دوگانگی غلط ماده و انرژی

بار ها شده که در حین مطالعه در مورد جهان یا فیزیک ذرات به عبارت “ماده و انرژی” بر خوردید.

به طوری که انگار این دو مخالف همند، یا مانند دو طرف یک سکه اند، یا دو کاتگوری هستند که همه چیز از آنها ساخته شده. جاهای زیادی همچین چیزی دیده میشه. بعضی اوقات نوشته میشه که در لحظه بیگ بنگ، تمام “ماده و انرژی” داخل جهان به وجود اومده. یا مثلا بعضی جاها خونده میشه که “ماده و پادماده یکدیگر را خنثی میکنند و تبدیل به انرژی خالص میشوند”. و یا دو تا از بزرگترین مسائل کیهانشناسی که “ماده تاریک” و “انرژی تاریک” نام دارن.

و خوب این یکم واسه ی خود من هم آزار دهندست. نه بخاطر اینکه این جملات اشتباهن، بلکه به این دلیل که به شدت گمراه کنندن. برای خود فیزیکدان ها مهم نیست، چون تمام این کلمات برای اونا به زبان ریاضی و آزمایش کاملا دقیق تعریف شده، و اینجور کلمات گمراه کننده، اصلا در فیزیک حرفه استفاده نمیشن. اما همونطور که گفتم، برای افرادی که متخصص نیستن این میتونه به شدت گمراه کننده باشه. چون در هر یک از مثال هایی که در پاراگراف قبل آوردم، یک تعریف متفاوت از ماده استفاده میشه. (حتی در بعضی جاها به طور نادرستی با انرژی اشتباه میشه.)

توی این مقاله، سعی شده که از عبارات به طور دقیقی استفاده بشه تا خواننده از این گونه گمراهی ها دور بمونه.

خلاصه:

این مقاله طولانیه، اما امیدوارم به اندازه کافی به شمایی که به دنبال جزئیات هستید اطلاعات بده. اجازه بدید خلاصه ای از مطالبی که توی این مقاله ارائه میشه رو بهتون بدم:

 ماده و انرژی واقعا یک چیز نیستند، و نباید در ذهن کسی با هم قاطی بشن.

 در حقیقت، “ماده” یک اصطلاح مبهم است که چندین تعریف مختلف در مقاله های علمی و گفتمان های عمومی برای این اصطلاح آورده شده. هر تعریف، یک سری ذرات خاص از ذرات موجود در طبیعت رو به دلایل مختلف انتخاب میکنه. درواقع در هر تعریف به یک سری چیزا ماده گفته میشه و اینکه دقیقا به کدوم چیزا، بستگی به زمینه بحث داره.

 انرژی، بر خلاف ماده، اصلا مبهم نیست (حداقل توی فیزیک نیست.) اما انرژی خودش یک چیز نیست، بلکه ویژگی ایه که چیز ها دارند.

 اصطلاح “انرژی تاریک” موضوع رو کمی گیج کننده میکنه. چرا که انرژی تاریک، درواقع فقط انرژی نیست. همچنین انرژی تاریک یک چیز هم نیست. چیز های خاصی هستن كه ميتونن باعث به وجود اومدنش بشن، اما جزئیاتش رو نمیدونیم.

 فوتون ها رو نباید با انرژی قاطی کنیم. تمام ذرات ارتعاشاتی در میدان هایی هستند که انرژی دارند. فوتون ها هم استثنا نیستن. فوتون یک چیز هست، انرژی نیست.

 تمام چیز های موجود در جهان از میدان ها و ذراتشون ساخته شدن. حداقل این دیدگاهیه که از سال 1973 غالبه.

ماده چیست؟

ابتدا، اجازه بدید ببینیم میتونیم این اصطلاحات رو تعریف کنیم یا نه؟

کلمه ی “ماده” همونطور که گفتیم یک واژه ی بسیار مبهم است. یک تعریف جهانی برای آن وجود ندارد که مستقل از تمام پیش زمینه ها باشد. حداقل سه تعریف متفاوت برای آن وجود دارد که در جاهای مختلف استفاده میشوند و وجود دارند:

 ماده، میتواند به مولكول ها و در نهايت به اتم ها نسبت داده شود. بلوک های اصلی که وسایلی که دور و بر خود میبینیم را میسازند. میز، هوا، سنگ، پوست، سیب، (و به طور تعمیم داده شده، میتواند به ذراتی که اتم را میسازند نسبت داده شود، از جمله الکترون ها، پروتون ها، و نوترون هایی که هسته اتم را تشکیل میدهند.)

 یا میتواند به ذراتی که ما به آنها “ذرات بنیادی” طبيعت میگوییم نسبت داده شود: الکترون ها، موئون ها، تائو ها، سه نوع نوترینو، و 6 نوع کوارک. (به عبارت دیگر، تمام ذرات بنیادی ای که حامل نیرو نیستند، (فوتون، گلوئون، گراویتون، Z و W.))

 در حالت سوم به تمام ذراتی نسبت داده میشود که در جهان پیدا میشوند، و با سرعت کمتر از امواج الکترومغناطیس حرکت میکنند.

در هر سه ی این تعاریف، الکترون ها ماده به شمار می آیند. (اگر چه طبق تعریف سوم الکترون در لحظاتی بعد از بیگ بنگ ماده به حساب نمی آمده)، همچنین طبق تعریف سوم بعضی نوترینو ها ممکن است ماده به شمار نیایند. طبق این تعریف ماده تاریک قطعا ماده است، حتی اگر از ذرات جدید ناشناخته ای ساخته شده باشد. 

و اما انرژی: 

 خوشبختانه انرژی، ( در فیزیک ) یک کلمه ی کاملا دقیق تعریف شده است که تمامی فیزیکدان ها روی آن توافق نظر دارند. البته متاسفانه این کلمه در زبان محاوره معانی بسیار زیادی دارد که بنابراین باز هم میتونه گمراه کننده به نظر برسه. فعلا به همین جمله قناعت کنید ،که انرژی خودش یک چیز نیست. اتم یک چیز هست اما انرژی نیست. انرژی ویژگی ایست که چیزها میتوانند داشته باشند، و یا گروه هایی از چیزها میتوانند داشته باشند، و رفتار آن و برهمکنش آن با دیگر اشیاء را تحت تاثیر قرار میدهد. [لازم به یادآوریه که طبق نسبیت کلاسیک ناظران متفاوت، انرژی های متفاوتی به اشیاء نسبت میدهند.]

ذراتی که برای خودشون در فضا حرکت میکنن، میتونن 2 نوع انرژی داشته باشن: انرژی جرم (همون E= mc2، که کاملا مستقل از حرکت ذره است) و انرژی جنبشی (یا حرکتی). که اگر یک ذره در حالت سکون باشد صفر است.

خنثی شدن ذرات و پادذرات با یکدیگر به معنی تبدیل شدن آنها به انرژی خالص نیست!

در بالا، سه تا تعریف متفاوت از ماده بهتون دادم. درزمینه موضوع خنثی شدن ذرات و پادذرات با یکدیگر، معمولا از تعریف اول، یا دوم استفاده میشه.

 گاهی گفته میشه “ماده و پادماده همدیگه رو نابود میکنن و به انرژی خالص تبدیل میشن.” سوالی که مطرح میشه اینه که منظور از “انرژی خالص” چیه؟ معمولا این کلمه در اینجا با فوتون اشتباه میشه. یعنی درواقع وقتی یک الکترون و یک پوزیترون (یا یک موئون و یک پادموئون) با هم خنثی میشن، دو تا فوتون تولید میکنن. اما این با انرژی فرق داره. انرژی چیزیه که فوتون ها دارن! فوتون ها انرژی نیستند. ( من قد و وزن دارم، ولی من قد و وزن نیستم!)

اصطلاح “انرژی خالص” ترکیبی از مخفف سازی، عمومی کردن ادبیات، و چرندیاته
ازانجایی که فوتون ها انرژی جرم ندارن، میشه نتیجه گرفت که انرژی فوتون ها به طور خالص انرژی جنبشیه. اما این مساوی با این نیست که بگیم فوتون، “انرژی خالصه.” فوتون ها ذراتی هستند دقیقا مانند الکترون ها، ارتعاشاتی در یک میدان. هردوی آنها هم انرژی دارن. الکترون و پوزیترونی هم که همدیگه رو خنثی میکنن هم انرژی دارن، اما انرژی نیستند.

. امروزه، وقتی ما در مورد فیزیک مدرن و دیدگاه جدید امروزی از جهان صحبت میکنیم، بیشتر به زبان میدان ها و ذرات است. ما میدان ها را بسیار بنیادی تر از ذرات میپنداریم. به طوری که شما نمیتوانید بدون یک میدان ذره ای داشته باشید. 

“میدان ها و ذراتشون” چه ربطی به “ماده و انرژی” دارن؟ ربط زیادی ندارن. بعضی از میدان ها و ذرات چیز هایین که شما ممکنه بهشون بگید ماده. اما بعضیاشون نیستن. بستگی داره که از چه تعریفی برای ماده استفاده کنید. اما در عین حال، تمام میدان ها و ذرات میتونن انرژی داشته باشن. (اگرچه هیچکدوم انرژی نیستن )

ذرات ماده و ذرات نیرو…

 در بعضی وبسایت ها ممکنه مشاهده کنید که ذرات رو به دو دسته “ذرات ماده” و “ذرات نیرو” دسته بندی کردن. خوب این یکم میتونه قراردادی باشه.

 این تقسیم بندی فعلا کار میکنه، چهار ذره و پادذره های آنها به چهار نیروی طبیعت ارتباط دارند، و تمام ذرات ماده و پادذراتشان بقیه جهان را تشکیل میدهند. اما شرایط زیادی وجود دارد که دیگر نمیتوان از این تقسیم بندی استفاده کرد. برای مثال LHC میتواند ذراتی را کشف کند که در این دسته بندی ها نمیگنجند. حتی ذره ی هیگز هم مشکل سازه.

یکی دیگر از آلترناتیو ها ذرات ماده رو به عنوان فرمیون و ذرات نیرو رو بوزون میدونه. ولی این هم میتونه طی اکتشافات آینده تغییر کنه.

 نکته ای که من میخوام روی اون تاکید کنم، اینه که ذراتی که در طبیعت وجود دارن، فقط یک سری ذره ان که یک سری هم پادذره دارن. و هیچ روشی برای تقسیم کردن اون ها وجود نداره. استفاده از “ماده” و “نیرو” از “فرمیون” و “بوزون” ضعیف تره. اما ممکنه که باز هم از این دسته بندی دوم پیشمون بشیم. چون ممکنه یکدفعه ذره دیگه ای کشف کنیم که این تقسیم بندی رو میشکنه.

برگردیم سر بحث اصلیمون، ماده و انرژی در جهان:

جای دیگری که از این گونه کلمات بسیار استفاده میشوند، در کیهانشناسی است. ما در مورد چیز هایی مثل: ماده، تابش، ماده تاریک، انرژی تاریک میخونیم. استفاده های این کلمات در کیهانشناسی خیلی گسترده ست. که معمولا هرکدام شامل دو یا سه معنی متفاوتن. و به شدت بستگی به موضوع زمینه ای شما دارن.

در زير به بعضي از اين زمینه ها ميپردازيم:

ماده vs پادماده:

هنگامی که میشنوید یک سری کیهانشناس به این شکل صحبت میکنند، معمولا از تعریف اولی که برای ماده گفتیم استفاده میکنند. که به عدم تعادل بین ماده و پادماده در جهان اشاره کنند. این فکت که ذراتی که ماده معمولی را تشکیل میدهند (الکترون ها، پروتون ها، و نوترون ها به طور خاص) بسیار بیشتر از هر یک از ضد ذراتشان وجود دارند.

ماده vs تابش:

وقتی در مورد این دسته بندی میخونید، معمولا با تعریف سوم از “ماده” سر و کار دارید. جهان دارای یک درجه حرارت است. اوایل بسیار بسیار گرم بود و به تدریج خنک شد. در حال حاضر در 2.7 درجه سانتیگراد بالاتر از صفر مطلق است. اگر شما یک گاز از ذرات را در یک دمای معین T داشته باشید، و انرژی های این ذرات را اندازه گیری کنید، می بینید که میانگین انرژی حرارتی برای ذرات توسط kT بدست میاید. که k ثابت معروف بلتزمن است. حالا در این زمینه موضوعی، ماده به هر ذره ای گفته میشه که انرژی جرمش (mc2) بیشتر از این مقدار میانگین انرژی حرکتی kT باشه. چنین ذراتی سرعتی بسیار کند تر از سرعت نور خواهند داشت. و تابش، به هر ذره ای گفته میشود که انرژی جرم آن نسبت به kT بسیار کمتر است، که نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند.

در این زمینه موضوعی چیزی که به عنوان ماده شمرده میشود، بستگی به دما دارد. و در نتیجه بستگی به زمان دارد. در جهان اولیه زمانی که دمای کیهان تریلیون ها درجه بیشتر و داغ تر بود، الکترون ها به عنوان تابش به شمار میان، در حالی که در زمان فعلی، الکترون در دسته ماده قرار دارد. در جهان امروزی، حتی نوترینو ها در دسته ماده قرار میگیرند. اما تمام نوترینو ها در جهان اولیه تابش به حساب می آیند. فوتون ها همیشه تابش به شمار میرفتند و میروند به این دلیل که جرم ندارند.

پس ماده تاریک چیه؟

ما میتوانیم از مطالعه حرکت ستارگان و سایر تکنیک ها نتیجه بگیریم که بیشتر جرم کهکشان از چیزی تشکیل شده که نمیدرخشد. و کار های زیادی انجام شده که اثبات بشه که ذرات شناخته شده تا کنون نمیتوانند مسئول این رفتار باشند. برای توضیح این اثر، گمانه زنی های گوناگونی انجام شده، و بسیاری از آنها (از طریق مشاهده دقیق نحوه برخورد و رفتار کهکشانها) رد شده اند. یکی از بازماندگان این فرضیات، که پیشروست، میگوید که ماده تاریک از ذرات سنگین ناشناخته ای ساخته شده اند. اما بیشتر از این چیزی نمیدانیم. آزمایشات ممکن است به زودی به ما بینش جدیدی بدهند. [در نظر داشته باشید که ممکن است حتی مفهومی به نام پادماده تاریک بی معنی باشد. ذرات ماده تاریک، میتوانند مثل فوتون یا Z پادذره خودشان باشند.]

و در نهایت انرژی تاریک چطور؟

کشف شده که جهان داره سریع تر و سریع تر انبساط پیدا میکنه، و سرعت این انبساط کند هم نمیشه. چیزی که به عنوان فرض، مسئول این اثر شناخته میشود “انرژی تاریک” نام دارد. در واقع انرژی نیست. طبق چیزی که شان کارل میگوید، انرژی تاریک کشش (Tension) هست. نه انرژی. (ترکیبی از فشار و انرژی).دانشمندان میدونن دقیقا دارن در مورد چی حرف میزنن، پس برای اونا مشکل ساز نیست، اما اگر ما میخواهیم واقعا بفهمیم که چه خبره، باید درک کنیم که انرژی تاریک درواقع نوعی از انرژی نیست. انرژی تاریک یک ویژگی است که یک میدان دارد. (یا چند میدان دارند.) یا خود مکان-زمان دارد. ممکنه که فکر کنید که فیزیکدان ها خیلی خلاق نیستن و خیلی مراقب نیستند که از چه کلماتی استفاده میکنند. واقعا هم همینطوره: بیگ بنگ؟ black hole؟ اگر به معنای انگلیسی این کلمات فکر کنید میبینید که چقدر واژه های کسل کننده ای هستند. بنابراین بهتره که وقتی دارید در مورد یک مطلب علمی مطالعه میکنید و یا با کسی بحث میکنید، مواظب باشید و دقت کنید که در چه زمینه موضوعی ای دارید بحث میکنید. که گمراهی ایجاد نشه.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.