ضد ماده چیست؟ + رازهای گران قیمت ترین ماده جهان

آنتی‌ماده (ضد ماده) شبیه ماده است، اما بار الکتریکی آن عکس ماده رفتار می‌کند. برای مثال، الکترون که دارای بار منفی است، یک همتای آنتی‌ماده‌ای به نام پوزیترون دارد. پوزیترون ذره‌ای با همان جرم الکترون اما با بار مثبت است.

ذرات بدون بار الکتریکی، مثل نوترون‌ها، معمولاً ضد ماده‌ خودشان هستند. با این حال، دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که نوترینوها، ذرات کوچک و مرموز خنثی، همتای ضد ماده‌ای خودشان باشند. اگرچه ضد ماده ممکن است به نظر غیرواقعی یا عجیب برسد، اما وجود دارد. ضد ماده همراه با ماده پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) ایجاد شد. با این حال، در جهان امروز ضد ماده نادر است و دانشمندان هنوز دلیل کم‌یاب بودنشان را نمی‌دانند.

انسان‌ها توانسته‌اند ذرات ضد ماده را با استفاده از برخوردهای بسیار پرسرعت در شتاب‌دهنده‌های عظیم ذرات تولید کنند، مانند شتاب‌دهنده بزرگ هادرون که خارج از ژنو قرار دارد و توسط سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (CERN) اداره می‌شود. چندین آزمایش در CERN توانسته‌اند آنتی‌هیدروژن، همتای ضد ماده‌ای عنصر هیدروژن، را تولید کنند. پیچیده‌ترین عنصر ضد ماده‌ای که تاکنون ساخته شده، آنتی‌هلیوم است که همتای هلیوم به حساب می‌آید.

علاوه بر این، ذرات ضد ماده به‌طور طبیعی در برخی نقاط جهان تولید می‌شوند، اما وقتی ماده و ضد ماده با هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود کرده و انرژی آزاد می‌گردد. به همین دلیل، ضد ماده در جهان ما که ماده بر آن مسلط است، پایدار نمی‌ماند. به بیانی دیگر، ضد ماده بلافاصله پس از تولید ناپدید می‌شود، بنابراین ذخیره و مطالعه آن بسیار گران‌قیمت و دشوار است.

ضد ماده در بیگ بنگ

ضد ماده همچنین یکی از کلیدهای اصلی راز وجود خود جهان است. در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ، تنها انرژی وجود داشت. با سرد شدن و گسترش جهان، ذرات ماده و ضد ماده تولید شدند. دانشمندان ویژگی‌های ذرات و ضد ذرات را با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کرده‌ و دریافته‌اند که هر دو به یک شکل رفتار می‌کنند. بنابراین، اگر مقدار ماده و ضد ماده در آغاز یکسان بوده و رفتار مشابهی داشتند، همه آن‌ها باید در برخورد با هم نابود می‌شدند و چیزی باقی نمی‌ماند.

این‌که چرا ماده توانست بر ضد ماده غلبه کند، هنوز یکی از بزرگ‌ترین رازهای کیهان به شمار می‌رود.

یک نظریه می‌گوید که در آغاز جهان، مقدار ماده کمی بیشتر از ضد ماده تولید شد، بنابراین حتی پس از نابودی متقابل، مقدار کافی ماده باقی ماند تا ستارگان، کهکشان‌ها و در نهایت همه چیز روی زمین شکل بگیرد. این اختلاف بسیار کوچک بوده، طبق گزارش Space.com، کمتر از ۱ ذره در هر یک میلیارد ذره معمولی توانسته زنده بماند و تمام ماده‌ای را که امروز اطراف ماست، تشکیل دهد.

اگر نوترینو، ذره‌ای کوچک و مرموز که تقریباً با دیگر ذرات واکنشی ندارد، واقعاً ضد ماده‌ خود باشد، ممکن است این معما را حل کند. در این نظریه، در لحظات آغازین جهان، بخش کوچکی از نوترینوها می‌توانستند از حالت ضد ماده به ماده منتقل شده و احتمالاً موجب ایجاد یک عدم توازن کوچک در ماده شوند. محققان در آزمایش‌ها تلاش کرده‌اند تعیین کنند که آیا نوترینو ضد ماده‌ خود به حساب می‌آید یا نه، اما تاکنون نتایج قطعی به دست نیامده است.

ارزش ضد ماده

سال گذشته اعلام شد که این ماده با قیمت حیرت‌آور ۶۲ تریلیون دلار به ازای هر گرم، گران‌ترین ماده روی کره زمین است. اما حتی اگر پولش هم در اختیار باشد، ممکن است هیچ‌کجای جهان حتی یک گرم از این ماده پیدا نشود. برخلاف جواهرات یا فلزات گران‌بها، نمی‌توانید این ماده فوق‌العاده نادر را از دل زمین استخراج کنید.

در عوض، این ماده عجیب باید اتم به اتم ساخته شود، فرایندی که ممکن است یک میلیارد سال طول بکشد تا یک دهم گرم از آن جمع‌آوری گردد.

در سال ۱۹۹۹، هارولد گریش، دانشمند ناسا، تخمین زد که قیمت ضد ماده معادل ۶۲.۵ تریلیون دلار یا یک و هفتصد هزار تریلیون دلار به ازای هر اونس، بر اساس انرژی مورد نیاز و ظرفیت تولید تخمینی، قیمت دارد. با وجود اینکه گریش پیش‌بینی کرده بود که قیمت ضد ماده در نهایت کاهش خواهد یافت، اما با در نظر گرفتن چالش‌های مهندسی موجود، ممکن است قیمت واقعی این ماده حتی بیشتر از این مقدار باشد. پروفسور مایکل دوسر، فیزیکدان ذرات در مرکز پژوهش‌های هسته‌ای اروپا (سرن)، در مصاحبه‌ای با خبرگزاری ای‌بی‌سی می‌گوید:

ما مقادیر ناچیزی از ضد ماده را تولید می‌کنیم که حتی اگر تمام ضد ماده‌ای که در طول یک سال تولید می‌شود را نابود کنیم، باز هم به اندازه‌ای نخواهد بود که حتی یک فنجان چای را به نقطه جوش بیاورد… هر یک صدم نانوگرم ضد ماده به اندازه یک کیلوگرم طلا قیمت دارد.

این باعث می‌شود که قیمت یک گرم ضد ماده تقریباً معادل ۵.۲۴ میلیون میلیارد دلار یا ۴.۱۶ میلیون میلیارد پوند باشد. ضد ماده جدید، به طور مداوم در اطراف ما و حتی در داخل بدن خودمان در حال تولید است.

زمانی که مواد رادیواکتیو مانند پتاسیم تجزیه می‌شوند، یک الکترون و یک پاد الکترون (پوزیترون) تولید می‌کنند. این مسئله بدین معنی است که یک موز، که به‌طور خاص غنی از پتاسیم رادیو اکتیو است، تقریباً هر ساعت یک پاد ذره بوجود می‌آورد.

با این حال، چون این ذرات به‌سرعت توسط ماده اطراف خود نابود می‌شوند، برای دانشمندانی که می‌خواهند آن‌ها را مطالعه کنند، کاربردی ندارد. برای تولید ضد ماده به‌ مقدار لازم، باید انرژی زیادی را در یک نقطه متمرکز کنید تا آن‌قدر انرژی جمع شود که ضد ماده به‌صورت واقعی به وجود آید.

در سرن، دانشمندان از شتاب‌دهنده‌های ذرات عظیم برای سرعت بخشیدن به جریانی از پروتون‌ها، که ذرات باردار مثبت هستند، استفاده می‌کنند و آن‌ها را به بلوک‌ایریدیوم می‌زنند. تقریباً در هر یک میلیون برخورد، مقادیر زیادی انرژی در یک ذره ماده متمرکز شده و یک همتای ضد ماده به همراه آن به وجود می‌آید.

این ذرات سپس با دقت از طریق دستگاهی به نام کاهنده آنتی‌پروتون منتقل می‌شوند. این دستگاه، از آهنرباهای قوی برای متمرکز کردن ضد ماده به جریانی بهره می‌برد که با یک دهم سرعت نور حرکت می‌کند.

با این حال، این فرآیند، مقادیر زیادی از انرژی را مصرف می‌کند. شتاب‌دهنده‌های ذرات در مرکز تحقیقاتی سرن حدود ۹۰ درصد از انرژی سالانه این مرکز را که معادل ۱,۲۵۰ گیگاوات است، به کار می‌گیرند.

به منظور مقایسه و درک بهتر، گفته می‌شود که لندن تنها ۳۷,۸۰۰ گیگاوات انرژی در سال مصرف می‌کند. به علاوه، این فرآیند تنها مقادیر بسیار کمی ضد ماده تولید می‌کند، به‌طوری‌که سرن تنها نانوگرم‌هایی از این ماده را در سال می‌سازد و همین امر باعث می‌شود تا ضد ماده از نظر وزنی بسیار گران باشد. اما تولید ضد ماده پایان این مشکل نیست، چرا که ضد ماده در صورت تماس با یک ماده معمولی از بین می‌رود.

برای جلوگیری از نابودی ضد مادهِ تازه تولید شده، باید آن را با استفاده از آهنرباهای بسیار سرد و با دمای پایین، در داخل خلأ کامل به‌طور دقیق نگهداری کنند. رکورد فعلی برای نگهداری ضد ماده، ۴۰۵ روز برای ذرات تک و تنها ۱۷ دقیقه برای اتم‌های ضد ماده کامل است. محققان سرن در حال آزمایش روشی برای استفاده از این ظرف‌های مغناطیسی به‌منظور حمل ضد ماده خارج از آزمایشگاه هستند و قصد دارند آن را در یک ون به مراکز تحقیقاتی مختلف منتقل کنند.

با این حال، یکی از آزمایش‌های اخیر، تنها در جابه‌جایی ۷۰ پروتون ماده معمولی موفق بوده است که حتی به اندازه یک نانوگرم هم نمی‌شود. با توجه به تمام این دشواری‌ها، ممکن است از خود بپرسید چرا دانشمندان همچنان به تولید چنین ماده‌ای که هم گران و هم ناپایدار است، ادامه می‌دهند؟

در پاسخ باید بگوییم که، کشف رمز و رازهای ضد ماده به ما کمک می‌کند تا دریابیم چرا جهان به شکلی که اکنون می‌بینیم، شکل گرفته است. همانطور که پیشتر نیز اشاره کردیم، دانشمندان معتقد بودند که در ابتدای خلقت جهان هم ماده و هم ضد ماده در مقادیر عظیمی ایجاد شده‌اند، به‌طوری که یکدیگر را از بین می‌بردند تا تنها ماده باقی‌مانده برای ساختن جهان موجود باشد.

اما اگر ماده و ضد ماده در مقادیر برابر ایجاد شده باشند، پس منطقی نیست که ماده‌ای باقی بماند. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که ممکن است تفاوت‌های ظریفی بین ماده و ضد ماده وجود داشته باشد که باعث می‌شود این دو کاملاً مشابه نباشند. یا اگر دانشمندان تفاوتی پیدا نکنند، ممکن است ما تنها در بخشی از جهان زندگی کنیم که پر از ماده است، در حالی که مناطق کامل ضد ماده در جایی پنهان و خارج از دید ما قرار دارند.