دکتر حسن بلوری
برلین، ۲۰۲۰٫۶٫۲۷
مفهومِ مادّه‌ی
منفی
دنیای ناشناخته شده‌ای بروی علم و فلسفه گشوده می‌شود!
Negative
Matter (negative Mass, negative Energy): E = - mc2
optical microcavity, created by the lab
of Nick Vamivakas,
confined light interacts with an atomically
thin semiconductor to create negative mass particles
چکیده:
مادّه‌ی منفی کلیدواژه‌ا‌ی است برای دنیای تاکنون ناشناخته شده
در علم و فلسفه. شواهدِ عینی که فیزیکدانانِ چندین دانشگاه معتبر جهان (وین،
اکسفورد، راچستر، واشنگتن و ...) در سال‌های اخیر (۲۰۱۷- ۲۰۱۹) موفق به کسب آن شده‌اند حکایت از آن دارد که انسان در
آستانه‌ی شناختِ کم سابقه از بنیاد هستی قراردارد.۱ به‌نظر می‌رسد که با
توسعه‌ی یافتههای جدید ما می‌توانیم به پرسش‌هائی که بعضا بیش از یک قرن بی‌پاسخ
مانده‌اند پاسخ دهیم. یافته‌هائی از عرصه‌ی بنیادی که در نهایت می‌توانند ما را
با یک واقعیت "ساده"
مواجه کنند: مادّه‌ی مثبت (که انسان، کُرات، ستارگان و کهکشان‌ها از آن شکل گرفته‌اند)
و "قرینه‌ی" آن، یعنی مادّه‌ی منفی (که نامرئیست ولیکن تاثیرات آن
غیرقابل انکار می‌باشند) هر دو ریشه در خلاءِ کوانتومی۲ دارند؛ یعنی از
"هیچ‌فیزیکی"۲ شکل‌گرفته و می‌توانند به "هیچ‌فیزیکی"
تبدیل شوند!
روشن است که این چشم‌انداز کم‌نظیر نمی‌تواند تنها محدود به
حوزه‌ی علم (و فن آوری) شود بلکه هم‌زمان فلسفه را به چالش کشیده، خواهان بازنگری
در پرسش‌های گذشته و طرح پرسش‌های جدید خواهد کرد.
برای فهم بهتر مطلب حاضر، پیش‌تر در دو مقاله‌ی جداگانه،
یعنی در مقاله‌ی "چرا بهجای هیچ، چیزی وجود دارد؟"۲ و در
مقاله‌ی "مفهوم مادّه در فلسفه و علم"۳ مفهوم‌های مادّه و پادمادّه
را توضیح دادم. در این مقاله می‌خواهم به مفهوم مادّه‌ی منفی که بسیار نامتعارف، عجیب
و غیرقابل تصور می‌نماید بپردازم،
پیش‌گفتار:.
مفهوم
مادّه‌ی منفی در اصل در نظریه نسبیت اینشتین از سال ۱۹۰۵ دیده می‌شد ولیکن ذهنیت
حاکم مانع از پذیرفتن آن می‌گردید و آن را نادیده می‌گرفت. اما ما اکنون پس از
گذشت بیش از یک قرن از آن زمان، یعنی در اواخر دهه‌ی دومِ قرن بیست و یکم شاهد
اثبات و نمایش مادّه‌ی منفی از جانب نظریه کوانتوم هستیم.
شناخت همه جانبه از مادّه‌ی منفی میتواند راه را برای
یافتن پاسخ به بسیاری از مسائل اساسیِ بی‌پاسخ مانده را هموار
نماید، از آن‌جمله توضیح فازهای آغازین کیهان، چیستی انرژی
تاریک و مادّه تاریک، نحوه‌ی ایجاد وحدت میان فیزیکِ نسبیت عام و فیزیکِ کوانتوم،
توضیحِ مسائل مربوط به ستارگانِ نوترونی، سیاه‌چاله‌ها، سفیدچاله‌ها، کرم‌چاله‌ها ("ماشین
زمان"، "چاله در فضازمان").
حس و تجربه‌ی روزمره ما می‌گوید، مادّه کمیتی است همواره
مثبت و حرکت آن همسو با جهت نیروی وارده به آن. درست همین برداشت منطقی و نتایج
حاصل از آن اکنون دیگر تنها امکان در هستی محسوب نمی‌شود.علتِ این امر دست‌یابی
فیزیکدانها به ذراتی با جرم (انرژی) منفی است.۱
در دنیای مادّه‌ی منفی، زمان در جهتِ معکوسِ زمان ما پیش می‌رود.
با این حال می‌توان تصور کرد که کنش و واکنش‌هائی در آن (با حفظ شرایطی چند از
جمله قانونِ بقاءِ انرژی و قانونِ بقاءِ تکانه یا ضربه)۴ مشابه دنیایِ
ما باشد.
پدیده‌ی کمتر شناخته شده در رابطه با مادّه‌ی منفی که صحت
آن بطور تجربی (آزمایشگاهی) در سال‌های اخیر به اثبات رسیده است، رابطه‌ی نیروی
وارده به یک جسم (از مادّه‌ی منفی) و جهت حرکت آن است. در دنیای ما وقتی به جسمی (از
مادّه‌ی مثبت) نیروئی وارد می‌شود، آن جسم در جهت نیروی وارده به‌حرکت در می‌آید،
اما در دنیای مادّه‌ی منفی درست برعکس است، یعنی وقتی نیروئی به یک جسم (از مادّه
منفی) وارد می‌شود، جسم مربوطه نه در جهت نیرو بلکه دقیقا در جهت مخالف نیروی وارده
حرکت می‌کند و به طرف آن (در جهت معکوس زمان ما) کشیده می‌شود!
طبق شواهد تاریخی یافتههای
علمی (نظری) دیر یا زود به مرحله استفاده عملی (کاربردی) می‌رسند. این امر خود را
در مورد مادّه‌ی منفی بسیار زودتر از انتظار نشان می‌دهد، چرا که هم اکنون (هرچند در مراحل اولیه) تولید اشعه‌ی لیزر در
بستری جدید (با استفاده از مادّه‌ی منفی) با صرف انرژی کمتر مطرح است.
اشاره: توجه داریم که منظور از مادّه‌ی منفی پادمادّه۲
نیست. پادمادّه میتواند "قرینه" خود (با جرم منفی) را داشته باشد. احتمال اثبات آن در آینده‌ای
نه چندان دور در آزمایشگاه سرن (CERN) دور از ذهن
نیست.
خلاء کلاسیک و کوانتومی:
ما می‌دانیم که انرژی (جرم) را هرگز نمی‌توان نابود کرد اما
می‌توان آن را به شکل‌های مختلف برای مثال انرژی مکانیکی را به انرژی حرارتی (از
طریق اصطحکاک) و یا به انرژی الکترومغناطیسی (نور، توسط دینام دوچرخه) تبدیل کرد.
اکثر ما گمان می‌کنیم که اگر از یک حجم معینی تمامی ذرات حامل
انرژی در آن را تخلیه کنیم به خلاء مطلق دست‌می‌یابیم. این گمان در دنیای (فیزیک)
کلاسیک پذرفته شده است و صحت دارد. اما لازم است از خود بپرسیم که آیا چنین چیزی
در دنیای کوانتوم نیز صحت دارد؟ پاسخ فیزیک کوانتوم به این پرسش روشن و بدون اما و
اگر منفی است. یعنی وقتی پای فیزیک کوانتوم در میان باشد دیگر صحبت از خلاء مطلق
بی‌معناست و ذره‌ای اعتبار ندارد.
فیزیک کوانتوم همواره نشان داده است که به‌هیچ‌‌شکلی همسو
با حِس و تجربه ما نیست. دلیل این امر روشن است، چرا که حِس و تجربه ما ریشه در
دنیای کلاسیک دارد و نه در دنیای کوانتوم با قوانین خاص خود. بی‌شک این امر در
برداشت ما از مفهوم خلاء تعیین کننده است. در دنیای کوانتوم خلاء‌ای به نام خلاءِ مطلق
وجود ندارد. در این‌جا خلاء تنها به‌معنای کوانتومی آن مطرح است.۲ (در
زیر به مفهوم خلاءِ کوانتوم می‌پردازم.)
در دنیای کوانتوم بعکس دنیای کلاسیک ذرات با بارالکتریکی
منفی (ذره الکترون و ...) و جرم‌مؤثر منفی (effektive mass در فیزیکِ حالتِ
جامد) وجود دارد. در این‌جا تحت شرایط خاصی و در محدوده‌ای از فضازمان جرم (انرژی)
منفی، مجاز شناخته می‌شود ("شبیه" حباب هوا در آب) که در صورت برخورد با
ذره‌ی مثبتِ، هر دوی آن‌ها به خلاء کوانتومی ("هیچ کوانتومی") تبدیل می‌شوند
و بعکس می‌توانند از خلاء کواانتومی بوجود آیند. این پرسش که انرژی منفی در چه
محدوده‌ای (از نظر مکانی و زمانی) امکان‌پذیر است از جانب فیزیکدانها از جمله از
دانشگاه وین (اتریش) بررسی شده و معلوم گشته
که انرژی میتواند در یک محدوده محلی (local) و برای مدت
زمان ناچیزی کوچکتر از صفر، یعنی منفی باشد.۵
تاریخچه مادّه‌ی منفی:
از زمان نیوتن (قرن هفدهم) تا نیمه اول قرن بیستم، مقدار
مادّه‌ی یک جسم، جرم آن جسم محسوب می‌شد. از این تاریخ به‌بعد جرم هر جسمی (هر
سیستم فیزیکی) کمیتِ ثابت (invariant) آن جسم (آن سیستم) محسوب می‌شود، کمیتی که
تابع سرعت جسم نیست. این تعریفِ جدید از جرم را فرمول معروف اینشتین ( E = mc2، E انرژی ساکن
سیستم و c سرعت نور) امکان‌پذیر می‌نماید. در این تعریف، جرمِ هر جسمی
فارغ از سیستمِ اندازه‌گیری (دستگاه مختصات) می‌باشد، یعنی دارای کمیتی ثابت در
همه‌ی سیستم‌هاست.
در دو مقاله‌ی نام برده در بالا۲و۳ مفهوم مادّه
و پادمادّه توضیح داده شده‌اند. در این‌جا برای حضورِ ذهن به نقل قولی از مقاله‌ی "چرا
به جای هیچ، چیزی وجود دارد؟"۲ اکتفا می‌کنم:
»در سال ۱۹۲۸ پاول دیراک، فیزیکدان انگلیسی ۱۹۰۲ـ ۱۹۸۴،
وجودِ پادمادّه (پادالکترون یا پوزیترون) را بطور نظری با استفاده از نظریه‌ی
نسبیت خاص اینشتین پیش‌گوئی نمود. در سال ۱۹۳۲ کارل آندرسون، فیزیکدان آمریکائی
۱۹۰۵ـ۱۹۹۱، پوزیترون (پادذره الکترون) را در پرتو کیهانی کشف کرد.
پیش‌تر یعنی در دهه هشتادِ قرنِ نوزدهم ویلیام هیکس، ریاضی
و فیزیکدان انگلیسی ۱۸۵۰ـ ۱۹۳۴، احتمالِ وجودِ مادّه‌ی منفی (negative matter) را داده بود.
مقوله پادمادّه (antimatter) اولین‌بار در سال ۱۸۹۸ در نوشته‌های آرتور شوستر، فیزیکدان
انگیسی ۱۸۵۱ـ ۱۹۳۴، ذکر شده است. شوستر حدس می‌زد که منظومه‌هائی متشکل از پادمادّه
وجود داشته باشند اما نمی‌توان آن‌ها را از راه مشاهده از منظومه‌های
متشکل از مادّه تفکیک نمود.
اختلافِ عمده‌‌ی ذرات با
پادذرات (مادّه با پادمادّه) در بارِالکتریکی (مثبت یا منفی) آن‌هاست. هر ذره
پادذره خود را دارد و در صورت برخورد با یکدیگر هر دو نابود (محو) شده به انرژی
(پرتو، تابش) تبدیل می‌شوند. برای مثال می‌توان از پادپروتون (بارالکتریکی منفی)
به‌عنوانِ پادذره پروتون (بارالکتریکی مثبت)، پوزیترون (بارالکتریکی مثبت) به‌عنوانِ
پادذره الکترون (بارالکتریکی منفی) و پادنوترون به‌عنوانِ پادذره نوترون (بارالکتریکی
خنثی) نام برد. پادمادّه نوعی مادّه است که بعکسِ مادّه از پادذرات تشکیل شده
است. عناصر شیمیائی (اتم‌ها) از الکترون‌ها در مدار و پروتون‌ها و نوترون‌ها در
هسته‌ی اتم تشکیل شده‌اند. اما پادعناصر (پاداتم‌ها) از پوزیترون‌ها در مدار و
پادپروتون‌ها و پادنوترون‌ها در هسته پاداتم تشکیل شده‌اند. پاداتم‌ها و پادملکول‌ها
در طبیعت ناشناخته هستند. ولیکن در سال ۱۹۹۵ فیزیکدانها توانستند پادهیدروژن
(پاداتمِ هیدروژن) را در آزمایشگاه تولید کنند۵.
اشاره: توجه داشته باشیم که پادمادّه و مادّه منفی دو مقوله
متفاوت می‌باشند. اختلاف مادّه با پادمادّه عمدتا در بارالکتریکی (مثبت یا منفی)
این دو است. اما اختلاف مادّه با مادّه‌ی منفی در علامت مثبت یا منفی جواب معادله
نسبیتی اینشتین [E2 = (mc2)2 + p2c2)] است: انرژی (جرم) مثبت یا
انرژی (جرم) منفی.«۲
نظریه (معادلات) نسبیتی اینشتین وجود انرژی (جرم) منفی را مجاز می‌شمارد: E = + mc2 , E = - mc2. با این حال
انرژی همواره مثبت (بزرگتر از صفر) در نظر گرفته شده است. در نتیجه طبیعی است که جرم
نیز به عنوان معادل انرژی مثبت تلقی شود. پی‌آمد چنین برداشتی این بوده که نیروی
گرانشی همواره جذب کننده انگاشته شده است. اما با ملاحظه نیمه دیگر جواب معادلات
اینشتین روشن است که انرژی (جرم) میتواند منفی نیز باشد. در این‌صورت ما نه تنها
نیروی جذب کننده (gravity) بلکه نیروی دفع کننده (antigravity) را هم داریم (حالتِ سوم در شکلِ
زیر):
علت نادیده‌گرفتن نیمه دوم پاسخ معادلات اینشتین، در درجه
اول ناشی از برداشتِ حِسی (حواس پنج‌گانه) ماست، چرا که حواس ما تنها مادّه‌ی مثبت
را شناخته و تجربه کرده و با مادّه منفی کاملا بیگانه است. در درجه دوم کم بها
دادن به منطق ریاضی است که امکان وجود انرژی منفی را نشان می‌داد (E = - mc2) اما جدی گرفته نمی‌شد.
در سال ۱۹۵۷ Hermann Bondi براین نظر بود که جرم میتواند هم مثبت و هم منفی باشد. از دید
او چنین چیزی مغایرتی با منطق ندارد، اگر هر سه فرمِ جرم (جرم فعال، منفعل و لًختی
(active, passive and inertial massمنفی در نظرگرفته شوند.۶
در سال ۱۹۶۵ نظریه سفیدچاله‌ها از جانب Igor Nowikow و Juval Ne’eman (مستقل از هم) مورد بررسی قرار می‌گیرد. سفیدچاله در واقع
"قرینه" سیاهچاله تصور می‌شود که بعکس سیاهچاله، مادّه (جرم) را به
بیرون از خود پرتاب
می‌کند.
در سال ۱۹۶۸ Andrej Sacharov در ارتباط با گرانش‌کوانتومی، گرانش را بهعنوان اثری (effect) شکل‌گرفته از نوسانات
خلاءِ کوانتومیِ نیروهای دیگر (سه نیروی کوانتومی۲) ارزیابی می‌کند.۷
در سال ۱۹۷۰ Jean Marie Sourian با
استفاده از نظریه‌ی گروه‌ها (گروه پوانکاره) نشان داد که انرژیِ (جرمِ) یک ذره میتواند
منفی باشد. او انرژی منفی را هم‌ارزِ انرژی مثبت که عملکردی در جهت معکوس زمان ما دارد
تعبیر می‌کند.۸
در سال ۱۹۸۸ Michael S. Morris و Kip S. Thorne در مقاله‌ی معروفی امکان تثبیت‌پذیری کرم‌چاله‌ها را
با مادّه نامتعارفی (exotic) در واقع همان مادّه‌ی
منفی بررسی می‌کنند.۹ (این مطلب نیازمند توضیح است که در این‌جا مجال
آن نیست.)
و بالاخره در سال ۲۰۱۷ و ۲۰۱۸ فیزیکدانها موفق شدند جرم
(انرژی) منفی را تولید و خواص آن را بررسی کنند.
مادّه‌ی منفی (جرم یا انرژی منفی):
گفتیم که در دنیای کوانتوم، متفاوت از دنیای کلاسیک، امکانِ
جرم یا انرژیِ (مادّه) منفی وجود دارد. معنای جرمِ منفی از جمله آن است که سرعت و
تکانهِ خطی آن جهتی دقیقا معکوسِ جهت ِسرعت و تکانهِ خطی جرمِ مثبت را دارد. در
اغلبِ پژوهش‌ها در باره‌ی جرمِ منفی فرض بر آن است که اصل هم‌ارزی (equivalence principle، یعنی هم‌ارزیِ جرمِ لَختی inertial mass و جرمِ گرانشیgravitional mass ) و قانونِ بقاء تکانه اعتبار خود را حفظ می‌کنند.
انرژی یا جرمِ منفی (E = - mc2) و انرژی یا جرمِ مثبت (E = + mc2) می‌توانند هم‌زمان از خلاء کوانتومی بوجود آیند و در فاصله زمانی
ناچیزی یکدیگر را نابود و دوباره به خلاء کوانتومی تبدیل شوند.این امر که در فیزیکِ
کوانتوم کاملا عادی می‌نماید در دنیای کلاسیک غیرقابل تصور است. در دنیای کوانتوم
جرمِ منفی و جرمِ مثبت می‌توانند هر لحظه و در هر مکانی (در خانه، در خیابان) از
خلاء کوانتومی بوجود آیند و بلافاصله به خلاءِ کوانتومی تبدیل شوند. در فیزیکِ
کوانتوم جرمِ منفی و جرمِ مثبت (مانند بارالکتریکی منفی و مثبت) می‌توانند یکدیگر
را دفع یا جذب نمایند (شکل بالا).
اشاره: مادّه‌ی منفی میتواند در فضازمان، چاله (سفیدچاله)
ایجاد کند و در ارتباط با سیاهچاله، کرم‌چاله‌ای را شکل‌دهند.
گفته می‌شود که انرژی
تاریک، علت انبساط کیهان است، اما تاکنون ماهیت انرژی تاریک مشخص نشده است. حال با
توجه به یافتههای جدید می‌توان این احتمال را داد که شاید انبساط کیهان رابطه‌ی
مستقیم با میزان انرژی منفی تولید شده در کیهان دارد. در مورد مادّه‌ی تاریک نیز
که از جمله علت چرخش کهکشان‌ها شناخته شده است، احتمال داده می‌شود که جرم منفی سبب
چنان پدیده‌هائی باشد.
اشاره: میدان‌های فیزیکی (physical fields) با چگالی انرژی منفی (negative energy density) را می‌توان در آزمایشگاه تولید کرد. برای این منظور از اثر
کازیمر استفاده می‌شود (Casimir
effect) که ریشه در نواسانات
خلاء (Vacuum fluctuations) دارد.
خلاء کوانتومی:
ذرات کوانتومی می‌توانند از انرژی خلاءِ کوانتومی بوجود
آیند. بعد از تولید ذرات (مثبت و منفی به تعداد مساوی) انرژی خلاء کوانتومی در محل
مربوطه برای زمان بسیار ناچیزی منفی (زیر صفر) می‌شود ("مشابه" حبابی در
آب) حالتی که بهعنوان انرژی منفی تلقی می‌گردد. ذرات بوجود آمده بلافاصله یکدیگر
را نابود کرده، دوباره به انرژی تبدیل شده و مکان منفی شده را پر می‌کنند. برای
مثال، ذره الکترون با بارالکتریکیِ منفی (بهعنوان مادّه) و ذره پوزیترون با
بارالکتریکیِ مثبت (به عنوان پادمادّه) از خلاء کوانتومی بوجود می‌آیند و اندکی
بعد در برخورد باهم نابود شده و به انرژی تبدیل می‌شوند. دانیل گرومیلر Daniel Grummiller از دانشگاه وین (اتریش) می‌گوید:
» برای زمان کوتاهی می‌توان از خلاء (کوانتومی) انرژی گرفت و
بدین ترتیب حالتی را ایجاد کرد که نسبت به خلاء (پیشین) انرژی کمتری دارد.« ۵
اما انرژی کمتر نسبت به خلاء کوانتومی معنائی جز انرژی
منفی (جرم منفی) ندارد. گرومیلر ادامه می‌دهد:
» تا مدت‌ها مشخص نبود که حداکثر انترژی که می‌توان از خلاء
گرفت چه مقدار است، در چه زمانی و با چه "بهره‍ای" می‌باید آن را
برگرداند. در باره‌ی این "بهره" ـ"Quantum Interest"ـ حدس و گمان‌های متفاوتی زده می‌شد اما یک نتیجه جامع و به
اثبات رسیده وجود نداشت. اکنون این وضع تغییر کرده و پیشنهاد مشخصی ارائه شده که
نشان می‌دهد حداکثر تا چه مقدار انرژی می‌توان "وام" گرفت. صحت این مطلب
به تازگی معلوم شده است.«۵
در سال ۲۰۱۷ پژوهش‌گران
آمریکائی (دانشگاه ایالتی واشنگتن) موفق شدند حداکثر انرژی را که می‌توان از خلاء‌کوانتومی
"وام" گرفت نشان دهند (Quantum Null Enegiy Condition). طبق این
یافته‌ها خلاء کوانتومی اجازه برداشت وام (انرژی) دلخواه را نمی‌دهد و می‌باید "وام"
گرفته شده را در اسرع وقت برگرداند (خواستِ اصلِ عدمِ قطعیت).
در سال ۲۰۱۸ Nick Vamivakas (دانشگاه راچستر در ایالت نیویورک) موفق به تولید ذره با
جرم منفی گردید (عکسِ زیرِ عنوانِ مقاله).
منابع:
1. S. Dhaha, S. Chakraborty, C. Goodfellow, K. et al. Anomalous
dispersion of microcavity trion- polaritons, Nat.Phys. 14, (2018)
2. H. Bolouri, Why is there something rather than
nothing?
حسن بلوری، "چرا بهجای
هیچ، چیزی وجود دارد؟"، منتشر شده در سایتهای فارسی زبان، سال ۲۰۲۰
3. H. Bolouri, The concept of matter in Philosophy and Science
حسن بلوری، "مفهوم مادّه در
فلسفه و علم"، منتشر شده در سایتهای فارسی زبان. سال ۲۰۲۰
4. H.
Bolouri, Symmetry: The key to recognizing the cosmos
حسن بلوری، "تقارن، کلید
شناخت کیهان"، منتشر شده در سایتهای فارسی زبان، سال ۲۰۲۰
5. D.
Grumiller et al. Local Quantum Energy in Non-Lorentz-Invariant Quantum Field
Theories, phys. Rev. Lett.123, 121602 (2019)
6. H.
Bondi, Negative Mass in General Relativity, Reviews of Modern Physics 29, 1957
7. A.
Sacharow, Vacuum quantum fluctuation in curved space and the theory of
gravitation, Soviet Phys. Dokl., Bd. 12, 1968
8. J.-M.
Souriau, Stucture des Systemes Dynamiques (Structure of Dynamic Systems),
Paris, 1970
9.
Michael S. Morris, Kip S. Thorne, and Ulvi Yurtsever, Wormhols, Time Machines,
and the Weak Energy Condition, Phys. Rev. Lett. 61, 1988
10. H.
Bolouri, The Science of Thinking – Principles and Methods
حسن بلوری، علم اندیشیدن ـ ریشه‌‌ها
و روش‌ها، نشر هزاره ی سوم، زنجان ۱۳۹۴
عکس‌های مقاله از اینترنت