ح1:المادة المضادة Antimatter

facebook-group

تمتاز هذه الايام بأننا نكتسب فيها المعرفة بشكل اكبر بكثير من أي عهد مضى.

اصبح بإمكاننا في هذه الايام ان نفهم ونعي احد اهم واعقد الاشياء ضمن هذا العالم, ومع ذلك لا يزال يستعصي علينا الحصول على اجابة للعديد من الاسئلة البسيطة الاخرى.

تطرح البحوث المتطورة حول المادة المضادة العديد من الاسئلة التي سوف نحاول الاجابة عليها…مثل : لماذا هنالك نقص كبير وحاد وواضح في وجود المادة المضادة ضمن الكون في حين تقودنا الفيزياء الحديثة إلى نتيجة تقول بأنه يجب ان يتواجد كمية متساوية من المادةmatter  والمادة المضادة antimatter في الكون…؟

حسنا الان , يتسائل القارئ لهذه المقالة , ماهي المادة المضادةantimatter , وماهي المادةmatter ؟ هذا ما سنجيب عليه ضمن المقاطع القليلة القادمة وذلك عبر شكل مبسط ومختصر.

 مضادات الجزئيات Antiparticles

antiparticle

Particle – Antiparticle

يبدو لنا بأن كل جزئية ضمن الكون تملك جزئية اخرى تمثل شريك لها partner particle وتدعى ب ” الجزيئة المضادة ” antiparticle , وتتشارك معها بعدد كبير من نفس الخصائص, ولكن هنالك عدد من الخصائص الاخرى التي تكون مضادة ومعاكسة لتلك الموجودة في الجزيئة.

إن الامور الموجودة حولنا تبدو لنا وكأنها “مادة” matter, ولكننا وبشكل روتيني تنتج المادة المضادة بكميات صغيرة جدا وذلك ضمن تجارب المسرعات عالية الطاقةhigh energy accelerator experiments .

عندما تتقابل جزيئة من المادة matter particle  مع الجزيئة المادة المضادة لها antimatter particle  عندها يدمر كل منهما الاخر بشكل كامل (بعبارات تقنية تسمى هذه العملية “الابادة” annihilation), محررين بذلك المكافئ لكتلة كل منهما المتبقية على شكل طاقة صرفة(وذلك تبعا لعلاقة اينشتاين  E=mc^2).

emc2

على سبيل المثال, عندما يلتقي الكترون بالالكترون المضاد له antielectron, فعدها يفنى كل منهما وينتجان شعلة من الضوء بما يكافئ الطاقة العائدة لكتلة كل من الجزيئن.

Electron - positron

Electron – positron

بما ان خصائص المادة والمادة المضادة موازية لبعضهما البعض, فنحن نعتقد بأن فيزياء وكيمياء المجرة مصنوعة بشكل كامل من المادة المضادة بشكل موازي للمادة mater الموجود في الكون.

اذن , فإنه من المتصور بأن حياة ضمن هذا الكون قد بنيت وتطورت على اساس المادة المضادة وذلك في اماكن اخرى من الكون, تماما كما تطورت الحياة التي تعتمد على المادة matter هنا.

(لكن في حال ظهر توأمك المكون من المادة المضادة antimatter twin في يوم من الايام, فأنا لا انصحك عندها بمصافحة الايدي – تذكر بأن المادة matter والمادة المضادة antimatter  يفني بعضهما البعض! 🙂 )

على كل حال, لا يوجد لحد الآن دليل على تواجد تجمعات كبيرة للمادة المضادة في مكان ما ضمن الكون.

كل شيء شاهدناه لحد الآن عبارة عن مادة matter. في حال كان ذلك صحيحا, عندها فنحن نواجه شيء من الغموض, لأن هنالك اسباب قادمة من الفيزياء الاساسية تجعلنا نعتقد بأن الكون يجب ان يكون قد انتج من المادة المضادة antimatter  كميات مكافئة لتلك المنتجة من المادة matter.

  عدم التناظر asymmetry

Asymmetry

إن يعتقد بأن الانفجار الاعظم big bang قد انشأ كميات مساوية من المادة والمادة المضادة matter and antimatter وذلك ضمن البدايات الاولى للكون.

ولكن في هذه الايام , كل شيء نراه ابتداءا من اشكال الحياة الصغرى على الارض, إلى اكبر التجمعات النجمية , فإنها كلها مصنوعة بشكل كامل من المادة matter.

وبشكل عام ومقارنة بالمادةmatter , فإنه لا يوجد الكثير من المادة المضادة antimatter التي تم ايجادها.

يجب ان يتحرك شيء ما ليرحج كفة الميزان!!

60secs_violation

احد اهم واعظم التحديات ضمن الفيزياء تكمن في محاولة معرفة الامر الذي حدث للمادة المضادة, ولماذا نشاهد حالة من عدم التناظر بين المادة والمادة المضادة من حيث التواجد.

 تشارك جزيئات المادة المضادة antimatter particles نفس الكتلة كتلك لنظرائهم من جزيئات المادة matter, ولكن الخصائص – مثل الشحنة الالكترونية electric charge – تكون معاكسة.

على سبيل المثال: إن البوزترون المشحون بشحنة ايجابية positron,, عبارة عن الجزيئة المضادة antiparticle للالكترون المشحون بشحنة سالبية electron.

إن جزيئات كل من المادة matter والمادة المضادة antimatter تنتج على شكل ازواج pair , وفي حال تواصلت مع بعضها البعض يفني كل منها الاخر, وتترك خلفها طاقة صرفةpure energy .

positron1

خلال الاجزاء القليلة من الثانية التي تلت الانفجار الاعظمbig bang , كان الكون الساخن والكثيف يطن ويأز عبر ازواج من (الجزيئاتparticle  – مضادات الجزيئاتantiparticle ) التي كانت تظهر للوجود او تخرج منه.

 في حال كان كل من المادة matter  والمادة المضادة antimatter قد تم إنشائهما وتدميرهما مع بعضهما البعض, عندها وبحسب هذا التحليل فإنه يتوجب ان يحوي الكون “لا شيء” سوى تلك الطاقة المتبقية التي نتجت عن تدميرهما.

مع ذلك, فإن جزء صغير من المادة matter – حوالي جزيئة من المليون – استطاع ان يتجو. وهذا ما نراه اليوم.

 خلال العقود المنصرمة الماضية, ومن خلال التجارب التي تمت في مجال فيزياء الجزيئات particle-physics بأن قوانين الطبيعة لا تنطبق بشكل متساوي على المادة matter والمادة المضادةantimatter . و العلماء الفيزيائيون حريصون على معرفة الاسباب.

لاحظ الباحثون تفاعلات عفوية بين الجزيئات particles والجزيئات المضادة لها antiparticles, تحدث بمعدل مليون مرة في الثانية قبل ان تضمحل.

إن تدخل مجموعة من الكينونات الغير معروفة unknown entity ضمن هذه العملية – وذلك في الايام الاولى من الكون – قد تكون قد سببت اضمحلال هذه الجزيئات المتذبذبة , وقد سببت اضمحلال المادة المضادة بشكل اكبر من اضمحلال المادة.

 لنتخيل الآن كيف يمكن ان يتم الموضوع : تخيل عملة تدور على الطاولة.قد تستقر على وجه الكتابة , او قد تستقر على وجه النقش, ولكن لا تستطيع ان تحدد على أي وجه سوف تستقر (الكتابة او النقش) مالم تتوقف العملة عن الدوران وتسقط على احد الجانبين.PS_0503W_FLIP_COIN

 تملك العملة فرصة تعادل في علم الاحتمالات  50-50 لكل وجه من الوجهين, اذن في حال تم تدوير عدد من العملات بطريقة مشابهة تماما, فإنه من المحتمل بان تستقر نصف العملات على احد الوجهين(مثلا النقش) , والنص الاخر من العملات على الوجه الاخر(مثلا الكتابة).

بطريقة مشابهه, فإن نصف الجسيمات المتذبذبة ضمن اللحظات الاولى من الكون يجب ان تكون قد تلاشت بشكل متساوي , نصفها من المادة matter , والنصف الاخر من المادة المضادة antimatter .

 على كل الاحوال, في حال تواجد هنالك نوع خاص من الاحجار قد تدحرج عبر مجموعة من العملات الدوارة , وسبب استقرار كل عملة من العملات التي اصطدم بها لان تقع على وجهها مثلا, فإن مثل هذا الحدث قد يخّرب النظام كله. عندها سنحصل على عملات مستقرة على “الوجه” اكثر من العملات المستقرة على “النقش”.

بطريقة مشابهه, فإن بعض الميكانيكيات المشابهة قد تكون قد تدخلت ضمن مجموعة الجزيئات المتذبذبة وسببت اضمحلال جزء كبير منهم.

قد يجد الفيزيائيين بعض التنويهات التي تساعد فهم الالية التي تمت فيها هذه العملية, وذلك عبر دراسة الفروقات الدقيقة ضمن سلوك جزيئات المادة matter والمادة المضادة antimatter التي تم توليدها عبر التصادمات عالية الطاقة للبروتونات وذلك ضمن مصادم الكبير للهدرونات Large Hadron Collider LHC.

إن دراسة هذا الخلل وعدم التوازن بين تواجد المادة والمادة المضادة قد يساعد العلماء في رسم صورة اوضح للطريقة التي تم ملأ العالم فيها بالمادة.

 المادة المضادة ضمن المركز الاوربي للبحوث النووية CERN

CERN

CERN

تم توليد اول ذرة مضادة للهدروجين antihydrogen ( وهي عبارة عن نظيرالمادة المضادة لابسط ذرة هدروجين) في مركز CERN عام 1995.

إن ذرة “المادة المضادة للهدروجينantihydrogen ” تتالف من ” مادة مضادة للبروتونantiproton ” و بوزترون positron (عبارة عن مادة مضادة للالكترون antielectron) مما يجعلها ابسط مادة مضادة لذرة antiatom.

لسوء الحظ, هذا التبسيط لا يجعل عملية انجاز هذه العملية ضمن المخبر بالعمل السهل.  كانت العمل على ذلك بمثابة مهمة صعبة وشاقة بالنسبة لكل من الفيزيائيين ولفريق العمل ضمن CERN’s Low Energy Antiproton Ring (LEAR) – وهو المكان الذي تم فيه اكتشاف “المادة المضادة للهدروجين”.

antihydrogen

Antihydrogen – Hydrogen

سمح الباحثون لل “المواد المضادة للبروتوناتantiprotons ” التي تدور ضمن LEAR بالتصادم مع ذرات من المواد الثقيلة. تستطيع أي من “المواد المضادة للبروتوناتantiprotons ” التي تمر بشكل قريب كفاية من النوى الذرية الثقيلة ان تنشأ زوج من(الكترون- بروتون), وذلك خلال فاصل زمني صغير جدا, وقد تتحد المادة المضادة للبروتونantiproton  مع البوزترون positron لتشكل ذرة “مادة مضادة للهدروجين antihydrogen”.

على كل الاحوال, ان هذا الوجود العابر ل “مضادات الذراتantiatoms” يعني بأنه لا يمكن استخدامها لمزيد من الدراسات.lhc

كل واحدة منها تبقى فقط ل 40 بليون جزء من الثانية, وتنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء خلال مسار طوله 10 امتار قبل ان تفنى مع المادة العادية matter .

CERN_LHC_tunnelعام 2011 , نحجت ALPHA – منظمة تعاون دولي تدير حاليا التجارب في CERN’s Antiproton Decelerator facility – في حبس ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen atoms لمدة 1000 ثانية.وذلك عبر مقارانات دقيقة بين الهدروجين hydrogen  و المادة المضادة للهدروجين antihydrogen, كما ان هنالك العديد من المجموعات لتي تقوم بالتجارب والتي تأمل ان تدرس خصائص المادة المضادة للهدروجين antihydrogen لترى فيما اذا كانت تملك نفس خطوط الطيف للهدروجين.

احد هذه المجموعات هي AEGIS, والتي تحاول ايضا ان تقيس ثابت تسارع الجاذبية كما تستشعره ذرات المادة المضادة للهدروجين antihydrogen.

 قصة المادة المضادة The story of antimatter

 خلال سنين قامت المنظمة الاوربية للبحوث النووية CERN باستضافة العديد من التجارب على مستوى العالم فيما يخص المادة المضادة.

ومن خلال تتبع هذه البحوث منذ الملاحظات الاولى , وحتى احدث الاكتشافات نجد الجدول التالي ادناه:

30 / 06 / 1905

قام انشتاين بنشر نظريته حول النسبية الخاصة

07 / 04 / 1912

قام فيكتور هيس باكتشاف الاشعة الكونية

Victor Hess

27 / 01 / 1926

وضع كل من اروين شرودنغر و فرنر هايسنبيرغ نظرية الكم

Erwin Schrödinger and Werner Heisenberg

02 / 01 / 1928

تنبأت معادلة دريك بمضادات الجزيئات

Dirac’s equation

09 / 09 / 1932

اكتشف كارل اندرسون البوزترون

Carl Anderson

02 / 02 / 1934

براءات اختراع ارنست لورنس حول السيكلوترون(المسرع الدوراني)

Ernest Lawrence patents the cyclotron

01 / 04 / 1954

The Bevatron starts up at Berkeley, California

01 / 11 / 1955

اكتشف بيفاترون المادة المضادة للبروتون

The Bevatron discovers the antiproton

03 / 10 / 1956

اكتشف بيفاترون المادة المضادة للنترون

The Bevatron discovers the antineutron

27 / 07 / 1964

اكتشف كل من كرونين وفيتش الفوارق بين المادة والمادة المضادة

Cronin and Fitch detect a difference between matter and antimatter

01 / 09 / 1965

الملاحظات الاولى حول المادة المضادة للنواة

First observations of antinuclei

18 / 08 / 1978

اول مخزن للمادة المضادة للنوى

First storage of antiprotons

04 / 04 / 1981

اولى التصادمات بين البروتون و المادة المضادة للبروتون

First proton-antiproton collisions

15 / 09 / 1995

First antiatoms produced: antihydrogen, at CERN

07 / 02 / 1997

Antiproton Decelerator approved

18 / 09 / 2002

ATHENA and ATRAP create “cold” antimatter

05 / 06 / 2011

ALPHA traps antimatter atoms for 1000 seconds

28 / 07 / 2011

ASACUSA weighs antimatter to one part in a billion

المراجع :

  1. http://greg-test3.web.cern.ch/about/physics/search-antimatter
  2. http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/antimatter.html
  3.  http://www.cem.msu.edu/~cem181fp/antimatter/antimatter.html
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Antimatter

وإلى لقاء اخر نستعرض فيه موضوعات مشابهه, وإلى ذلك الحين استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته

Advertisements

, , ,

  1. أضف تعليق

اترك رد

Please log in using one of these methods to post your comment:

WordPress.com Logo

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   / تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   / تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   / تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   / تغيير )

Connecting to %s

%d مدونون معجبون بهذه: