چرا هر ماده‌ای در جهان هستی دارای پادماده متناظر با خود است؟
برای هر ماده شناخته شده در جهان یک پادماده وجود دارد. پادماده بسیاری از ویژگی‌های یک ماده‌ی معمولی را دارد مانند چگونگی تحت تاثیر قرار گرفتن در واکنش ها، جرم، اندازه، بار الکتریکی و... . اما ماده و پادماده برخی تفاوت‌های بنیادی نیز دارند و این تفاوت‌ها هنگامی دیده می‌شوند که بخواهید واکنش ماده و پادماده را مشاهده کنید. اگر شما یک ماده و پادماده را با یکدیگر ترکیب کنید، آن‌ها فوراً یکدیگر را از بین برده و به انرژی خالص تبدیل می‌شوند و اگر بخواهید در جهان باعث وقوع هر واکنشی که یک ذره‌ی ماده را تولید می‌کند شوید، باید بدانید که به صورت هم‌زمان، پادماده نیز ایجاد می‌شود.
به راستی چه چیزی باعث می‌شود که پادماده، تا این حد، با ماده مخالف باشد؟ در واقع بهتر است بگوییم در سطوح بنیادین، چه تفاوتی میان ماده و پادماده وجود دارد؟ آیا یک ویژگی ذاتی وجود دارد که باعث می‌شود یک ذره، ماده یا پادماده باشد؟ آیا یک ویژگی ذاتی مانند اسپین وجود دارد که باعث می‌شود کوارک‌ها و پاد کوارک‌ها از یکدیگر متمایز باشند؟ چه چیزی باعث می‌شود واژه‌ی «پاد» به معنای ضد، به ابتدای پاد ماده آید؟
برای درک بهتر پاسخ این پرسش‌ها ما باید ابتدا نگاهی به ذرات و پاد ذراتی که وجود دارند و شناخته شده هستند بیاندازیم. این یک مدل استاندارد از ذرات بنیادین است؛ مجموعه‌ای کامل از ذرات کشف شده در عالمی که می‌شناسیم و در آن زندگی می‌کنیم. در اصل، دو دسته از این ذرات وجود دارد: دسته‌ی بوزون‌ها که دارای عدد اسپین صحیح (...، ۲-، ۱-، ۰، ۱، ۲، ...) هستند و در دسته‌ی ماده یا پادماده قرار نمی‌گیرند و دسته‌ی دیگر که عدد اسپین آن‌ها نیم‌صحیح (...، ۲/۳-، ۲/۱-، ۲/۱، ۲/۳، ...) است و این‌ها باید یا ماده باشند یا پاد ماده. معمولاً توافق دانشمندان بر این است که این دسته از ذرات را فرمیون می‌نامند.
هر ذره‌ای که می‌خواهد ایجاد شود، یکسری خواص ذاتی برای آن وجود دارد که ما این خواص را به وسیله‌ی اعداد کوانتومی تعریف می‌کنیم. هر ذره‌ی منحصربه‌فردی را که می‌خواهید، به صورت جداگانه و مستقل در نظر بگیرید. این ذره، دارای یکسری خواص ذاتی است که شما با آن‌ها آشنایی دارید؛ اما خواص دیگری نیز دارد که شما آن‌ها را نمی‌شناسید. از جمله خواصی که بیشتر ما با آن‌ها آشنایی داریم، می‌توان به جرم ذره و بار الکتریکی آن اشاره کرد. به عنوان مثال، جرم یک الکترون ۳۱-۱۰ × ۹.۱۱ کیلوگرم و بار الکتریکی آن نیز ۱۹-۱۰ × ۱.۶- کولن است. الکترون‌ها می‌توانند بر اساس مجموعه‌ای از خطوط طیفی و ویژگی‌های انتشار / جذب که بر اساس نیروی الکترومغناطیسی بین آن‌ها ایجاد می‌شوند، به پروتون‌ها متصل شوند تا اتم هیدروژن را خلق کنند. الکترون، نخستین عضو از خانواده لپتونی (شامل الکترون، میون و تاو) محسوب می‌شود و عدد لپتونی ۱ به آن نسبت داده شده است.
این ویژگی‌های الکترون را در نظر می‌گیریم و حال از خود می‌پرسیم که با توجه به قوانین حاکم بر ذرات بنیادین، پادماده‌ی الکترون دارای چه ویژگی‌هایی است و چطور رفتار می‌کند؟
اندازه‌ی تمام اعداد کوانتومی برای پاد ذرات همچنان بدون تغییر باقی می‌ماند؛ اما برای پاد ذرات، باید علامت اعداد کوانتومی را تغییر داد. در این صورت، یک پاد الکترون، دارای ویژگی‌های زیر است که همچنان بر اساس اعداد کوانتومی توصیف می‌شود:
- جرم: ۳۱-۱۰ × ۹.۱۱ کیلوگرم
- بار الکتریکی: ۱۹-۱۰ × ۱.۶ کولن
- عدد لپتونی: ۱-
اگر پاد الکترون را با پاد پروتون ترکیب کنید، باز هم شاهد خطوط طیفی و فرآیندهای انتشار / جذبی خواهیم بود که به هنگام ترکیب الکترون و پروتون مشاهده کردیم و در این خصوص تفاوتی دیده نمی‌شود. تمام این توضیحاتی که داده شد، در محیط آزمایشگاه انجام و تأیید شده‌اند. ذره‌ای که با شرح دقیق ویژگی‌های یک پاد الکترون همخوانی دارد، با یک پوزیترون شناخته می‌شود. دانستن ویژگی‌های این دو ذره زمانی ارزش خود را نشان می‌دهد که شما به چگونگی ایجاد ماده و پاد ماده می‌اندیشید؛ در واقع شما آن‌ها را از هیچ خلق می‌کنید! اگر شما دو ذره را در انرژی‌های بالا با یکدیگر ترکیب کنید، از انرژی اضافه‌ی حاصل ترکیب، یک جفت ماده و پاد ماده‌ی اضافه ایجاد می‌شود. دلیل این موضوع نیز معادله‌ی مشهور E=mc2 است؛ زیرا نشان می‌دهد که انرژی همچنان حفظ شده است.
این تنها انرژی نیست که باید حفظ شود؛ بلکه تعداد زیادی اعداد کوانتومی هستند که باید همچنان حفظ شوند. این اعداد عبارتند از:
- بار الکتریکی
- تکانه زاویه‌ای
- عدد لپتونی
- عدد باریونی
- عدد لپتونی گروه
- بار رنگ
از تمام این ویژگی‌های بنیادین، تنها دو ویژگی هستند که تعیین می‌کنند شما، ماده باشید یا پاد ماده و آن دو ویژگی نیز عدد باریونی و عدد لپتونی هستند. اگر هر کدام از این دو اعداد مثبت باشند، شما ماده خواهید بود. به همین دلیل است که کوارک‌ها با عدد باریونی ۳/۱+ و الکترون‌ها، میون‌ها، تاوها و نوترینوها که هر یک دارای عدد لپتونی ۱+ هستند، ماده به شمار می‌روند. این در حالی است که پاد کوارک‌ها، پوزیترون‌ها، پاد میون‌ها، پاد تاوها و پاد نوترینوها، به دلیل دارا بودن اعداد باریونی و لپتونی منفی، پادماده هستند. این‌ها همگی فرمیون و پاد فرمیون هستند و هر فرمیون یک ذره‌ی ماده و هر پاد فرمیون، یک ذره‌ی پادماده است.
اعداد کوانتومی و علامت آن‌ها ماده یا پادماده بودن را تعیین می‌کنند
اما در این بین، بوزون‌ها نیز حضور دارند. گلوئون‌ها که در دسته‌ی بوزون‌های بنیادی قرار می‌گیرند، به صورت هم‌زمان پادماده‌ی خود را دارند. بوزون ±W نیز حضور دارد که +W پاد ماده‌ی -W به شمار می‌رود. در دسته‌ی بوزون‌ها، Z0، بوزون هیگز و فوتون‌ها نیز دیده می‌شوند که هر یک از آن‌ها، پادماده‌ی خود به شمار می‌روند. به طور کلی، گفته می‌شود که بوزون‌ها ماده یا پاد ماده نیستند؛ زیرا عدد لپتونی و باریونی ندارند. بوزون‌ها ممکن است سایر ویژگی‌های بنیادی مانند جرم، بار الکتریکی و... را داشته باشند؛ اما نمی‌توان گفت که آن‌ها ماده هستند یا پادماده. در این مورد خاص، بوزون‌ها فقط بوزون هستند نه چیز دیگری و اگر بار الکتریکی نیز نداشته باشند، به سادگی پادماده‌ی خود به شمار می‌روند!
با تمام این توضیحات، چه چیزی باعث اضافه شدن عبارت «پاد» به ابتدای پاد ماده می‌شود؟ اگر شما یک ذره‌ی منحصربه‌فرد باشید، آن‌گاه ذره‌ی مخالف شما، در تمام ویژگی‌های بنیادی مانند جرم، بار الکتریکی و... با شما یکسان است؛ اما عدد کوانتومی این مقادیر، عکس شما خواهد بود. این همان ذره‌ای است که اگر با آن روبه‌رو شوید می‌توانید یکدیگر را از بین ببرید و مجدداً به انرژی خالص تبدیل شوید. اگر می‌خواهید که ماده باشید، باید اعداد باریونی و لپتونی مثبت داشته باشید؛ اما اگر تمایل دارید یک پادماده باشید، باید اعداد لپتونی و باریونی شما، منفی باشند. جدای از این، هیچ دلیل بنیادی شناخته شده‌ای در جهان وجود ندارد که باعث شود ماده یا پاد ماده تعریف شوند؛ اما ممکن است روزی ما پی به دلیل دیگری ببریم که تا به امروز آن را نمی‌دانستیم.