آیا بدن ما از فضای خالی تشکیل شده است؟!

بدن ما در سطوح بسیار کوچک و بنیادین، یک جهان مینیاتوری از ساختارهاست که از ارگان‌های مختلفی تشکیل شده و خود این ارگان‌ها هم از سلول‌ها ساخته شده‌اند. سلول‌ها نیز شامل اجزایی هستند که از مولکول‌ها تشکیل شده‌اند و خود مولکول‌ها زنجیره‌ای از اتم‌های منفردِ متصل به هم هستند. اتم‌ها ابعاد بسیار کوچکی دارند که معادل تنها ۱ آنگستروم (۰.۱ نانومتر) می‌شود، اما آن‌ها خودشان از عناصر حتی کوچکتری تشکیل شده‌اند؛ یعنی پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها.

اندازه پروتون‌ها و نوترون‌ها که هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند چیزی حدود ۱ فمتومتر است که ۱۰۰ هزار برابر کوچکتر از آنگستروم است. اما اندازه الکترون‌ها کمی متفاوت بوده و بیشتر از یک ده هزارم اندازه پروتون‌ها و نوترون‌ها نیست. حال سوال اینجاست که آیا این ابعاد و اندازه‌ها به معنای آن است که اتم‌ها و هر چیزی که از آن‌ها ساخته شده‌اند، عمدتا فضای خالی هستند؟ جواب این سوال منفی است که در ادامه به آن می‌پردازیم.

ما در زندگی روزمره اگر بخواهیم اندازه چیزی را بدانیم، به‌راحتی آن را اندازه‌گیری می‌کنیم. در دنیای غیر کوانتومی، اندازه‌گیری اشیا مشکلی ندارد و روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارند که همگی جواب یکسانی به شما می‌دهند. این روش‌ها شامل استفاده از یک خط‌کش ساده، تصویربرداری با کیفیت بالا و تکنیک‌های مبتنی بر علم فیزیک مانند اندازه‌گیری حرکت براونی یا گرانشی می‌شوند.

اما برای کوچکترین چیزها، مانند یک اتم، این تکنیک‌ها دیگر کارساز نیست. اولین تلاش برای بررسی ساختار داخل اتم‌ها مدت کوتاهی بعد از کشف رادیواکتیویته انجام گرفت که کار بسیار مبتکرانه‌ای بود. ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) با شلیک ذرات ساطع‌شده از مواد رادیواکتیو به یک صفحه نازک از اتم‌ها تلاش کرد تا بداند اتم‌ها چه ساختاری دارند. یافته‌های او همه دنیا را شوکه کرد.

در آزمایش او، ذرات سریع به سمت یک لایه بسیار باریک از فویل شلیک شدند. این فویل بقدری نازک بود که در صورت لمس آن با دست کاملا فرو می‌پاشید. اکثر ذرات شلیک‌شده، از داخل فویل عبور کردند، اما تعداد کمی از آن‌ها منحرف شدند و حتی تعدادی در جهت عکس به عقب برگشتند. خود رادرفورد، ۱۵ سال بعد از این آزمایش، درباره آن می‌گوید: این باورنکردنی‌ترین اتفاقی بود که برای من در تمام زندگی‌ام افتاد؛ به‌قدری باورنکردنی که انگار شما یک گلوله ۱۵ اینچی به سمت یک سطح کاغذی شلیک کنید و بعد از برخورد با آن، به سمت عقب برگردد و به شما بخورد.

این نوع تکنیک اندازه‌گیری ابعاد ذرات، به روش پراکندگی ناکشسان ژرف (Deep inelastic scattering) معروف است و امروزه از آن برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بنیادینِ داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها استفاده می‌شود. این تکنیک، از زمان رادرفورد تا الان یک روش بسیار مهم برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بنیادین بوده است.

زمانی که اتم‌ها و هسته‌های آن با ذراتی پرسرعتی نزدیک به سرعت نور بمباران می‌شوند، انٰرژی بسیار بالایی ایجاد می‌شود که بسیار بیش از آن‌چیزی است که اتم‌ها در حالت عادی تجربه می‌کنند. ما در جهانی با انرژی پایین زندگی می‌کنیم، جایی که انرژی اتم‌های بدن ما و برخوردهایی که میان ذرات مختلف اتفاق می‌افتد، کمتر از ۱ میلیاردم انرژی‌ای است که در داخل برخورددهنده هادرونی بزرگ ایجاد می‌شود.

ما در جهان کوانتومی معمولا درباره دوگانگی موج و ذره صحبت می‌کنیم. این دوگانگی به معنای آن است که ذرات کوانتومی که جهان ما را تشکیل می‌دهند دو نوع رفتار موجی و ذره‌ای دارند و این رفتار آن‌ها بستگی به شرایطی دارد که در آن قرار گرفته‌اند. ذرات کوانتومی، در انرژی‌های بالاتر شبیه ذرات رفتار می‌کنند و در انرژی‌های پایین‌تر بسیار شبیه به موج‌ها عمل می‌کنند.

ما این موضوع را با بررسی فوتون یا همان کوانتوم انرژی نور می‌توانیم توضیح دهیم. نور سطوح انرژی مختلفی دارد، از اشعه‌های بسیار پرانرژی گاما گرفته تا موج‌های رادیویی بسیار کم‌انرژی. اما انرژی نور رابطه نزدیکی با طول موج آن دارد: هرچه انرژی بالاتر باشد، طول موج آن کوتاه‌تر است.

کم‌انرژی‌ترین امواج رادیویی که ما می‌شناسیم، چند متر یا حتی چند کیلومتر طول دارند که با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خود برای به حرکت در آوردن الکترون‌های داخل آنتن‌ها باعث ایجاد سیگنال‌ها می‌شوند. از طرف دیگر، اشعه‌های گاما می‌توانند آن‌قدر پرانرژی باشند که ده‌ها هزار طول موج برای جای گرفتن در درون تنها یکی از پروتون‌های ‌آن‌ها لازم باشد.

اما اگر ذره شما کوچکتر از طول موج نور باشد، نور نخواهد توانست به‌درستی با آن ذره اندرکنش کند و مانند یک موج رفتار خواهد کرد. به همین علت است که فوتون‌های کم‌انرژی، نظیر فوتون‌های نور مرئی، هنگام عبور از دو شکاف، یک الگوی تداخل تشکیل می‌دهند. بنابراین تا زمانی که شکاف‌ها به اندازه‌ای بزرگ باشند که طول موج نور بتواند از میان‌شان عبور کند، یک الگوی تداخل در طرف دیگر ایجاد خواهد شد که نشان‌دهنده رفتار موج‌مانند است.

این رفتار حتی زمانی که شما فوتون‌ها را تک‌به‌تک ارسال می‌کنید دیده می‌شود، بطوریکه حتی ذرات سنگین‌تر هم می‌توانند تحت شرایط کم‌انرژی مانند امواج رفتار کنند. الکترون‌های کم‌انرژی هم که تک‌به‌تک به سمت صفحه دو شکاف ارسال می‌شوند، الگوی تداخلی تشکیل می‌دهند که این موضوع رفتار موج‌مانند آن‌ها را ثابت می‌کند.

وقتی صحبت از اتم می‌شود، اکثر ما به‌طور غریزی همان مدلی را تصور می‌کنیم که قبلا یاد گرفته‌ایم: یک الکترون نقطه‌ای شکل که به دور یک هسته‌ کوچک و سنگین می‌چرخد. این “مدل سیاره‌ای” را اولین بار رادرفورد ارایه کرد و بعدا توسط نیلز بور و آرنولد سامرفلد، به خاطر نیاز به سطوح انرژی مجزا، دچار تغییراتی شد.

اما ما در طول قرن گذشته متوجه شده‌ایم که این مدل‌ها برای توضیح آنچه که واقعا در درون اتم اتفاق می‌افتد بیش از اندازه ذره‌مانند هستند. الکترون‌ها سطوح انرژی مجزایی را اشغال می‌کنند، اما این به معنای مدارهای سیاره‌ای برای آن نیست؛ بلکه الکترون‌ها بیشتر مثل یک ابر رفتار می‌کنند. بنابراین زمانی که شما تصاویر مدارهای اتمی را نگاه می‌کنید، آن‌ها در اصل شکل موجی الکترون‌ها را نشان می‌دهند.

اگر شما قرار باشد یک فوتون یا ذره پرانرژی را به داخل اتم بفرستید تا در آنجا با الکترون اندرکنش کند، مطمئنا می‌توانید محل دقیق آن را تعیین کنید. اما فرستادن این ذره پرانرژی به داخل اتم اساسا هر آنچه را که داخل اتم اتفاق می‌افتد تغییر خواهد داد. این عمل باعث خواهد شد تا الکترون به جای اینکه مثل یک موج رفتار کند، حداقل برای لحظه‌ای، مثل یک ذره عمل کند.

اما تا قبل از وقوع این اندرکنش، الکترون همیشه رفتاری مثل به یک موج داشته است. زمانی که شما یک اتم ایزوله‌شده در دمای اتاق، یا زنجیره‌ای از اتم‌های متصل‌شده در درون یک مولکول دارید، آن‌ها مثل ذرات رفتار نخواهند کرد، بلکه آن‌ها مثل موج‌ها عمل می‌کنند و الکترون در کل این حجم ۱ آنگسترومی قرار خواهد گرفت.

بهترین راه برای تصور یک الکترون، تشبیه آن به ابر یا مه‌ای است که در فضای اطراف هسته اتم پخش شده است. زمانی که دو اتم یا بیشتر در درون یک مولکول به هم متصل می‌شوند، ابرهای الکترونی آن‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی می‌کند و الکترون حتی بیشتر از قبل، فضای حرکت پیدا خواهد کرد. وقتی که شما دست‌تان را روی سطحی فشار می‌دهید، نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از الکترون‌های روی آن سطح، به الکترون‌های دست شما فشار وارد می‌کنند و باعث می‌شوند تا ابرهای الکترونی دچار تغییر شکل شوند.

این تصور البته کمی غیر شهودی به نظر می‌رسد، برای اینکه ما عادت کرده‌ایم ذرات بنیادین را به چشم ذره نگاه کنیم. اما بهتر است که آن‌ها را به صورت مواد کوانتومی تصور کنیم: موادی که در شرایط پرانرژی مثل ذرات رفتار می‌کنند و در شرایط کم‌انرژی مثل موج‌ها. اتم‌ها تحت شرایط عادی رفتاری شبیه به موج دارند و در حالت کوانتومی فضای بزرگی را اشغال می‌کنند.

ما هر وقت برای تصور جهان از شهودمان استفاده می‌کنیم، به مشکل بزرگی بر می‌خوریم: شهود زاده تجربه است و تجربه ما از این جهان، کاملا کلاسیک و غیر کوانتومی است. جهان ما از ذرات بنیادین تشکیل شده و این ذرات می‌توانند به نحوی رفتار کنند که مانند موج به نظر برسند.

اما در دنیای کوانتومی، رفتار موج‌مانند، به اندازه رفتار ذره‌‌مانند‌، بنیادین است و فقط شرایط آزمایش، اندازه‌گیری یا اندرکنش‌هاست که آنچه را که می‌بینیم تعیین می‌کند. در انرژی‌های بسیار بالا، آزمایش‌ها می‌توانند رفتار ذره‌مانند را نشان دهند. اما تحت شرایط نرمال، مثل آنچه که ما به‌طور پیوسته در بدن‌هایمان تجربه می‌کنیم، یک الکترون می‌تواند تمام فضای داخل اتم یا مولکول را در بر بگیرد.

بنابراین بدن شما عمدتا از فضای خالی تشکیل نشده است، بلکه شامل مجموعه‌ای از ابرهای الکترونی است که با قوانین کوانتومی به هم متصل شده‌اند.

نوشته آیا بدن ما از فضای خالی تشکیل شده است؟! اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

سرانجام اولین تصویر از اتم گرفته شد

اتم‌ها واقعا کوچک‌‌‌ هستند، بسیار کوچک‌تر‌ از آنچه که شما فکر کنید. هرگز با چشمان غیر‌ مسلح قادر به دیدن آن نخواهید بود و حتی با قوی‌ترین میکروسکوپ‌ها نیز دیدن آنها تقریبا امکان‌پذیر نیست.

حداقل این حقیقت تاکنون درست بوده اما اخیرا در یک تصویر، عکسی از یک اتم تنها در حالی که درون یک میدان مغناطیسی شناور است، نشان داده شده و خوشبختانه آنقدر بزرگ هست که حتی بدون هیچ نوع میکروسکوپی قابل دیدن باشد.

این عکس توسط دیوید نادلینگر (David Nadlinger) گرفته شده که نام آن را “اتم تنها در یک تله یونی” گذاشته است که در مسابقه عکاسی انجمن علمی تحقیقاتی فیزیک و مهندسی (Engineering and Physical Sciences Research Council) یا EPSRC سال ۲۰۱۸ حایز رتبه برتر شد. در عکس شما شاهد یک تک اتم از عنصر استرانسیم (Strontium) هستید که درون یک میدان مغناطیسی قدرتمند که توسط لیزر‌ها ایجاد شده، قرار گرفته و موجب انتشار نور شده است.

با اینکه اتم اکنون قابل مشاهده شده اما هنوز هم آن‌قدر واضح نیست که به آسانی دیده شود. اگر شما با دقت به مرکز تصویر نگاه کنید، یک نقطه آبی رنگ ضعیف را خواهید دید. این نقطه آبی همان اتم استراتسیم است که توسط یک لیزر با اشعه آبی- بنفش روشن شده است.

از این دستگاه خاص به دلیل اندازه اتم استرانسیوم استفاده شده است، اتم استرانسیوم دارای ۳۸ پروتون بوده و قطر اتم استرانسیوم تنها چند میلیونیوم یک میلی‌متر است و خب طبیعتا باز هم بسیار کوچک‌تر از آن است که بتوان آن را دید، به خاطر همین با به‌کارگیری این سیستم هوشمندانه و درخشان‌تر کردن اتم، دیدن آن را امکان پذیر کرده‌اند.

اتم استرانسیوم موجود در این تصویر، با لیزر‌های بسیار قدرتمند مورد اصابت قرار داده شده که موجب می‌گردد الکترون‌هایی که به دور هسته در حال چرخش هستند، انرژی بیشتری بگیرند. گاهی اوقات این الکترون‌های دریافت کننده انرژی، از خود نور ساطع می‌کنند. پس تنها کار لازم برای مشاهده اتم، بالا بردن سطح انرژی الکترون‌ها در اطراف اتم به میزان کافی است تا از خود نور منتشر کنند و بتوان با یک دوربین معمولی از اتم تصویربرداری کرد.

با این حال این بدین معنا نیست که شما قادرید با چشم غیر مسلح اتم را ببینید، زیرا این تصویر یک عکس با نوردهی طولانی مدت است به این معنی که حتی با وجود نور لیزری قدرتمند، باز هم بدون تجهیزات خاص، نور حاصله بسیار ضعیف‌تر از آن است که شما بتوانید در همان زمان، نور ایجاد شده را ببینید. اما در هر حال با توجه به اینکه اتم بسیار کوچک‌تر از آن است که شما در طول زندگی خود با آن برخورد مستقیم داشته باشید، باید اقرار کرد که این تصویر نزدیک‌ترین و بهترین نمای موجود از یک اتم است که احتمالا تاکنون مشاهده کرده‌اید.

نوشته سرانجام اولین تصویر از اتم گرفته شد اولین بار در پدیدار شد.

رمزگشایی ماده خیالیِ پاد ماده توسط دانشمندان علم فیزیک

دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن برای اولین بار درون پاد ماده را رمز گشایی کردند. پاد ماده چیزی بیش از یک مفهوم علمی تخیلی است که دانشمندان را در مسیر علم می راند. در واقع این ماده یک عضو واقعی و بسیار کوچک در عالم هستی است. در حالی که پاد ماده بسیار نادر است اما در شرایط مناسب می تواند وجود داشته باشد. اطلاعات در خصوص نحوه رفتار پاد ماده ابزار قدرتمندی در خصوص آزمایش مدل استاندارد در فیزیک ذرات که ما هم اکنون از آن برای درک بهتر نیرو هایی که در نحوه رفتار ذرات موثر هستند استفاده می کنیم، ارائه می کند.

پاد ماده نخستین بار در سال ۱۹۲۸ توسط فیزیکدان انگلیسی پاول دیراک پیش بینی شد. او پیشنهاد کرد که هر یک از ذرات ماده می بایست که پاد ماده مرتبط با خود داشته باشند. این پاد ماده ها در همه جوانب کاملا مشابه با  همتای ذره ای شان هستند به غیر از بار شان. به عنوان مثال، پاد ماده ی الکترون دارای بار منفی، آنتی الکترون بار مثبت که پازیترون نیز نام دارد می باشد. هنگامی که ماده و پاده رو به روی یکدیگر قرار می گیرند آن ها یک دیگر را نابود کرده و تنها یک انرژی را باقی می گذراند. انفجار بزرگ ( بیگ بنگ) می بایست تعداد برابری از ماده و ضد ماده به جای گذاشته باشد اما امروزه جهان ما توسط ماده احاطه شده است و مقدار بسیار کمی از پاد ماده باقی مانده است. درک این موضوع قدمی عظیم در درک بهتر منشا و تکامل جهان هستی می باشد. با این حال، پاد ماده ای که به صورت طبیعی به وجود می آید  اغلب به سرعت پس از رویارویی با ماده جهان از بین می رود. هم اینک، فیزیک دان های ذره ای هر از گاهی می توانند در مرکز کاهنده ضد پروتونی سرن به صورت موقت پاد ماده را برای تحقیقات تولید کنند، که همین موضوع منجر به رسیدن به دستاورد های نوینی در خصوص رفتار و مشخصه های پاد ماده شده است.

پادماده

در مقاله ای که اخیرا توسط Nature  منتشر شده است، بخش ALPHA مرکز سرن اخیران اعلام کرده است که موفق شده است خط طیفی اتم پاد هیدروژن را اندازه گیری کند. این نتیجه بدست آمده در اثر ۲۰ سال تحقیق و تلاش است و از طریق لیزری برای مشاهده انتقال اتمی ۱S-2S در پاد هیدروژن بدست آمده است. در محدودیت های آزمایش، نتایج بدست آمده توسط ALPHA این انتقال در هیدروژن و پادهیدروژن کاملا مشابه است، این شرایط در مدل استاندارد ذکر شده است. اگر این انتقال ها با یکدیگر متفاوت بودند، درک فعلی ما از علم فیزیک بهم میریخت.

انتقال ۱S-2S یکی از انتقال هاییست که در طیف هیدروژنی وجود دارد. هنگامی که الکترون ها توسط تابشی به نام “ریزش” از سوی درجات بالاتر انرژی در اتم به سمت درجات پایین تر انرژی ساتع می شود یک طیف ایجاد می شود. این پروسه در طول موج های دقیقی تولید انرژی می کند. هر یک از عناصر طیفی منحصر به خود تولید می کند که مانند اثر انگشتی برای هرکدام است. منجمان اغلب از این طیف ها برای تعیین ترکیب یک شی بر اساس نوری که تولید می کند استفاده می کنند.

برای دیدن انتقال ۱S-2S در پاد هیدروژن، تیم ALPHA نخست می بایست آنتی اتم تولید کرده و آن ها را پایدار نگه دارد که به هیچ وجه کار آسانی نبود. دستور العمل ALPHA برای ساخت پاد هیدروژن شامل ترکیب پلاسما های شامل پاد پروتون و پوزیترون ها بوده است که منجر به ساخت پاد هیدروژن شوند.  پاد اتم های حاصله  به صورت مغناطیسی به دام می افتند تا برای آزمایش استفاده شوند. از تعداد اولیه ۹۰ هزار پاد پروتون، محققان موفق شدند  ۲۵ هزار اتم آنتی هیدروژن تولید کنند و از میان  آن ها در هر مرحله تنها ۱۴ آنتی اتم به دام افتادند. با تاباندن نور به اتم های پاد هیدروژن توسط لیزر تا دقیقا همان مقدار انرژی لازم به آن منتقل شود تا انتقال صورت گیرد، محققان توانستند انتشار بدست آمده را مشاهده کنند تا در آن به دنبال تفاوت در قیاس با هیدروژن معمولی بگردند.

نتایج بدست آمده به همراه نتایجی که از دیگر آزمایش های انجام شده توسط ASACUSA و BASE انجام گرفتند نشان دهنده پیش رفت چشمگیر سرن در زمینه تحقیقات پاد ماده هستند.

آیا تا پیش از این، با مفهوم پاد ماده آشنا بوده اید؟ نظر خود را در باره این مطلب علمی با گویا آی تی در میان بگذارید و این مقاله را برای علاقمندان علم فیزیک و اختر فیزیک بر روی شبکه اجتماعی نشر دهید.

منبع:astronomy.com