به گزارش خبرآنلاین، فیزیک‌دانان چند سالی است که توانسته‌اند شکل جدیدی از هسته اتم را کشف کنند. شکل جدید شبیه به گلابی است و برخلاف سه شکل قبلی هسته اتم یعنی کره، قرص و بیضی، متقارن نیست. همین عدم تقارن، برخی از نظرات بنیادی توصیف‌کننده عالم را به چالش می‌کشد.
این یافته نسبتا تازه آن‌قدرها هم بد نیست. پژوهشگران به کمک آن می‌توانند به پاسخ یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک نظری دست پیدا کنند و بفهمند که ماده تاریک از کجا می‌آید؛ علاوه بر آن می‌توانند اثبات کنند که سفر در زمان و بازگشت به گذشته رؤیایی محال است.
مارکوس شِک (Marcus Scheck)، پژوهشگر دانشگاه غرب اسکاتلند می‌گوید: «یافته‌های ما نشان می‌دهد که این اتم‌ها رو به جهتی مشخص در فضا قرار گرفته‌اند. این جهت‌گیری به سوگیری خاصی در زمان ارتباط دارد و نشانه‌ای است واضح از آن‌که بردار زمان، یک‌طرفه است و ما را از گذشته به حال می‌آورد و نمی‌توان آن را به عقب بازگرداند».
گلابی بهتر است یا کره؟
بهتر است برای درک بهتر این شکل جدید از هسته، ابتدا به سراغ شکل‌های قدیمی‌تر آن برویم. کمی پیش از این، دانشمندان فکر می‌کردند که تنها ۳ شکل برای هسته هر اتم قابل تصور است: کروی، قرص‌مانند و بیضی‌شکل.
این شکل‌ها از توزیع بار الکتریکی درون هسته حاصل می‌شوند و از آن‌جایی که هر اتم، ترکیب منحصربه‌فردی از پروتون‌ها و نوترون‌ها دارد، شکل هسته‌اش هم تابع این ترکیب خواهد بود. فرقی نمی‌کند با هسته هیدروژن سروکار داشته باشیم، طلا یا یکی از ایزوتوپ‌های ناپایداری که فقط در آزمایشگاه تولید می‌شوند.
وجه اشتراک این شکل‌های شناخته‌شده، وجود تقارن در آن‌ها بود که به خوبی می‌توانست با نظریه «تقارن سی‌پی» در فیزیک ذرات بنیادی همگام شود. تقارن سی‌پی (CP) ترکیبی از دو تقارن C (بار) و تقارن P (پاریته) است که تصور می‌شود در همه‌جای جهان ما برقرار باشند.
تقارن‌های C، P و CP
تقارن C (بار) می‌گوید که اگر شما بار الکتریکی اتمی را برعکس کنید، فیزیک آن اتم نباید تغییر کند. برای مثال، اگر ما یک اتم هیدروژن و یک اتم پادهیدروژن را در نظر بگیریم، به رغم آن‌که هر دو از اجزایی با بارهای الکتریکی مخالف تشکیل شده‌اند (پروتون مثبت و الکترون منفی در هیدروژن؛ پادپروتون منفی و پوزیترون مثبت در پادهیدروژن) هر دو باید به آزمایش‌های فیزیکی پاسخی یکسان نشان دهند.
تقارن P که به پاریته معروف است، می‌گوید که می‌توان مختصات فضایی توصیف‌کننده سیستم را نسبت به نقطه مبدأ معکوس کرد.به بیان دیگر اگر مختصات x و y و z را با x- و y- و z- جایگزین کنیم، فیزیک سیستم تغییری نمی‌کند. دست راست و دست چپ ما، نمونه‌ای از تقارن پاریته را به نمایش می‌گذارند.
با ترکیب دو تقارن C و P به تقارن CP می‌رسیم. اگر تقارن سی‌پی در جهان ما نقض نشود، می‌توانیم ذره‌ای را با پادذره‌اش عوض کنیم و با جابه‌جایی آینه‌ای مختصات فضایی آن، قوانین فیزیک را در مورد این ذره بدون تغییر نگه داریم. در غیر این صورت تقارن سی‌پی نقض شده است.
برای مثال، در فیزیک ذرات بنیادی، اگر ذره‌ای داشته باشیم که اسپین ساعتگرد دارد و رو به بالا وامی‌پاشد، تقارن CP به آن معنی است که پادذره‌اش می‌بایست اسپین پادساعتگرد داشته باشد و صد درصد از زمان رو به بالا واپاشیده شود. اگر این‌طور نباشد، به آن معنی است که تقارن CP نقض شده است.
در جست‌وجوی نقض CP
نقض سی‌پی می‌تواند راز عدم برابری میزان ماده و پادماده را در جهان ما آشکار کند. مطابق قوانین فیزیک، در انفجار بزرگ بایستی میزان برابری از ماده و پادماده در جهان خلق شده باشد؛ اما حالا که ۱۳٫۸ میلیارد سال از آن زمان گذشته، ما در حالی با شکل‌های گوناگون ماده در سراسر جهان احاطه شده‌ایم که تقریبا اثری از پادماده طبیعی در عالم دیده نمی‌شود.
می‌پرسید این بحث‌ها چه ربطی به شکل هسته اتم دارد؟ بسیاری از نظریه‌های بنیادی فیزیک بر پایه تقارن بنا شده‌اند؛ به همین دلیل وقتی در سال ۲۰۱۳ (۱۳۹۲)، پژوهشگران سرن هسته‌های اتمی گلابی‌شکلی از ایزوتوپ رادیوم-۲۲۴ را کشف کردند، شوک بزرگی به فیزیک‌دانان در سراسر جهان وارد شد. این کشف نشان می‌داد هسته می‌تواند در یک‌طرف سنگین‌تر از طرف دیگر خود باشد.
شرح عکس: شکل گلابی‌مانند هسته اتم رادیوم-۲۲۴سال ۲۰۱۶ (۱۳۹۵)، نتایج تحقیقات روی ایزوتوپ باریوم-۱۴۴ منتشر شد که از ساختار گلابی‌شکل هسته این اتم حکایت داشت و تحقیقات پیشین را تأیید کرد. بخش قابل‌توجهی از پروتون‌های هسته باریوم-۱۴۴ در یک سمت آن جمع شده و توزیع بار استثنائی‌ای به این ایزوتوپ داده بودند.
عدم تقارن و سفر در زمان
اما چرا این ساختارهای نامتقارن می‌توانند مأموریت سفر در زمان را غیرممکن کنند؟
شِک می‌گوید: « توزیع نامتقارن جرم و بار در اتم باریوم -۱۴۴ آن را به سمت خاصی در فضازمان ۴بعدی جهت می‌دهد. در شرایطی که به نظر می‌رسد قوانین فیزیک نسبت به جهت‌گیری بردار زمان بی‌تفاوت هستند، این نقض تقارن توضیح می‌دهد که چرا همیشه داریم از گذشته به حال سفر می‌کنیم و برگشتی در کار نیست.»
تأیید نظرات شک و همکاران او نیازمند پژوهش‌های بیشتری است؛ اما حالا می‌دانیم که جهان آن‌قدر که در مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی تصور شده است، متقارن نیست و باید منتظر شگفتی‌های بیشتری باشیم.
محبوبه عمیدی
- 18
- 3
