترون آزاد می‌کند، بنابراین شما نیز حاوی مقدار کمی پادماده هستید. بدن انسان به طور متوسط روزانه بیش از ۴ هزار پوزیترون تولید می‌کند که حدود ۱۸۰ پوزیترون در ساعت است.

در همین رابطه بخوانید: پرتویی رکوردشکن از ماده و پادماده در فضا شناسایی شد

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.

نظر شما چیست؟ آیا فکر می‌کنید پاد ماده 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.