وارونگي ميادين الكتريكي ، توجيهي جديد براي توليد زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده يكديگر را نابود نمي‌كنند (1)

[MRT]

وارونگي ميادين الكتريكي ، توجيهي جديد براي توليد زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده يكديگر را نابود نمي‌كنند !

مقدمه :

به استناد مفاهيم فعلي ، " / فرآيند جالبي تحت عنوان توليد زوج ماده - پاد ماده وجود دارد كه از نظر اهميت و مفاهيم بنيادي بي‌نظير است . توليد و واپاشي زوج يك مثال بسيار بارز و عالي از تبديل انرژي به ماده و بالعكس مي‌باشد . برسي نظري اين پديده نخستين بار توسط ديراك در سال 1928 صورت گرفت . ديراك با حل معادله‌اي به دو جواب مثبت و منفي دست يافت و به جاي آنكه قسمت منفي انرژي را به دليل غير فيزيكي بودن آن كنار بگذارد ، به پژوهش پيرامون پيامدهاي تمامي معادله پرداخت و به نتايج بسيار جالبي رسيد . به طور خلاصه ديراك با توجه به قسمت منفي جواب معادله ، وجود پاد ماده را پيشگويي كرد . اگر اين پيشگويي درست مي‌بود ، مي‌بايست براي ذره‌اي مانند الكترون ، ذره ديگري وجود داشته باشد كه جرم حالت سكون آن برابر جرم الكترون باشد . تجزيه و تحليل ديراك چنين نشان مي‌داد كه اين ذره بايد داراي بار الكتريكي مثبت باشد . چهار سال بعد ، آندرسون اين ذره را در اشعه كيهاني يافت و آن را پوزيترون ناميد . بعدها در آزمايشگاه نيز با واپاشي فوتون ، زوج الكترون - پوزيترون توليد شد . فوتوني با انرژي زياد ( فوتون گاما ) تمامي انرژي خود را در برخورد با هسته از دست ميدهد و يك زوج الكترون - پوزيترون مي‌آفريند . پوزيترون ذره‌اي است كه كليه‌ خواص آن با خواص الكترون يكسان است مگر بار الكتريكي آن ، زيرا بار الكتريكي پوزيترون مثبت است .
در فرآيند توليد زوج الكترون - پوزيترون ، اصولي بايد محفوظ بماند تا اين پديده روي دهد . اين اصول عبارت است از بقاي انرژي نسبيتي كل ، بقاي اندازه حركت و بقاي بار الكتريكي ، زيرا فوتون از نظر الكتريكي خنثي است و مجموع بارهاي الكتريكي بعد از توليد نيز بايد صفر باشد . بقاي اندازه حركت نيز نشان مي‌دهد كه يك فوتون نمي‌تواند در فضاي تهي محو شود و زوج توليد كند . چنين فرآيندي با حضور يك هسته‌ سنگين امكان پذير است تا بقاي اندازه حركت و بقاي انرژي نسبيتي نقض نشود .
در ارتباط با توليد زوج ، فرآيند معكوسي وجود دارد كه نابودي زوج ناميده مي‌شود . يك الكترون و يك پوزيترون مجاور يكديگر ، در هم ادغام مي‌شوند و به جاي آن انرژي تابشي به وجود مي‌آيد . امروزه مشاهده توليد و واپاشي زوج الكترون - پوزيترون در آزمايشگاه يك پديده عادي بشمار مي‌رود . در سال 1955 براي نخستين بار زوجهاي پروتون - پاد پروتون و نوترون - پاد نوترون در آزمايشگاه آفريده شدند .
توجه به نحوه توليد زوج الكترون - پوزيترون مي‌تواند در شناخت منشاء نيروي الكتريكي موثر باشد ، قبل از توليد زوج الكترون - پوزيترون ، يك فوتون با انرژي بالا وجود دارد و فوتون نيز از نظر بار الكتريكي خنثي است . اما بعد از توليد زوج الكترون - پوزيترون ، دو ذره باردار بوجود مي‌آيد كه هر يك داراي يك ميدان الكتريكي مخالف هستند . اين فرآيند را چگونه مي توان توجيه كرد ؟ \ "
قدر مسلم قبل از اينكه اين واقعه يك پديده فيزيكي به نظر برسد چيزي شبيه جادوگري و يا شعبده بازي است . مثل اين است كه شخصي يك گنجشك كوچك را وارد يك محفظه فلزي در ظاهر خالي كند و سپس دو عقاب سر سفيد قوي هيكل نر و ماده از آن خارج نمايد و دو عقاب در حال پرواز در هم ادغام شوند و گنجشك كوچك دوباره سر از آسمان در آورد ، آيا اينچنين شعبده‌اي ممكن است ؟ جواب سوال اين است كه توجيه شعبده توليد زوج ماده - پاد ماده ممكن به نظر ميرسد ولي توجيه شعبده گنجشك و عقابها توسط شعبده باز كمي دشوار است ! در حقيقت چنين به نظر ميرسد كه اشعه گاما و الكترون - پوزيترون سر به سر بشريت گذاشته و قصد شوخي و يا گمراه كردن دارند و يا اينكه ديد درستي نسبت به موضوع نداريم !!
معادله‌اي كه ذهن ديراك را به خود مشغول كرده بود تنها ايرادش داشتن جواب منفي براي انرژي نبود ، بلكه بوسيله آن معادله ميتوانيم جرم منفي را هم براي موجودي قائل شده و در معادله مورد بحث منظور كنيم كه اينچنين پيش بيني مي‌شد كه جرم منفي براي پاد ماده باشد كه اينگونه نشد ، پاد ذرات هم جرم دارند و ماده بدون جرم معني و مفهوم فيزيكي ندارد چه برسد به جرم منفي ، در واقع اعداد منفي در اين معادله كاربردي ندارند و بايد از انرژي منفي نيز صرف نظر كنيم براي اينكه انرژي ذاتا يك كميت مثبت است و انرژي منفي در محاسبات رياضي مطرح ميشود و در عالم فيزيكي وجود ندارد چون كلمه وجود ، ذاتا كلمه‌اي مثبت است و در رياضيات از انرژي منفي به عنوان كسر انرژي در يك سيستم بهره مي جوييم نه انرژي مطلق منفي و در حسابداري هم اينچنين است ، عدد مثبت نشانه سرمايه و نقدينگي و عدد منفي نشانه بدهكاري ، زيان يا كسر بودجه است ، در واقع پول منفي هم وجود خارجي ندارد . اين مسائل از اينجا ناشي ميشوند كه حاصل توان زوج يك عدد منفي ، عددي مثبت است و همچنين حاصل جزر يك عدد مثبت مي‌تواند هم منفي باشد هم مثبت ، موضوع عادي است كه در ريشه يابي معادلات درجه دو هم بسيار متداول ميباشد و در بسياري از موارد از ريشه منفي صرف نظر ميشود و به هر حال پوزيترون توسط آندرسون يا شخص ديگري كشف مي‌شد . اين معادله از اين قرار است .

E2 = P2.C2 + M2.C4

و نكته بسيار جالب اينكه پاد ذرات همگي انرژي دارند و اين انرژي هم مثبت اندازه گيري شده است ، پس پاد ذرات نمي‌توانند در اين معادله با انرژي منفي مطرح شوند زيرا فقط علامت الكتريكي آنها قرينه است .

اين مفاهيم براي توليد و واپاشي زوج الكترون - پوزيترون درست به نظر ميرسد ، براي اينكه فركانس امواج گاما در محدوده ده بتوان 20 الي 22 هرتز ميباشد . حال اين وضعيت را براي توليد و واپاشي زوج پروتون - پاد پروتون برسي مي‌كنيم .

آنچه كه مسلم است امواج الكترومغناطيسي با اين فركانس محاسبه شده تا به امروز نه شناسايي و نه توليد شده‌اند . پس به استناد مفاهيم فعلي ما هرگز نخواهيم توانست با تابش امواج الكترومغناطيس شناخته شده ، زوج پروتون - پاد پروتوني بدست آوريم و نكته جالب‌تر اينكه با تصادم پروتون - پاد پروتون اشعه گاما ( يا امواج الكترومغناطيس در محدوده شناخته شده ) پديدار و منتشر ميشوند ! اين پديده فيزيكي را چگونه ميتوان با مفاهيم فعلي تطبيق داد ؟ يعني با ادغام الكترون - پوزيترون موج الكترومغناطيس با فركانس محاسبه شده پديدار ميشود ولي با ادغام پروتون - پاد پروتون موجي با فركانس محاسبه شده پديدار نميشود ، بلكه برعكس امواج با انرژي و فركانس پايين‌تر توليد و منتشر ميشوند . در حقيقت پاد ذرات از برخورد شديد ذرات ديگر به وجود مي‌آيند ( همانگونه كه پوزيترونهاي آندرسن از برخورد ذرات با جو به وجود آمده بودند ) و اين وظيفه به عهده شتاب دهنده‌هاست نه امواج الكترومغناطيس . پس ميتوان نتيجه گرفت كه پاد ذرات از خود ذرات بوجود مي‌آيند نه از انرژي الكترومغناطيسي ! ولي چگونه ؟





اينك به توضيح پديده زوج ماده - پاد ماده مي‌پردازيم .

ميادين الكتريكي

1- ميدان الكتريكي الكترون فرضي بدون چرخش ( اسپين )

مشاهدات تجربي نشان داده است كه خطوط ميدان الكتريكي پيرامون يك بار ساكن منفي به صورت خطوط مستقيم و رو به مركز آن است ، براي اينكه بارهاي مثبت ساكن در پيرامون مركز ، به صورت مستقيم جذب مركز ميدان ميشوند . ما به طور فرضي و قراردادي جهت خطوط ميدان يا بردارهاي نيروي الكتريكي پيرامون بار ساكن منفي را به طرف مركز ميدان در نظر ميگيريم . البته شكل فوق يك مثال است و با توجه به جرم بيشتر پروتون ، الكترون به طرف آن حركت خواهد كرد . آنگونه كه از شكل فوق بر مي‌آيد دو بار الكتريكي منفي نسبت به يكديگر دافعه داشته ولي دو بار الكتريكي منفي و مثبت نسبت به يكديگر جاذبه دارند .

2- ميدان الكتريكي پروتون فرضي بدون چرخش ( اسپين )

همچنين مشاهدات تجربي نشان داده است كه خطوط ميدان الكتريكي پيرامون يك بار ساكن مثبت به صورت خطوط مستقيم و رو به بيرون مركز آن است ، براي اينكه بارهاي مثبت ساكن در پيرامون مركز ، به صورت مستقيم از مركز ميدان دفع ميشوند . ما به طور فرضي و قراردادي جهت خطوط ميدان يا بردارهاي نيروي الكتريكي پيرامون بار ساكن مثبت را به طرف بيرون ميدان و خارج از مركز در نظر ميگيريم . آنگونه كه از شكل فوق بر مي‌آيد دو بار الكتريكي مثبت نسبت به يكديگر دافعه داشته ولي دو بار الكتريكي منفي و مثبت نسبت به يكديگر جاذبه دارند .

3- ميدان الكتريكي يكنواخت

شكل فوق ميدان الكتريكي يكنواختي را مابين دو صفحه رساناي موازي ، با بارهاي هم اندازه ولي غير همنام نشان ميدهد .

انحناي ميادين الكتريكي

دو بار الكتريكي همنام ، يكديگر را دفع و ميدان الكتريكي پيرامون آنها تقريبا به صورت شكل فوق است .

دو بار الكتريكي غير همنام ، يكديگر را جذب و ميدان الكتريكي پيرامون آنها تقريبا به صورت شكل فوق است . دو شكل فوق بيانگر اين موضوع است كه ميادين الكتريكي صلب نبوده و قابليت انحنا دارند .

دوران ميادين الكتريكي

الف - دوران ميدان الكتريكي الكترون فرضي با چرخش ( اسپين ) ، موافق چرخش عقربه‌هاي ساعت

همانطور كه ميدانيم الكترونها ساكن نيستند و حول محور فرضي خود با سرعت چرخشي بسيار بالايي در حال دوران هستند كه به اين حركت آنها اسپين گفته ميشود . اگر دوران الكترون را موافق چرخش عقربه‌هاي ساعت فرض كنيم و آن را از بالا بنگريم مشاهده ميشود كه :

1- اگر سرعت دوران ( سرعت زاويه‌اي ) الكترون را كم در نظر بگيريم ، خطوط ميدان تقريبا همانند شكل 1 خواهد بود
2- با افزايش سرعت دوران الكترون ، خطوط ميدان تقريبا به صورت شكل 2 خواهد بود
3 - و در نهايت با در نظر گرفتن سرعت دوران الكترون كه بسيار بسيار زياد ميباشد ، امتداد خطوط ميدان از مركز الكترون يا ميدان الكتريكي ، خارج و حول مركز به صورت دوايري تو در تو و پيوسته در مي‌آيد كه ميتوانيم آن را يك ميدان الكتريكي بسته و تا بينهايت در نظر بگيريم براي اينكه اين ميدان دايره‌اي شكل هيچ آغاز و پاياني ندارد البته اين پديده در برد كم و در جوار الكترون روي ميدهد و ميدان الكتريكي در خارج از دواير نيز موجود است البته خميده و رو به داخل ، همانند شكل زير .

ولي چنين به نظر ميرسد كه داخل و مابين دواير ، خلاء ميادين الكتريكي حاكم شده باشد . لازم به توضيح است كه دو شكل فوق نماي الكترون را از بالا نشان ميدهد و اگر آن را از پايين بنگريم مشاهده ميكنيم كه :

الكترون در حال چرخش مخالف جهت گردش عقربه‌هاي ساعت است و همچنين سمت و سوي ميدان الكتريكي آن ، مخالف حركت عقربه‌هاي ساعت شكل گرفته است كه ميتوانيم اين پديده جالب و شگفت انگيز را "انعكاس دوران ذرات و ميادين آنها در فضاي سه بعدي" تعريف كنيم زيرا شكل فوق همانند تصويری در آينه است . پس مسئله اسپين براي الكترون و در كل براي ذرات ديگر نياز به دقت فراوان دارد ، براي اينكه الكترون هر دو اسپين را بسته به ديد ناظر از خود نشان ميدهد و مسلما تمامي ذرات هم اينچنين رفتار ميكنند ، در حقيقت تمامي ذرات دوران و ميادين آينه‌اي در فضاي سه بعدي دارند . و با توجه به مطالب فوق ميتوانيم ساختار فيزيكي اتمها را توجيه نماييم .

الكترومغناطيس

همانطور كه ميدانيم ، هرگاه ميدان الكتريكي در فضا برقرار شود ، ميدان مغناطيسي عمود بر امتداد آن پديدار خواهد شد و برعكس آن نيز صادق است كه به مجموعه اين دو ميدان در فضا ، الكترومغناطيس گفته ميشود .

در شكل فوق نماي الكترون ( سطح دايره‌اي قرمز رنگ ) از پهلو و در حال دوران حول محور عمودي نشان داده شده است ، به گونه‌اي كه اگر از بالا به آن بنگريم جهت چرخش آن موافق جهت چرخش عقربه‌هاي ساعت خواهد بود . خطوط افقي سياه رنگ ، ميادين الكتريكي و فلش قرمز رنگ جهت ميدان الكتريكي از روبرو را نشان ميدهد كه در اين صورت جهت فلشهاي آبي رنگ ، جهت ميدان مغناطيسي تشكيل شده را نشان ميدهد . تصوير سه بعدي زير ، يك الكترون و ميدان مغناطيسي پيرامون آن را نشان ميدهد .

رنگ آبي به طور قراردادي بيانگر قطب S و رنگ قرمز بيانگر قطب N ميباشد . در اين وضعيت قطبين مغناطيسي الكترون از ديد ناظر همسو با قطبين مغناطيسي فعلي سياره زمين فرض ميشوند .
اينك ما با توجه به دوران ذرات و ميادين الكتريكي و همچنين انعكاس دوران ذرات و ميادين الكتريكي آنها در فضاي سه بعدي ميتوانيم پديدار شدن دو قطب مغناطيسي در الكترون را توجيه كنيم . به شكل زير توجه نماييد .

همانطور كه از شكل فوق بر مي‌آيد هر مقدار كه به طرف قطبين مغناطيسي الكترون نزديك شويم امتداد بردار ميدان الكتريكي به محور دوران الكترون نزديكتر شده و از قطر مارپيچ دوران كم ميشود . كاملا روشن است كه جهت دوران دو مارپيچ با يك ديگر متفاوت است ، مارپيچ بالايي در جهت موافق عقربه‌هاي ساعت و پاييني مخالف جهت چرخش عقربه‌هاي ساعت تاب مي‌خورد و اين مسئله باعث به وجود آمدن قطبهاي مغناطيسي S و N ميشود ولي در كل ، وقتي به الكترون از پهلو يعني عمود بر محور چرخش آن نگاه ميكنيم ، جهت ميدان الكتريكي در الكترون ثابت مي‌ماند براي اينكه امتداد خطوط ميدان الكتريكي را از بيرون به طرف داخل فرض كرده‌ايم و با استفاده از قانون دست راست مسير ميدان مغناطيسي براي ما روشن است .

جهت درك بهتر موضوع انيميشن زير را ببينيد

پديده زوج شدن الكترونها ( زوج ماده - ماده ) :

يكي از بزرگترين سوالات مطرح شده در مكانيك كوانتومي اين است كه چگونه دو الكترون در يك اوربيتال اتم جاي ميگيرند ، براي اينكه دو الكترون به خاطر داشتن بار الكتريكي همنام مي‌بايست همديگر را برانند و يكديگر را در يك تراز انرژي تحمل نكنند و اين سوال به اين خاطر مطرح ميشود كه امتداد خطوط ميادين الكتريكي در اجسام ساكن ، مستقيم است و اجسام با بارهاي همنام همديگر را مي‌رانند ولي چون ميدانيم الكترونها در حال دوران به دور خود هستند و ميدان مغناطيسي پيرامون آنها شكل گرفته است پس اين ميدان مغناطيسي ميبايست نيروي جاذبه‌اي قوي مابين دو الكترون بوجود آورد و بر دافعه الكتريكي چيره شود ! ولي چگونه ؟ جواب سوال ما در جريان الكتريسيته DC در دو سيم رساناي موازي نهفته است !

دو پيكان قرمز رنگ سمت چپ تصوير ، مسير ميدان الكتريكي در دو سيم هادي جريان الكتريسيته را نشان ميدهد كه جهت جريان به طور قراردادي از قطب مثبت به منفي در نظر گرفته ميشود و دواير سبز رنگ تو در تو ، خطوط ميادين مغناطيسي تشكيل شده را نشان ميدهند كه جهت ميدان مغناطيسي به طور قراردادي طبق قانون دست راست از قطب N به S مي‌باشد ، يعني جهت مخروطهاي آبي رنگ . در سمت راست تصوير فوق به خاطر درك بهتر موضوع ، خطوط ميدان مغناطيسي را از كمان به پاره خط تغيير داده‌ايم براي اينكه همواره در ميادين مغناطيسي جهت ميدان مشخص است ولي تجسم قطبين مغناطيسي كمي دشوار است ، لازم است مقداري از ميدان برش داده شود ، و اصولا در تمامي ميادين ، سمت و جهت گيري ميدان مهم است و قطبين صرفا جهت درك ابتدا و انتهاي ميدان مطرح ميشوند كه در ميادين بسته مسئله قطبين نيز منتفي ميشود ، به هر حال چون جهت اين خطوط مغناطيسي مخالف يكديگر است در نتيجه قطبين مغناطيسي مخالف در جوار يكديگر قرار گرفته و آنها يكديگر را جذب و در نتيجه سيم‌ها همديگر را مي‌ربايند هرچند كه امتداد خطوط مغناطيسي رو در روي يكديگر قرار گرفته است و چنين پديده‌اي دور از انتظار مي‌باشد ولي آزمون آن را ثابت كرده است ، پس براي دو الكترون در حال دوران كه ميادين الكتريكي آنها به صورت دايره‌وار پيرامون آنها شكل گرفته و ميادين مغناطيسي در آنها تشكيل شده است نيز همين پديده پيش بيني ميشود :