هيچ كس فراموش نمي كند چطور مريخ اينقدر مهم شد. دانشمندي دست خط هايي از يك رصدگر ايتاليايي را پيدا كرد كه در آن بحث از مجراهايي در سطح مريخ شده بود. چند وقت بعد با انتشار اين اطلاعات و ترجمه ي غلط لفظ مجاري در ايتاليايي به كانال در انگليسي مردم چه فكرها كه نكردند.
بدون دليل اين كانال ها را به جاده هايي در شهر يك تمدن مريخي نسبت دادند. سازمانهاي فضايي كشورهاي مختلف به سرعت تحت تاثير اين اوضاع شروع به ساخت سفينه هايي براي بررسي مريخ كردند.
چند سال بعد و تقريبا هم زمان با تكميل اين پروژه ها دانشمندان روشن فكر به اين اشتباه پي برده و به صورت رسمي تمام شايعات را رد كردند. اما بسيار دير بود. سفينه ها آماده براي پرتاب بودند.
ميليون ها دلار صرف آنها شده بود و قطع برنامه به معناي نابودي اين سازمان ها بود.
مديران اين پروژه به خود دلخوشي دادند كه مجاري بايد اثر حركت آب بر سطح مريخ باشد.
گذشته از اين مقدار نا چيز آب كه در مريخ پيدا شده واقعا اين موضوع چه ارتباطي به آب دارد؟
شايد نوعي مايع ديگر اين پستي و بلندي ها را ايجاد كرده بود.
و هنوز با گذشت چند دهه از آغاز اين پروژه نتيجه تنها چند باكتري و مقداري آب شيرين مي باشد.
اگر اين مقدار پول صرف ساخت و تبديل يك سياره ي گازي مانند ابتداي زمين به زمين امروزي مي شد شايد كمتر از نيمي از اين پول براي انجام تحقيقات اوليه كافي بود.
البته ناسا (سازمان فضايي آمريكا) ابتدا تحقيقات اوليه اي را در مورد سيارات منظومه ي ما انجام داد سپس شروع به كار قطعي بر روي پروژه ي عملي كرد. به همين دليل امروزه تنها سازمان باقيمانده در عرصه ي رقابت مريخ است.
ضد مواد نيز چنين تاثيري بر جهان داشتند. با بيان خواص ابتدايي و ساده اما فراي معمول آنها مردم به وجد آمدند و شايعاتي از اولين بمب ضد ماده بوجود آوردند!!!
حال آنكه همين ذراتي كه ضد ماده خوانده مي شوند براي توليد يك نوع از آنها تنها به مقدار يك گرم به دو سال درآمد ايالات متحده نياز داريم!
در اين ميان اصلا كسي فكر نكرد كه اين موضوع با مدل استاندارد نيز هم خواني ندارد. در مدل با دليل گفته شده كه مقدار ضد ماده و ماده بايد در دنيا يكسان باشد. اما به جز در برخورد پرتوهاي كيهاني با مولكولهاي ويژه هيچ ضد ماده اي به صورت طبيعي توليد نمي شود.
به معادله ي ديراك برمي گرديم:
معادله ي ديراك به هيچ وجه غلط نيست بلكه كارايي زيادي دارد اما آن ذرات ايجاد شده ضد ماده نيستند.
اين معادله توانست براي اولين بار اثبات كند كه چرا يك الكترون مي تواند هم زمان دو نوع اسپين مخالف داشته باشد.
گرچه در مورد توجيه اسپين 2/3 عاجز است اما معادله ي راريتا – اشوينگر (Rarita – Schwinger) اين مطلب را به صورت مناسبي توجيه كرد.
هم زمان با نمايش اين قدرت ها در توجيه يك سري از پديده ها ديراك نتيجه گيري اي كلي از اين فرمول كرد و نام فرض خود را تئوري چاله ناميد.
در اين فرض او بيان كرد كه طبق فرمول هاي رياضي انرژي تنها نبايد به صورت مثبت باشد بلكه انرژي ذرات گاهي مي تواند به صورت منفي زير نمودار شود.
فرض او بر اين مثال پايدار بود كه اگر الكتروني را در ميداني مغناطيسي قرار دهيم اين الكترون بعد از مدت زماني تحت تاثير انرژي مثبت زياد از خود انرژي منفي به صورت فوتون ساتع خواهد كرد.
او فرض خود را گسترش داد و گفت اگر فرض كنيم خلا از ذرات با انرژي منفي تشكيل شده باشد مي توانيم آنرا به يك درياي الكترون شباهت دهيم. (درياي ديراك).
طبق اصل طرد پاولي (Pauli exclusion principle) هر دو الكترون نمي توانند از يك مرتبه باشند و به همين دليل هر الكترون اضافي اي در اين دريا از الكترون هايي با انرژي منفي بايد داراي انرژي مثبت باشد.
انرژي مثبت نيز كه تبديل به انرژي منفي نمي شود.
ديراك پيش بيني كرد كه اگر اين دريا مطلقا پر از اين الكترون ها نباشد در آنها چاله هايي با انرژي مثبت خواهد بود كه همانند يك بار مثبت رفتار خواهند كرد.
اثبات اين مطلب هم اين قضيه بود كه تنها با وجود انرژي هاي مثبت يك جفت ذره – چاله ايجاد مي شود
بنابه همين دليل ديراك گفت كه اين چاله ها پروتون هستند.
در واقع او ترسيد كه بگويد اينها الكترون با بار مثبت هستند.
هرمن ويل (Hermann Weyl) در همان سال ها به او گوشزد كرد كه اگر چاله ها از پروتون باشند اين چاله ها بايد 1800 بار سنگين تر از الكترون هاي محيط باشند كه اين نظم دستگاه را به هم خواهد زد. بنابراين بايد جرم و مقدار باري اندازه ي الكترون داشته باشند.
امروزه اين دريا را از الكترون هاي رسانا با استفاده از يك رساناي الكتريسيته كه درياي فرمي (Fermi Sea) نام دارد توليد مي كنند. اين دريا الكترون هايي حمل مي كند كه انرژي آنها از پتانسيل شيميايي آنها بيشتر است.
بد نيست كه معادله ي ديراك را نيز در اين بحث بياوريم:
كه در آن:
m جرم باقيمانده ي الكترون
C ثابت سرعت نور
p عامل جنبشي
h ثابت كاهش يافته ي پلانك
x و t مختصات مربوطه
(x,t)ψ نيز چهار جز اصلي تابع موجي مي باشد.
همچنين α در اين معادله عامل طولي است.
طريقه ي بدست آوردن وضعيت هاي i و j از طريق ماتريس هاي 4x4 ديراك به صورت بهتري انجام مي گيرد.
حال درياي فرمي را بيشتر معرفي مي كنيم و سپس آنرا به صورت واضح تري توجيه مي كنيم.
درياي فرمي در استاتيك فرمي – ديراك اينگونه تعريف مي شود:
محيطي است كه با مقدار حداقل به Max ظرفيت خود مي رسد. اين مقدار حداقل انرژي فرمي نام دارد كه مرتبه ي انرژي زمينه را افزايش مي دهد. اين انرژي برابر است با پتانسيل شيميايي مرتبه ي زمينه ي سيستم در دماي مطلق كه اين مقدار با انرژي يك فرميون تك در مرتبه ي زمينه برابر است.
تعريف بيشتري لازم نيست. بنابراين كار خود را در توجيه بهتر اين پديده شروع مي كنيم:
بهتر است اين درياي فرمي را خود خلا در نظر بگيريم با چند تفاوت:
1) درياي فرمي خود مطلقا پر است.
2) خلا بار مشخص و تعريف شده اي ندارد اما تعريفي مناسب براي انرژي منفي را دارا مي باشد.
حال در نظر بگيريد ماده اي را به عنوان همان چاله وارد اين درياي فرمي مي كنيم. ماده مقداري از جاي خلا را مي گرد. بنابراين ذرات اين درياي فرمي شروع به دفع چاله براي بازگشت به جاي خود مي كنند.
دليل پر بودن خلا را هم اين است كه در فضا ميداني عمومي وجود ندارد كه اين كنش بين جفت ها را ايجاد كند. به همين دليل تنها مقداري از نيرو مي تواند جاي اين عامل را پر كند.
در واقع اين درياي فرمي (خلا) است كه ضد ماده مي باشد. چاله ها نيز همان ذرات بي نهايت ε هستند كه در برخورد با ذرات ماده در چاله ماده را تجزيه به ذرات بنيادين از جمله پوزيترون مي كنند.
بنابراين پيش بيني مي كنيم تمام ذرات تشكيل دهنده ي ماده بايد در فرآيند پرتوهاي كيهاني جز به جز تجزيه شود. زيرا سرعت و انرژي بالاتري در ذراتي به جز ε نداريم كه ذرات ماده را بيشتر بشكند و تجزيه كند.
اين استدلال منطقي تر است زيرا مواد كه نمي توانند داراي انرژي منفي باشند. پس درياي فرمي تنها در آزمايشات مصنوعي ما نقش توليد كننده ي نيرو را بازي مي كند و در طبيعت اين خلا است كه به ذاته عاملي به نام انرژي منفي دارد. (در مقالات قبل توضيح داده شد كه چطور خلا انرژي ندارد).
در واقع آزمايش ما يك شبيه سازي است كه در آن درياي فرمي ايجاد شده تنها يك ويژگي خلا (ضد مواد اصلي) را دارد و آن نيروي لازم براي واكنش است. كه البته منشا اين نيرو برآيند دفع خلا و ماده نيست!
اين مسئله آزمايش هاي انجام شده را نيز توجيه مي كند.
با گزاردن دو صفحه ي سربي با ميدان مغناطيسي بزرگ پرتوي كيهاني كه در واقع دنباله ي ε را تجزيه به نيروهاي اوليه ي تشكيل دهنده ي ε مي كند. از آنجاييكه در اتاق گاز موجود است اين گازها بر اثر قرارگيري تحت انرژي فرمي (دافعه ي خلا) الكترون هايشان به پوزيترون تبديل مي شود.
به همين دليل است كه در اين آزمايش ها هيچ گاه تمام ماده را نمي توان به ضد ماده تبديل كرد.
حال چرا اين ذرات شناخته شده ضد ماده نيستند؟
در واقع دلايلي تجربي داريم. دانشمندان خود مشاهده كردند كه خواص زيادي از اين ذرات همانند مواد عادي است. در صورتيكه ضد مواد بايد خواصي به طور كلي متفاوت و تقريبا مخالف را داشته باشند.
براي مثال به چندين مورد از اين تجربيات اشاره مي كنيم:
1) اخيرا دانشمندان در مركز تحقيقات اتمي سرن (CERN) – پروژه ي مشترك فرانسه و سويس – با توليد مقدار قابل توجهي از آنتي هيدروژن به 3 قابليت اين ذرات پي بردند كه دقيقا مانند هيدروژن بودند.
2) آنتي نوترينو (Anti Neutrino) خود از واكنشي موسوم به واپاشي بتا (Beta Decay) توليد مي شود. در اين فرآيند دو عامل كاملا مادي (الكترون و اتم) با هم واكنش نشان مي دهند.
3) نوترينو خود از خانواده ي فرميون ها (Fermions) و در گروه لپتون ها (Leptons) مي باشد. اسپين نوترينو ½ است و بار ندارد. آنتي نوترينو تحت نيروهاي گرانشي و ميادين مغناطيسي ضعيف حركت مي كند. در آزمايشي موسوم به نوسان نوترينو (Neutrino Oscillation) مشخص شد كه آنتي نوترينوها داراي جرم هستند. مدتي بعد با استفاده از الگوي واپاشي بتايي فرض جديدي بر مبناي يكي بودن جرم نوترينو و آنتي نوترينوها بيان شد.
4) بعد از اين سري آزمايشات حتي امكان مي رود كه نوترينو و آنتي نوترينو هر دو يك ذره ي واحد باشند زيرا هر دو بار الكتريكي ندارند. اگر اين موضوع به اثبات برسد كه هر دوي اين ذرات يكي هستند و پادي وجود ندارد وجود آنها توسط معادله ي ماجورانا (Majorana Equation) قابل اثبات خواهد بود. كه البته اگر نوترينوها دنباله روي اين معادله باشند انجام واپاشي بتايي بدون حضور نوترينوها امكان پذير است. گرچه اين مطلب هنوز اثبات نشده اما آزمايشاتي در اين مورد در حال انجام است كه يك مورد دنبالگر آنتي نوترينوهاي جرقه زننده در سيالات كاميوكا (Kamioka Liquid Scintillator Anti Neutrino Detector) مي باشد.
5) آنتي نوترون (Anti Neutron) جرمي برابر با نوترون ها دارند. اين ذرات مانند نوترون ها اصلا شبكه ي بار الكتريكي ندارند كه بار بپذيرند. آنتي نوترون بر خلاف نوترون از دو آنتي كوارك پايين و يك آنتي كوارك بالا تشكيل شده است. اين ذره در سال 1956 توسط بروس كورك (Bruce Cork) كشف شد. قدرت نيروي مغناطيسي آنتي نوترون دقيقا مخالف نوترون برابر با +1.91μN مي باشد كه μN واحد شدت مغناطيسي اتمي (Nuclear Magneton) مي باشد. فرضيه هايي نيز وجود دارد كه برخي از نوسانات را به آنتي نوترون و نوترون ها نسبت مي دهند. يكي از اين فرضيات تئوري حفظ تعداد باريون هاي بنفش (violets Baryon Number Conservation) نام دارد.
6) آنتي پروتون (Anti Proton) ذره اي پايدار است اما هنگاميكه با يك پروتون برخورد مي كند هر دو به ذراتي نا پايدار با نيمه عمر كوتاه تبديل مي شوند و سپس از خود انرژي و فرآورده هاي نابودي (Annihilated Energy & Products) مي دهند. اين ذره در سال 1955 توسط اميليو سجر (Emilio Segre) و اوون چمبرلين (Owen Chamberlain) از دانشگاه كاليفرنيا كشف شد و آنها به همين دليل جايزه ي نوبل فيزيك در سال 1959 را از آن خود كردند. تشكيل آنتي پروتون ها احتياج به انرژي بسيار زيادي در دماي 10 تريليون كلوين (13^10) دارد. اين امر به طور طبيعي رخ نمي دهد اما در سرن دانشمندان پروتون ها را بوسيله ي شتاب دهنده ها به انرژي 26 x 10^9 الكترون ولت رسانده اند. آنگاه آنها را به درون لوله اي از جنس ايريديوم مسير دادند. مشاهده شد كه پروتون هاي شتاب گرفته اتم هاي ايريديوم را شكافته و انرژي مناسب براي تشكيل ماده را ايجاد كردند. در اين فرآيند گروه هاي مختلفي از پاد ذرات تشكيل شد كه آنتي پروتون را در لوله ي خلا بوسيله ي نيروي مغناطيس جدا كردند. در ژوئن سال 2006 محققان در سرن توانستند بفهمند كه جرم آنتي پروتون دقيقا برابر يك پروتون معمولي است. پيش بيني مي شود كه از برخورد يك پروتون و يك آنتي پروتون و تجزيه ي ميان كوارك ها و آنتي كوارك ها در آن انرژي تقريبا زيادي آزاد شود.
7) آنتي الكترون يا همان پوزيترون داراي اسپين ½ و جرمي تقريبا برابر با جرم الكترون مي باشد. حتي مقدار بار آن نيز با مقدار بار الكترون برابر است. از پرتوزايي اين ذرات در واپاشي هاي راديواكتيويته و واكنش با فوتون و يك ذره ي باردار انرژي اي برابر با 1.022 x 10^6 الكترون ولت توليد مي شود. پوزيترون از گذراندن پرتوهاي كيهاني از يك اتاق گاز و دو صفحه ي سربي كه با يك ميدان مغناطيسي احاطه شده بودند بوجود آمد.
همانطور كه مي بينيد با بررسي خواص پاد ذرات فعلي تنها مي بينيم كه بار ذرات تغيير پيدا كرده و به غير از آن تفاوت عظيمي در ويژگي هاي آنها ديده نمي شود. اما همانطور كه در مقاله ي "ذرات بنيادين خلا و ضد مواد" بيان كرديم خلا تمام ويژگي هاي مناسب را در كنار خود دارد.
حال تصور مي كنم يك نماي كلي از اين ديد و ارتباط آن با پاد ذرات و معادله ي ديراك را بيان كرديم به همين دليل سخن را بيش از اين طولاني نمي كنم.
"با تشكر"
عليرضا يعقوبي
2006-11-16
Copyright © (2003 – 2006) VMR – PCR ® theory by Alireza Yaghoubi. All rights reserved!
Copyright conditions: 2006-10-21:
1) Publishing this article or a brief of that is only permitted by mentioning the name of author (Alireza Yaghoubi).
2) Any technological usage of this theory is only permitted by asking the author (Alireza Yaghoubi) personally. For more information send your request to dr_ayt@yahoo.com.
3) This theory is not completely proven. Please do not publish this article in applied physics sections.
4) Your comments and suggestions are highly appreciated and respected. Contact us and we will concern. E-mail: dr_ayt@yahoo.com. Thank you!
”The dawn of truth”
References:
- P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. A117 610 (1928)
- P.A.M. Dirac, Proc. R. Soc. A126 360 (1930)
- C.D. Anderson, Phys. Rev. 43, 491 (1933)
- R Dirac, P.A.M., Principles of Quantum Mechanics, 4th edition (Clarendon, 1982)
- Shankar, R., Principles of Quantum Mechanics, 2nd edition (Plenum, 1994)
- Bjorken, J D & Drell, S, Relativistic Quantum mechanics
- Thaller, B., The Dirac Equation, Texts and Monographs in Physics (Springer, 1992)
- Schiff, L.I., Quantum Mechanics, 3rd edition (McGraw-Hill, 1955)
- . Frisch and O. Stern, Z. Phys. 85 4 (1933)
- Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (2nd ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.
- Table of fermi energies, velocities, and temperatures for various elements.
- a discussion of fermi gases and fermi temperatures.
- The Particle Data Group who compile authoritative information on particle properties.
- Leptons from the Georgia State University is a small summary of the lepton.
- What is a Positron? (from the Frequently Asked Questions :: Center for Antimatter-Matter Studies)
- Positron information search at SLAC
- Positron Annihilation as a method of experimental physics used in materials research.
- Perl's logbook showing tau lepton discovery
- A Tale of Three Papers gives the covers of the three original papers announcing the discovery.
- Gribbon, John (2000). Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 068485578X.
- ^ Clark, John, E.O. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN 0760746168.
- ^ Veltman, Martinus (2003). Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. ISBN 981-238-149-X.
- ^ Quark experiment predicts heavier Higgs
- Brian Greene, The Elegant Universe, W.W.Norton & Company, 1999, ISBN 0-393-05858-1.
- Wikipedia, The Free Encyclopedia
