فیزیک مغناطیس

[Behzad AZ]

چگونگي پديدار شدن ميدان گرانش منفي

[ نيروي ضد جاذبه ، انرژي تاريك ، توجيه حركت شتاب‌دار كهكشانها در كيهان ]

قانون جهاني گرانش : اگر پرتابه‌اي با سرعت زياد ، از يك ارتفاع نسبتا زياد از سطح سياره‌ زمين در امتداد مماس بر دايره‌اي به مركزيت سياره زمين پرتاب شود ، تحت تاثير گرانش ، مسيري منحني شكل را طي مي‌كند و سرانجام بر روي سطح زمين سقوط خواهد كرد . اگر سرعت پرتابه به اندازه كافي زياد باشد ، مي‌تواند يك دايره كامل را حول زمين طي كند و دور زمين بچرخد يعني شكل زير :

اينك اگر پرتابه را ثابت فرض كرده و سياره زمين را با همان سرعت زاويه‌اي پرتابه دوران دهيم چه اتفاقي روي ميدهد . مسلما به استناد نظريات نسبيت ، چون قوانين فيزيكي در تمامي دستگاه‌هاي لخت يكسان است ، پس فرقي نمي‌كند كه پرتابه به دور سياره زمين بچرخد يا سياره زمين با همان سرعت زاويه‌اي دوران داشته باشد و پرتابه ثابت بماند ، در هر دو حالت پرتابه به شرايط بي وزني ميرسد و هيچگاه به سطح سياره زمين سقوط نخواهد كرد . اين مدار در شكل فوق به رنگ قرمز مشخص شده است و اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين كمتر شود ، به مرور زمان پرتابه به سطح سياره زمين سقوط خواهد كرد ، اين منطقه به رنگ صورتي روشن نشان داده شده كه منطقه گرانش مثبت نامگذاري ميشود . و اگر فاصله پرتابه با سطح سياره زمين زيادتر شود ، به مرور زمان پرتابه از سطح سياره زمين دور ( دفع ) خواهد شد ، اين منطقه به رنگ زرد روشن نشان داده ميشود كه منطقه گرانش منفي نامگذاري ميشود . البته ناگفته نماند كه اگر سياره زمين را در حال دوران با سرعت زاويه‌اي پرتابه در نظر بگيريم اين دو منطقه ، شامل تمامي اجرام حاضر خواهد بود و اگر پرتابه را در حال چرخش به دور سياره زمين در نظر بگيريم ، اين دو منطقه فقط شامل پرتابه خواهد شد . حالت ديگري هم وجود دارد يعني سرعت زاويه‌اي پرتابه يا سياره زمين بيشتر از حد لزوم باشد كه در اين صورت پرتابه ابتدا به ساكن از طرف سياره زمين دفع و پرتاب ميشود يعني شكل زير :

توجيه حركت شتابدار كهكشانها در كيهان :
سرعت حركت خطي بعضي از اجرام سماوي در هسته كهكشانها چيزي در حدود يك سوم سرعت نور اندازه‌گيري شده است . در اين وضعيت مي‌توان پيش بيني كرد كه تمامي اجرام خارج از هسته كهكشان در محدوده گرانش مثبت كهكشان بوده و در كناره‌هاي بيروني لبه كهكشان گرانش صفر و در خارج از اين محدوده گرانش منفي ميباشد . يعني تمام كهكشانها در خارج از محدوده گرانش مثبت و صفر خود ، نيروي ضد گرانشي يا گرانش منفي دارند كه به وسيله اين نيرو ميتوانند به حركت و سرعت شتابداري در كيهان دست يابند . اين همان چيزي است كه انرژي تاريك نام گرفته است و تا به امروز از ماهيت آن بي اطلاع بوده‌ايم . لازم به توضيح است كه از زمان نيوتن برخي از فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه در مقابل گرانش كه يك نيروي جاذبه است و مي‌بايست موجب فرو ريزش جهان شود ، يك نيروي دافعه وجود دارد كه مانع درهم ريختن جهان مي‌شود و جهان پايدار باقي مي‌ماند . در هر صورت نه مخالفين جهان پايدار براي ادعاي خود دليل داشتند و نه طرفداران آن مي‌توانستند آنرا اثبات كنند . اين نيروي دافعه‌اي گرانشي ، برون كهكشاني ميباشد و مربوط به داخل كهكشان نمي‌شود .

البته تصور اين پديده تازه شناخته شده براي ما بسيار دشوار مي‌نمايد ، براي اينكه ما از گرانش توقع نيروي جاذبه داريم و نه دافعه ولي اين پديده نو شناخته را ميتوان هم با قوانين جهاني گرانش و هم با نظريات نسبيت توجيه نمود .
اينك سعي مي‌كنيم با فرموليزه كردن روابط فيزيكي ، ادعاي خود مبني بر وجود ميدان گرانش منفي ( يعني نيروي ضد جاذبه ) را به ثبوت برسانيم :

همانطور كه ميدانيم در معادلات فوق f نيروي جانب مركز ( گريز از مركز ) پرتابه ، m جرم پرتابه ، v سرعت خطي پرتابه ، r شعاع مدار يا فاصله پرتابه از مركز جاذبه ( سياره زمين ) ، F نيروي جاذبه مابين مركز جاذبه زمين و پرتابه ، G ثابت جهاني گرانش ، M جرم مركز گرانش ( سياره زمين ) ميباشد . اينك براي اينكه پرتابه به دور مركز جاذبه چرخش دايمي داشته باشد ، ميبايست F=f شود ، كه در اين رابطه فاصله r قابل محاسبه خواهد بود . اينك پرتابه را ثابت فرض كرده و مركز جاذبه را با همان سرعت زاويه‌اي پرتابه دوران مي‌دهيم . براي پيدا كردن روابط فيزيكي ميبايست به جاي سرعت خطي پرتابه ، سرعت زاويه‌اي مركز جاذبه را وارد معادله نماييم ، همانطور كه ميدانيم :

v=wr

كه w همان سرعت زاويه ( راديان بر ثانيه ) ميباشد :

نكته شگفت انگيز در اين معادلات اين است كه w يا سرعت زاويه‌اي ميتواند هم مثبت و هم منفي باشد ، يعني دوران مركز جاذبه در ديد ناظر يا ناظرين ساعت گرد و يا پاد ساعت گرد باشد . ولي شعاع يا فاصله پرتابه و مركز جاذبه همواره مثبت بوده و كسي نمي‌تواند به استناد اين فرمول‌ها مدعي طول يا بعد منفي در عالمي خيالي ديگر شود ( يعني ضد عالم يا ضد دنيا ، ابعاد منفي و ..... ) . در واقع اين فرمول‌ها وجود سفيد چاله‌ها و امكان ورود به دنياي ديگر را نفي و منتفي مي‌كند .


طرح يك مسئله فيزيكي بسيار مهم مربوط به اختر فيزيك :
سياه چاله اي ( جرم نوتروني ) داريم به جرم پنج برابر جرم خورشيد ، اگر سرعت زاويه‌اي اين جرم 500 راديان بر ثانيه باشد ، 1- محدوده ميدان گرانش مثبت 2- مرز ميدان گرانش صفر 3- برد ميدان گرانش منفي پيرامون آن را مشخص كنيد ؟

جواب :
1- محدوده ميدان گرانش مثبت سياه چاله ، كمتر از شعاع 40.682 كيلومتري
2- مرز ميدان گرانش صفر ، مدار 40.682 كيلومتري
3- برد ميدان گرانش منفي ، از شعاع 40.682 كيلومتري تا بينهايت . در واقع برد ميدان گرانشي اين سياه چاله بينهايت است ولي شتاب گرانشي آن بعد از شعاع 40.682 كيلومتري منفي خواهد بود . اين شتاب گرانش منفي سياه چاله ميتواند به خود آن شتاب و سرعت ببخشد ، تا به امروز سياه چاله هايي با سرعت 4000 كيلومتر بر ثانيه شناسايي و رديابي شده‌اند .

اين مسايل براي اولين بار در علم فيزيك ما حل و فصل ميشوند و اينك ما ميتوانيم به راحتي متوجه سه مسئله مهم شويم .

1- چرا تمامي اجرام فعلا به كام سياه چاله ها فرو نمي‌روند ( كشيده نمي‌شوند ) ؟
2- علت اصلي انبساط شتاب دار كيهان چيست ؟
3- جهت توجيه انبساط عالم هيچ نيازي جهت ارايه و پذيرش نظريه انفجار بزرگ نيست ، براي اينكه اين انبساط به راحتي قابل توجيه است !

[Behzad AZ]

وارونگيميادين 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 .

[Behzad AZ]

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 .
طبق معادلات و محاسبات فوق نظريه فعلي توانست توليد و فروپاشي زوج الكترون - پوزيترون را بوسيله امواج الكترومغناطيس توجيه كند ولي از توجيه توليد زوج پروتون - پاد پروتون عاجز ماند چون موج الكترومغناطيس با فركانس و انرژي فوق شناسايي نشده است . اينك اين سوال مطرح ميشود همانطور كه در اطاقك ابر يا گاز مشخص است ( مشاهده ميشود ) الكترون - پوزيترون انرژي جنبشي نيز دارند ، اين انرژي از كجاست در حالي كه تمام انرژي فوتون گاما با آن فركانس محاسبه شده جهت پديدار شدن جرم الكترون - پوزيترون مصرف شد ؟ ما اينجا در محاسبات كمبود انرژي پيدا مي‌كنيم و اين انرژي هم خود به خود توليد و پديدار نميشود پس مفاهيم و قوانين ترموديناميك نقض ميشوند و چنين نتيجه ميشود كه ما در استنباط فعلي خود در آزمون خطا و اشتباه داريم و نياز به بازنگري در توجيه پديده داريم . و اين سوال مهم كه چرا اين فوتون گاما نميتواند انرژي خود را بر روي دو ذره يكسان توزيع كند و آنگونه كه از تصاوير فوق برمي‌آيد انرژي جنبشي پوزيترون بيشتر از الكترون است براي اينكه كمتر منحرف شده و بيشتر تاب برمي‌دارد و به علت بيشتر بودن سرعت ،‌ مسير بيشتري نيز طي مي‌كند . اسم اين نابرابري و بي‌عدالتي فوتون گاما را چه ميتوان ‌گزارد و آن را چگونه توجيه كرد ؟
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 .

[Behzad AZ]

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 .

[Behzad AZ]

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 .

[Behzad AZ]

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 تصويري 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 .

[Behzad AZ]

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 .

[Behzad AZ]

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 :

دو كره زرد رنگ در تصوير فوق ، دو الكترون در حال دوران را نشان ميدهد كه اگر از بالا به آنها بنگريم ، الكترون شماره يك در جهت موافق عقربه‌هاي ساعت در حال دوران بوده ولي الكترون شماره دو در حال دوران مخالف جهت عقربه‌هاي ساعت ميباشد . دواير قرمز رنگ تو در تو ، خطوط ميادين الكتريكي تشكيل شده را نشان ميدهند كه جهت ميادين الكتريكي به وسيله مخروطهاي قرمز رنگ مشخص شده است . البته لازم به توضيح است كه فقط يك لايه از ميادين الكتريكي پيرامون الكترونها رسم شده است . با توجه به اينكه جهت خطوط ميادين الكتريكي دو الكترون هم سو با يكديگر است مسلما ميادين مغناطيسي يكديگر را جذب و هم چنين دو الكترون يك ديگر را خواهند ربود ولي چون مقداري از نيروي الكتريكي الكترون در خارج از دواير رسم شده موجود ميباشد دو الكترون كاملا به هم نخواهند چسبيد بلكه تعادلي مابين جاذبه مغناطيسي و دافعه الكتريكي برقرار ميشود كه الكترونها را همانند يك پيوند شيميايي در كنار يكديگر نگه ميدارد . براي درك بهتر موضوع شكل زيرا را به بينيد .

در حقيقت دو الكترون در نزد هم قرار ميگيرند و يك زوج ماده - ماده را تشكيل ميدهند و ميدان الكتريكي پيرامون الكترون در فاصله كوتاه مي‌بايست به صورت دايره‌اي و بسته باشد كه در غير اين صورت ميادين مغناطيسي پديدار نخواهند شد و دو الكترون نمي‌توانند يكديگر را در يك اوربيتال تحمل كنند . در واقع الكترونها به راحتي با يك چرخش 180 درجه‌اي ، اصطلاحا اسپينشان را در ديد ناظر معكوس مي‌كنند ، و در حالت فوق چنين تصور ميشود كه دو الكترون نسبت به يكديگر قفل ميشوند و جدا شدن آنها به اين راحتي‌ها نخواهد بود و آنچه كه باعث زوجيت در آنها ميشود همجنس بودن يا هم بار بودن آنها نيست بلكه اين نيروي مغناطيسي قوي مابين دو قطب غير هم نام باعث پيوند و زوجيت آنها ميشود كه اين پديده در پروتونهاي داخل هسته و پيوندهاي شيميايي مابين اتمها در ملكولهاي گاز هيدروژن و اكسيژن و .... بسيار مشهود است ، كه از اين رو نظريه نيروي قوي هسته‌اي و نظريات مربوط به پيوندهاي شيميايي را ميتوانيم به گونه‌اي ديگر توجيه نماييم كه در آينده در مورد آنها بحث خواهد شد .

[Behzad AZ]

وارونگي ميادين الكتريكي الكترونها و پديده زوج ماده - پاد ماده :

وارونگي ميدان الكتريكي در يك الكترون زماني روي ميدهد كه يك شوك قوي الكترومغناطيسي توسط پرتو پر انرژي گاما به الكترون وارد شود ، در اين حالت بخصوص ، الكتروني كه تحت تاثير تابش اشعه گاما قرار ميگيرد به علت شارژ ناگهاني الكترومغناطيسي قوي از جانب گاما ، ميدان الكتريكي پيرامونش وارونه شده و به پوزيترون تبديل ميشود . همانطور كه از شكل زير بر مي‌آيد امتداد خطوط الكتريكي در پوزيترون همانند پروتون از داخل به خارج است :

تابش گاما چيست ؟

همانطور كه مي‌دانيم اشعه گاما از نوع امواج الكترومغناطيس مي‌باشد ، البته با فركانس بسيار زياد . طبق تعاريف فعلي موج الكترومغناطيس نوسان سينوسي يك ميدان الكتريكي است كه يك ميدان مغناطيسي مشابه نيز در راستاي عمود بر آن پديدار ميشود . به شكل ( نمودار ) زير توجه نماييد .

همانطور كه ميدانيم انرژي موج گاما در 0 ، 2π ، π برابر صفر است يعني دوره تناوب a 0±kπ. اگر در اين دوره تناوب ، اشعه گاما با زوج الكترون - الكترون ملاقاتي داشته باشد هيچ اتفاقي روي نمي‌دهد . ولي همانطور كه ميدانيم انرژي موج گاما در π/2 و 3π/2 ماكزيمم است يعني دوره تناوب a π/2±kπ . اگر در اين دوره تناوب ، اشعه گاما با زوج الكترون - الكترون ملاقاتي داشته باشد ، بسته به فاز موج گاما كه منفي باشد يا مثبت ، انرژي موج در يكي از الكترونها بسته به وضعيت قطبين مغناطيسي آن الكترون ، تخليه شده و تابش گاما مستهلك ميشود ، يعني تابش گاما و الكترون هدف ميبايست غير هم فاز باشند ( قطبين مغناطيسي غير هم نام رو در رو قرار گيرند ) تا انرژي انتقال يا شارژ شود . در اين وضعيت انرژي دريافتي باعث تشديد ميدان الكتريكي و مغناطيسي ( الكترومغناطيسي ) در يكي از الكترونها ميشود كه مسلما مقداري از آن توسط ميدان مغناطيسي مشترك به الكترون مجاور شارژ ميشود ، ولي عمده انرژي گاما در الكترون اول باعث وارونگي ميدان الكتريكي خواهد شد . چنين به نظر ميرسد كه علت اين وارونگي ميدان ، بيشتر به ساختار ذرات مربوط ميشود . در اين حالت چون جهت ميدان الكتريكي در پوزيترون وارونه شده است ، الكترون - پوزيترون هم ديگر را به شدت مي‌رانند و علت اين رانش قرار گرفتن قطبين مغناطيسي هم نام در جوار يك ديگر است براي اينكه با وارونه شدن ميدان الكتريكي در يك الكترون ، قطبين مغناطيسي آن هم معكوس خواهد شد ، الكترون - پوزيترون از هم جدا شده و در آشكار ساز مشخص ميشوند .

[Behzad AZ]

در شكل A اگر از بالا به دو الكترون نگاه كنيم الكترون اول موافق ولي الكترون دوم مخالف جهت چرخش عقربه‌هاي ساعت مي‌چرخند . در اين حالت دو الكترون با هم پيوند دارند ، در شكل B جهت چرخش الكترونها مشابه حالت قبل است ولي انرژي گاما در الكترون اول تخليه و ميدان آن وارونه شده و به پوزيترون تبديل شده است . همانطور كه قبلا در مورد جريان الكتريسيته DC در دو سيم رساناي موازي گفته شد ، وقتي جهت جريان در دو سيم هم سو مي‌باشد ، سيم‌ها يكديگر را مي‌ربايند ولي اگر جهت جريان را در يكي از سيم‌ها وارونه كنيم دو سيم همديگر را مي‌رانند . در اين روي داد در تصوير فوق ، سه بردار نيرو بر هر يك از الكترون و پوزيترون وارد ميشود .

آشكارسازي زوج الكترون - پوزيترون

به دليل اثرهاي يونشي كه ذرات باردار هنگام حركت خود در گاز توليد مي‌كنند ، مسير حركت آنها قابل رويت است . حال اگر در اين محيط يك ميدان مغناطيسي اعمال شود ، در اين صورت پوزيترون و الكترون به دليل داشتن بارهاي الكتريكي مخالف در قوسهاي دايره‌اي با جهت‌هاي مخالف منحرف مي‌‌شوند . بنابراين مسير الكترون و پوزيترون از هم تفكيك و قابل مشاهده خواهد بود . در شكل فوق نيروي اشعه γ توسط بردار تقريبا افقي نشان داده ميشود ، همانطور كه مشخص ميباشد تمام انرژي آن روي پوزيترون اعمال و سپس پوزيترون مقداري از آن را در همان راستا به الكترون منتقل كرده است . بردارهاي تقريبا عمودي جمع نيروي دافعه الكترون و پوزيترون در لحظه اول و نيروي انحراف دهنده ميدان مغناطيسي آشكار ساز است كه بردار پوزيترون بزرگتر از الكترون است و اين مسئله دال بر زياد بودن انرژي جنبشي و الكتريكي پوزيترون ميباشد كه بر تعداد دوران آن نيز افزوده است ، براي اينكه هر چه قدر سرعت و شتاب يك ذره باردار بيشتر باشد شدت ميدان مغناطيسي توليدي پيرامون آن نيز بيشتر شده ، در نتيجه دوران بيشتري در آشكار ساز خواهد داشت و اگر بار الكتريكي پوزيترون هم بيشتر باشد اين اتفاق روي خواهد داد و به هر حال انرژي پوزيترون از هر لحاظ بيشتر از الكترون است و علت آن تمركز انرژي گاما بر روي آن مي‌باشد . فلش‌هاي داخل دايره نشان دهنده بردارهاي دوران الكترون و پوزيترون به علت چرخش آنها حول محور فرضي خود ، عمود بر صفحه تصوير ميباشد كه برآيند بردارهاي فوق باعث بوجود آمدن قوسهاي دايره‌اي شكل ميشود . علت بر اينكه ذرات باردار در يك ميدان مغناطيسي يا الكترومغناطيسي همواره در راستاي ميدان الكتريكي چرخش مارپيچي مي‌كنند . تصوير فوق بيانگر اين موضع بديهي است كه در يك لحظه مشخص و ثابت ، پوزيترون مسير طولاني‌تري را نسبت به الكترون پيموده است كه اين نشانه سرعت بيشتر پوزيترون نسبت به الكترون است .

در حقيقت انرژي گاما ميتواند سرعت حركت و دوران الكترون اول را افزايش و در نهايت وارونگي ميدان را سبب شده باشد ، يا مي‌توانيم چنين فرض كنيم كه در يك سيم هادي الكتريسيته ، جرياني وجود دارد ولي از خارج سيم ، القاي الكترومغناطيسي قوي صورت مي‌گيرد كه باعث تغيير جهت لحظه‌اي ميدان الكتريكي در سيم ميشود كه البته اين وارونگي در ميدان پوزيترون هم لحظه‌اي بوده و با برگشت ميدان به حالت قبلي ، انرژي ذخيره شده در پوزيترون به حالت پرتو گاما گسيل و پس داده ميشود ، و اين سوال مطرح ميشود كه چرا اشعه گاماي دريافتي مجددا به صورت گاما پس داده ميشود و فرآيندهاي ديگري روي ميدهد ! براي اينكه قطر الكترون و پوزيترون بسيار كم است و دامنه نوساني كمتر و سرعت زاويه‌اي زيادي ميتوانند داشته باشند ، پس به اين خاطر انرژي به صورت پرتو گاما پس داده ميشود !