کالبد شکافی ماده (حالات ماده)

کالبد شکافی ماده (حالات ماده)

وقتی فیزیک پیشرفت می کند باید به بسیاری از سوال های قدیمی جواب های تازه داد، ماده چند حالت دارد؟ حالات ماده چه هستند؟ اصلا ماده چیست؟

خودِ ماده

قبل از آن که به تشریح حالات ماده بپردازیم، باید ببینیم اصلا ماده چی هست؟ در ابتدا فیلسوفان یونانی که می‌توان از آن ها به عنوان اولین فیزیکدانانی نام برد که آثارشان به دست ما رسیده است، حتی در خواب هم نمی‌دیدند که به جز ماده‌ای که می‌بینند(که اتر، آب، آتش، خاک، باد و …) چیز دیگری هم وجود داشته باشد. ولی طبیعت خیلی عجیب‌تر از آنی‌ست که ما تصورش را می‌کردیم، بلی انواع دیگری از ماده وجود دارند! ولی قبل از این که با بقیه انواع مواد آشنا بشویم، باید ماده را تعریف کنیم.

تا قبل از آلبرت آینشتاین (فیزیک واقعا به دو دوره قبل و دوره بعد از آلبرت آینشتاین تقسیم می‌شود) تعریف ماده بسیار ساده بود، هر آن چه که جرم دارد و حجمی را اشغال می‌کند، ماده است. بعد ناگهان آینشتاین با ارائه نسبیت عام و خاص، مدعی شد که هرچیزی که انرژی دارد، مانند آن است که مقدار متناسبی به جرمش افزوده شود (یعنی جرم و انرژی درواقع یک چیزند)!! و خب قبل از آینشتاین، پلانک گفته بود که هر چیزی که فرکانس داشته باشد، انرژی دارد (هرچقدر فرکانس بیشتر انرژی بیشتر). یعنی حتی فرکانس و انرژی هم هم‌ارزند. بعد هم آینشتاین ایده نور ذره‌ای-موجی(فوتون) را مطرح کرد که بر اساس نسبیت به ناچار باید جرمش صفر باشد! ولی فوتون یک ذره مادی هست! پس تعریف ما از ماده به طور کامل متلاشی شد به طوری که هنوز هم نتوانسته‌اند تکه‌هایش را دوباره به هم بچسبانند، و تاکنون هیچ تعریف جامعی از ماده ارائه نشده است!! پس مجبوریم که برای تشخیص مادی بودن یا نبودن یک چیز از شهودمان استفاده کنیم!

حال بازگردیم به انواع ماده:

ماده معمولی

حالت ماده
این نمودار میزان سه نوع مختلف از ماده را نشان می‌دهد(ماده معمولی یا باریونی، ماده تاریک و انرژی تاریک)

خورشید، زمین، تمامی ستاره ها، انسان ها، موجودات و خلاصه هر آن چه که می‌توانیم با چشم ببینیم (یعنی این که فوتون جذب کنند یا بازنشر کنند) ماده معمولی یا

باریونی هستند.

دشمن ماده -پاد ماده-

خب متاسفانه هر چیزی دشمنی دارد! ماده معمولی هم از این قضیه مستثنی نیست و دارای دشمنانی خونی به نام پادماده هست که در همان اوایل تشکیل دنیا از بین رفتند. و امروزه تنها در شتاب‌دهنده‌ها یا در واکنش‌های هسته‌ای یافت می‌شوند. آن چنان این دو با هم دشمنند که به محض تماس با یک دیگر تبدیل به انرژی خالص می‌شوند.(در نظریات بسیار پیچیده مانند QED پادماده همان ماده است که در زمان به عقب حرکت می‌کند!!)

ماده‌تاریک

در سال 1933 اولین مقاله معتبر مبنی بر وجود موادی که ما نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم یا به اختصار “Dark Matter” (ماده‌تاریک) منتشر شد. اولین بار لرد کلوین از این کلمه استفاده کرد و دقیقا منظورش هم همین چیزی بود که ما در رابطه با آن صحبت می کنیم! یعنی موادی وجود دارند که تاریکند. خلاصه بگویم، کلا با نور کاری ندارند (مگر این که گرانش حاصل از جرمشان بر نور اثر بگذارد) و ما نمی‌توانیم آن ها را ببینیم!

خب پس چرا اصلا به یک همچین ماده عجیبی احتیاج داریم؟

  1. در همان سال 1933 دانشمندان موفق شدند که سرعت ستاره‌های بیرونی کهکشان راه‌شیری را اندازه‌گیری کنند. خب قائدتا ستاره هایی که به مرکز کهکشان نزدیکترند باید سریعتر حرکت کنند (چون نیروی گرانش بیشتری به آن‌ها وارد می‌شود) مثل منظومه شمسی خودمان که عطارد بیشترین و
    نمودار سرعت ستاره ها
    نمودار سرعت ستاره ها بر اساس فاصله شان از مرکز(واقعیت در مقابل پیش بینی

    نپتون کمترین سرعت را دارند. ولی خیلی جالب است که بدانید نسبت سرعت ستاره های بیرونی کهکشانی راه شیری نسبت به ستاره‌های درونی، نه تنها کمتر نیست بلکه بیشتر هم هست! آنقدر سرعت ستاره‌های بیرونی زیاد است که ما به حدودا 6برابر ماده‌ای که در کهکشان هست احتیاج داریم تا ستاره‌های بیرونی به بیرون شوت نشوند! برای همین هم ستاره‌شناس ها دو راه بیشتر نداشتند یا باید یک نظریه، جایگزین نظریه نسبیت بکنند یا یک ماده جدید تعریف بکنند که با نور واکنش نمی‌دهد و تنها از طریق گرانش حاصل از جرمشان می‌توان آن ها را مشاهده کرد. خب قائدتا گزینه دوم را انتخاب کردند.(البته بعضی‌ها هنوز قانع نشدند و به دنبال نظریه‌های جایگزین نسبیت می‌گردند، که تا الآن موفق به این کار نشدند.)

  2. اگر اجسام سنگینی مانند کهکشان ها نامرئی بودند می‌توانستیم از آن ها به عنوان لنزهای غول‌پیکری استفاده کنیم و اعماق جهان هستی را بهتر بکاویم. خب با تشکر از ماده‌تاریک این یک آرزو نیست بلکه یک واقعیت است! ما واقعا در کهکشان لنزهای بسیار غول‌پیکری داریم که باعث می‌شوند جهان را بهتر بشناسیم و هم این که بهتر وجود ماده تاریک را اثبات کنیم.

    لنز نامرئی
    اگر کمی دقیق به این عکس نگاه کنید متوجه وجود یک لنز نامرئی در وسط تصویر میشوید
  3. در سال 1948 نظریه پردازانی که به مه‌بانگ اعتقاد داشتند، یک نوع دمای پس‌زمینه‌ای برای جهان پیش‌بینی کردند. خب بر اساس فیزیک کلاسیک اگر یک جسمی دما داشته باشد، تابش می‌کند و این بسته به دمای جسم دارد(مثلا مواد مذاب به همین دلیل سرخ رنگند) و چون دمای جهان خیلی خیلی کم هست(در حد -271 درجه سانتی گراد)، بدون وسیله‌های بسیار حساس نمی‌توان آن تابش را دید. بالاخره این تابش به صورت کاملا شانسی و عجیبی یافت شد و امروزه یکی از بهترین شواهد مهبانگ هست. دانشمندان نقشه‌ای از این تابش در کل آسمان تهیه کردند. جالب آن که بسیار یکسان بود به صورتی که حداکثر تفاوت تابش(یا بهتر بگم دما)13 میکرودرجه سانتی‌گراد است! یعنی اگر شما در پشت دیوار کنار اتاقتان یک شمع روشن کنید، اختلاف دمای بیشتری در درون اتاقتان ایجاد می‌کند! ولی امروزه بیشتر توجه به این است که چرا اصلا اختلاف دما وجود دارد؟! بیشتر این اختلاف تابش مربوط به خود پرتوهای الکترومغناطیس هست، ولی تمام اختلاف تابش را توضیح نمی‌دهد، دانشمندان برای توضیح مابقی اختلاف تابش‌‌ها دست به دامن ماده تاریک شدند! یعنی ما می‌توانیم ماده ‌تاریک را با این روش ببینیم! البته کاربرد تابش پس‌زمینه کیهانی بسیار بیشتر از این حرف هاست که مطلبی جداگانه می‌طلبد.

انرژی‌تاریک

زمانی که آینشتاین نسبیت(عام و خاص) خود را معرفی کرد، غوغایی در جهان فیزیک پیدا شد. مدام معادله های جدید و جالب از دل نسبیت بیرون می‌آمدند و نتایج اعجاب انگیزی داشتند(از قبیل وجود سیاهچاله ها، کرمچاله ها، سفیدچاله ها و …).

تابش زمینه کیهانی
تابش پس زمینه کیهانی( به اختصار CMB) که از 9 سال داده های wmap درست شده است.

یکی از آن نتایج، که خود آینشتاین به آن دست‌یافت، انبساط جهان بود؛ خب ستاره‌شناسان از طریق مشاهدات خود سال‌ها قبل می‌دانستند که جهان در حال انبساط است، ولی فرض می‌کردند که سرعت انبساط رو به کاهش است.(مثل توپی که شما به هوا پرتاب می کنید، درست است که از زمین دور می‌شود ولی به دلیل جاذبه بین توپ و زمین سرعت دور شدن توپ از زمین کاهش پیدا می‌کند و سر انجام دوباره به زمین بر می‌گردد.) به همان دلیل دانشمندان فکر می‌کردند که بر اثر گرانش دوباره کل جهان در یک سیاهچاله عظیم فرو خواهد رفت، آخر دیگر جز گرانش نیروی موثر دیگری نیست که بر اجرام کیهانی اثر کند. چیزی که آینشتاین یافت این بود: شما یک چیزی را از قلم انداخته‌اید! خود فضازمان را! فضازمان در حال انبساط هست و به خاطر همین انبساط، چیز دیگری وارد کار می‌شود! اگر از دیدگاه نیرو به این قضیه نگاه کنیم، نیروی فضازمان دقیقا بر خلاف جاذبه عمل می‌کند و  اجسام را از هم دور می کند( چون در حال انبساط است!) و این نیرو بر خلاف گرانش با افزایش فاصله بیشتر می‌شود تا در نهایت غالب شود! در نتیجه باید اجرام آسمانی خیلی دور، از ما فاصله بگیرند، آن هم به صورت شتاب دار! ولی چه چیزی باعث میشود که فضازمان خودش منبسط شود؟ حدس دانشمندان این است که انرژی‌ای به نام انرژی‌تاریک باعث این رفتار عجیب در فضا شده است! و چون ماده و انرژی هم‌ارزند، پس باید قسمت اعظمی از ماده‌ی تشکیل دهنده عالم، انرژی تاریک باشد!

حالات ماده

در اوان پیدایش فیزیک، ارسطو و اکثر فلاسفه یونان باستان معتقد بودند که ماده تنها دارای پنج عنصر دارد، آب، آتش، باد و خاک(که می‌توانند با یک دیگر ترکیب شوند و دیگر مواد را بسازند). ولی گویا ماشین زمان در آن دوران ابداع شده بود! چرا که یکی از فلاسفه یونانی نظراتی داد که حتی امروزه هم صادق است(البته با کمی تغییر). آن فیلسوف که دموکریتوس نام داشت، معتقد بود که ماده از اتم تشکیل شده است و خواص مواد(من جمله حالت آن) به این ذرات کوچک تجزیه ناپذیر بستگی دارد. بعدها با ارائه نظریه اتمی دالتون و کمی بعدتر نظریه اتمی بوهر و تلاش‌های آینشتاین این عقیده به اثبات رسید. اتم

خب حال بیایید از دوران یونان باستان و قرن بیستم به حال حاضر بیاییم، ما اکنون می‌دانیم که تمامی مواد(از نوع باریونی یا معمولی) از اجزای بسیار کوچکتری به نام اتم تشکیل شده اند، و اتم ها هم خود از اجزای کوچکتری به نام های هسته و الکترون تشکیل شده‌اند و هسته اتم هم از نوترون و پروتون تشکیل شده است و …. ، خب این‌ها چیزهایی است که ما برای حالت بندی مواد به آن ها احتیاج داریم.

فیزیک کلاسیک

در فیزیک کلاسیک حالت مواد به چهار حالت پلاسما، جامد، مایع و گاز(و البته حالت کریستالی_مثل شیشه) تقسیم می‌شوند. برای فهم بهتر بیایید این گونه به قضیه نگاه کنیم:

حالت مادهفرض کنید که اتم ها انسانند.

در سر کلاس های درس بچه ها بسیار به هم نزدیکند و زیاد از گروه فاصله نمی‌گیرند و به ندرت کسی می تواند از جایش حرکت کند. به این حالت که بیشتر شبیه زندان است، می گویم جامد.

در صف های اول صبح که در مدرسه های کشور ما مرسوم است، بچه ها به صف مقیدند و زیاد از صف خارج نمی شوند ولی هیچ کاری به دیگر صف ها ندارند و به اصطلاح صف ها بر روی هم میلغزند. این توصیف حالت لغزنده مایع است.

در زنگ‌های تفریح بچه‌ها چنان ناگهانی پخش می‌شوند که تنها پس از چندثانیه تمام مدرسه پر از بچه‌های پرانرژی‌ای می‌شود که آزادانه مشغول کارهای مختلفی هستند، این توصیف حالت پرجنب و جوش گاز است.

حال فرض کنید که کتاب‌های بچه‌ها، الکترون‌های اتم‌ها باشند. در آخرین زنگ درسی سال تحصیلی بچه‌ها شروع می‌کنند به پرت کردن کتاب‌هایشان و دویدن به سمت حیاط! این توصیف حالت بی‌قید و بند پلاسما ست. در پلاسما هسته‌ی اتم و الکترون از هم جدا می‌شوند و هر کدام میروند پی زندگی‌شان.

فیزیک مدرن

گوی پلاسمااین چهار حالت در فیزیک کلاسیک صادق بودند. ولی با پیشرفت علم آن چنان تعداد حالات ماده زیاد شد که غیر قابل شمارش است! و این هایی که نام خواهم برد، نمونه‌هایی بسیار ناچیز از صدها میلیون میلیون حالات مختلف هستند.

در قطب شمال هوا آن چنان سرد می‌شود که پنگوئن ها به هم می‌چسبند.

در حالت ایده‌آل پنگوئن ها همین‌طور به چسبیدن ادامه میدادند تا همه در محیطی به اندازه یک پنگوئن جا بشوند! این حالت در ماده رخ میدهد! زمانی که مواد خاصی(که به بوزون‌ها معروفند) را بسیار بسیار سرد کنیم(در حد یک‌صدم درجه کلوین) به صورت عجیبی به روی یک دیگر می‌لغزند که به حالت چگالش بوز_آینشتاین معروف است.البته این حالت برای فرمیون‌ها هم صادق است ولی به اسم چگالش فرمیونیک نامیده می‌شود.نمودار

در ابتدای سخن گفتیم که فرکانس و جرم هم ارزند، مگر نور فرکانس ندارد؟ پس باید جرم هم داشته باشد!( البته باید این را اضافه کنم که قضاوت زود هنگام بسیار بد است!) نور در نظریه نسبیت موجودی بسیار ساده با جرم لختی صفر تعریف شده است. ولی در کوانتوم این موجود چنان رفتار‌های عجیبی دارد که خود چند کالبدشکافی احتیاج دارد! خب هر چیزی که جرم دارد معمولا حاوی ذرات است، نور هم از این قانون نانوشته تبعیت می‌کند، ولی نوع ذراتی که نور حمل می کند نامشخص است! یعنی احتمال دارد که یک جفت الکترونپوزیترون (پادماده الکترون) باشد یا حتی دو جفت یا حتی ذرات دیگر! پس این هم یک حالتی دیگر از ماده به نام ماده فوتونیک است.

هلیوم مایع
در این تصویر هلیوم مایع را ملاحظه می‌کنید که در حالت ابرشاره قرار گرفته است و سعی می کند از دیواره‌های ظرف بالا برود.

زمانی که درون یک لیوان فوت می کنید، هوا رفتاری بسیار جالب نشان می‌دهد، هوا به دیواره های لیوان میچسبد و از آن ها بالا میرود! همین حالت برای برخی از مواد در دمای بسیار پایینی(مثل هلیوم در دمای 3 درجه کلوین)به دیواره های ظرف می‌چسبند و از آن بالا می‌روند، در واقع اتم‌های هلیوم نسبت به یک دیگر کاملا بی‌اعتنا می‌شوند یا به قولی گران‌روی مایع صفر می‌شود!

به این حالت عجیب مادهابرشارگی می‌گویند.

قبلا به این اشاره کردیم که هسته اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده‌اند. حال باید اضافه کنم نوترون و پروتون هم از اجزای بسیار کوچکی به نام کوارک تشکیل شده‌اند(برای این که درک کنید چقدر کوارکها کوچکند بیایید کل اتم را به اندازه یک زمین فوتبال فرض کنیم، حال اگر در وسط این زمین فوتبال یک توپ تنیس قرار دهیم، حکم هسته را دارد! حال دوباره هسته را به اندازه زمین فوتبال بزرگ کنید، این بار یک ذره گرد و غبار را در وسط زمین قرار دهید، این ذره غبار حکم یک کوارک را دارد.). هم نوترون و هم پروتون از سه عدد کوارک تشکیل شده‌اند، ولی این موجودات کوچک را دست کم نگیرید! یکی از انواع کوارک ها به نام کوارک “شگفت“(یا strange) به تنهایی جرمی معادل یک اتم نقره دارد!! اگر اتم را خیلی داغ کنیم، الکترون ها از آن جدا می‌شوند و ماده به حالت پلاسما در می‌آید(که معمولا پلاسما را در ستاره‌ها می‌توان یافت). ولی اگر خیلی خیلی داغ کنیم و خیلی خیلی به هم بفشاریم چطور؟ به طوری که این شرایط تنها در شتاب دهنده های بسیار بزرگ و به مدت بسیار کوتاه، آنقدر کوتاه که ما تنها شواهد وجود چنین حالتی را می‌توانیم ببینیم! در این حالت پیوند کوارک‌ها از هم گسسته می‌شود و کوارک ها و الکترون ها میتوانند آزادانه حرکت کنند، به این حالت ماده که بسیار بسیار ناپایدار هست، پلاسمای کوارک_گلئون می گویند. اگر کمی از فشار و دمای شرایط بکاهیم، به طوری که کوارک ها دوباره گیر بیافتند، ما پلاسمای پوروتون_نوترون خواهیم داشت، که بسیار ماندگارتر از پلاسمای کوارک_گلئون هست.

کابل سرن
در این جا کابل هایی را ملاحظه می کنید که قرار است در شتاب دهنده بزرگ سرن قرار بگیرند و جریانی تا 12500 آمپر را انتقال دهند که چنین چیزی بدون کشف ابررساناها ممکن نبود.

جمع‌بندی

ماده یکی از بزرگ‌ترین رازهای عالم است، این که چیست؟ از کجا آمده؟ چند نوع دارد؟ خیلی جالب است که هنوز نمی‌دانیم از چه تشکیل شده‌ایم و آن را نمی‌شناسیم. به حالتی موهوم نام ماده داده‌ایم و آن را بدیهی خواندیم و به راحتی از آن گذشتیم بی آن که اندکی بیندیشیم. حال از شما می‌خواهم دوباره به خودتان نگاه کنید، چه می‌بینید؟ شما در حال تماشای تاریخ کل عالم و بزرگ‌ترین سوال‌ها و معماهای بشریت هستید. ماده رازهایی بسیار در خود پنهان کرده‌است، رازهایی که هنوز به طور کامل به آن‌ها اشراف پیدا نکرده‌ایم. خیلی جالب است که بدانید کمتر از 20 سال است که توضیحی برای پیدایش ماده داریم. ولی هنوز توضیحی برای خود ماده پیدا نکردیم! این که چیست و چه چیزی غیرمادی‌ست هنوز تعریف هم نشده‌اند! آن قدر ماده میتواند حالت بگیرد که هنوز رقمی برای شمردنش نساخته ایم! حتی شیشه مانیتوری که به آن نگاه میکنید هم یک حالت دیگر ماده است! ما تنها چند نظریه محدود برای توصیف خود ماده داریم که تنها برای ذرات بسیار کوچک یا بسیار بزرگ صادقند! نظریاتی که گاه آن چنان متناقضند که آمیختنشان غیرممکن به نظر میرسد! حتی موادی را پیش‌بینی کرده ‌ایم که یازده بعد برای توصیفشان احتیاج داریم! پس بیایید به سوالات کهنه جوابی نو بدهیم.

منابع:

علیرضا غضنفری

نویسنده: علیرضا غضنفری

بنده علیرضا غضنفری هستم متولد اسفند 1379، کلا به چالش کشیده شدن رو دوست دارم برا همین تو هرچیزی که تونستم یه سرکی کشیدم، کامپیوتر ، فیزیک نوین، فیزیک سرد ، والیبال و همینطور در شطرنج که توش حریف می طلبم و همینطور برای شما آرزوی خفن بودن دارم(کلا سعی کنید توی حداقل یه چیز خفن بشید)