داستان کشف ِ پاد ماده

با کارهای پیشگامانه ی پل دیراک، یکی از برجسته ترین فیزیکدان های سده بیستم که صاحب کرسی لوکاسین در دانشگاه کمبریج بود، پادماده در سال ۱۹۲۸ کشف شد.

به گزارش بیگ بنگ، دیراک متولد ۱۹۰۲ بود و در هنگام برپایی انقلاب کوانتومی در سال ۱۹۲۵ دهه ی دوم عمرش را سپری می کرد. او گرچه در آن هنگام به آموختن مهندسی برق مشغول بود، ناگهان دل به جذابیت های نظریه کوانتوم سپرد. نظریه کوانتوم براساس این ایده بود که می شود ذراتی مانند الکترون ها را نه به صورتی ذراتی نقطه مانند بلکه بصورت نوعی موج بیان کرد که با معادله موج مشهور شرودینگر توصیف می شود؛ اما دیراک به وجود نقصی در معادله شرودینگرپی برد. این معادله تنها به توصیف الکترون هایی می پردازد که با سرعت پایین حرکت می کنند. در سرعت های بالاتر، این معادله درمانده می شود، زیرا از قوانین اشیای متحرک با سرعت زیاد پیروی نمی کند، یعنی از قوانین نسبیت که توسط آلبرت اینشتین فرمول بندی شد.

برای دیراک جوان، این مسئله عبارت بود از فرمول بندی دوباره معادله شرودینگر با به حساب آوردن نظریه نسبیت در آنها، در سال ۱۹۲۸ دیراک اصلاحی بنیادی بر معادله شرودینگر پیشنهاد کرد که کاملا از نظریه نسبیت اینشتین پیروی می کرد. جهان فیزیک حیرت زده شد، دیراک تنها با دست کاری موجودی از ریاضیات عالی موسوم به اسپینور ،به معادله نسبیتی مشهورش برای الکترون دست یافت. یک کنجکاوی ریاضیاتی ناگهان به محور تمام گیتی تبدیل شد. دیراک در راه توسعه ی معادلۀ تازه خود برای الکترون دریافت که معادله مشهور اینشتین “E=MC2″ خیلی هم درست نیست، معادله درست عملا عبارت است از “E=+-MC2″ اما مشکل این است که فیزیکدان ها از انرژی منفی بیزارند.

اصل موضوعی در فیزیک این است که می گوید اشیاء همواره به حالتی با کمترین انرژی تمایل دارند؛ این بدان معنا بود که تمام الکترون ها سرانجام به انرژی منفی نامتناهی فرو می غلتند، بنابراین نظریه دیراک ناپایدار از آب درامد. پس دیراک مفهوم دریای دیراک را ابداع کرد، او تصور کرد که تمام حالت های انرژی منفی از قبل پر شده اند و بنابراین الکترون نمی تواند به انرژی منفی فرو افتد و بنابراین گیتی چنین پایدار است. همچنین ممکن است که پرتوی گامایی گاهی به الکترونی نشسته در حالت انرژی منفی بخورد و آن را به حالت انرژی مثبت شوت کند. بنابراین می بینیم که پرتوی گاما به الکترون تبدیل می شود و در دریای دیراک یک چاله به وجود می آید.

این چاله مانند حبابی در خلاء عمل خواهد کرد، یعنی دارای بار مثبت و همان جرم الکترون اصلی خواهد بود؛ به عبارت دیگر چاله مانند یک پاد الکترون عمل خواهد کرد. پس در این تصویر، پادماده متشکل از حباب هایی در دریای دیراک است. چند سال پس از اینکه دیراک پیش بینی خیره کننده خود را بیان کرد، کارل اندرسن عملا پاد الکترون را کشف کرد و دیراک در ۱۹۳۳ جایزه نوبل را برد. به بیان دیگر پادماده به این دلیل وجود دارد که معادله دیراک دو جواب دارد، یکی برای ماده و یکی برای پادماده.(و این به نوبه ی خود پیامد نسبیت خاص است) امروز معادله مشهور دیراک در کلیسای وست مینستر ابی، نه چندان دور از مزار آیزاک نیوتون، بر سنگ مزار دیراک حک شده است.

نویسنده: میلاد اسکندر دوست/ سایت علمی بیگ بنگ

برگرفته شده از کتاب فیزیک ناممکن ها به نوشته میچیو کاکو