نویسنده و گردآورنده: شهرام خبیر
فضا – زمان – حرکت
ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت
با استفاده از دوگانگی موج/ ذره، که در فصل آخر پیرامونش گفتگو کرده ایم، در طبیعت همه چیز را از جمله نور و گرانش، می توان بر حسب ذرات توضیح داد. این ذرات دارای خاصیتی اند بنام – اسپین (Spin). این خاصیت را میتوان به چرخش فرفره، حول محورش تشبیه کرد. اما اینکار ممکن است باعث سوء تفاهم شود، زیرا بنا بر مکانیک کوانتومی، ذرات هیچ محور مشخص و معینی ندارند. اسپین ذرات واقعاً چه میگوید؟ این خاصیت بما می گوید که ذره، از جهت های مختلف چه شکل و شمایلی دارد. یک ذره با اسپین صفر، به یک نقطه می ماند: که از هر سو که نگاهش کنیم فرقی نمی کند
( شکل ۱-۵، i).از سوی دیگر ذره ای با اسپین ۱ مثل یک پیکان می ماند :از جهت های مختلف به شکلهای متفاوت بنظر می رسد( شکل ۱ -۵ ،ii ) . تنها وقتی یکدور کامل بچرخانیمش (۳۶۰ درجه) یکسان بنظر می رسد.
ذره ای با اسپین ۲ مثل پیکان دو سر است( شکل۱-۵، iii ). اگر ۱۸۰ درجه یا نیمدور بگردانیمش شکلش فرق نمی کند. بهمین ترتیب، ذرات با اسپین بالا تر، تنها وقتی یکسان بنظر می رسند که به اندازه کسری از یک دور کامل، آنها را بگردانیم. اینها همه ساده و گویا بنظر می رسند، اما موضوع قابل تأمل آنست که ذراتی یافت می شوند که با یکدور گردش کامل، یکسان بنظر نمی رسند: باید آنها دو دور کامل گرداند! اسپین این ذرات برابر 2/1 است.
تمامی ذرات جهان را بدو گروه می توان تقسیم کرد: ذرات با اسپین 2/1 که تشکیل دهنده ماده اند و ذرات با اسپین ۱،۰، و ۲ که همچنانکه بعداً خواهیم دید منشأ نیروهای بین ذرات ماده اند. ذرات ماده از اصل طرد پاولی پیروی میکنند .این اصل در سال ۱۹۲۵ بوسیله یک فیزیکدان اتریشی بنام -ولفگانگ پاولی- کشف شد و جایزه نوبل سال ۱۹۴۵ به این خاطر باو تعلق گرفت. او نمونه یک فیزیکدان نظری بود: درباره اش می گفتند که حضورش در شهر باعث میشد آزمایشها خطا از آب درآیند! اصل طرد پاولی میگوید: که دو ذره همانند ، در یک حالت نمیتوانند وجود داشته باشند، یعنی آندو نمی توانند در محدوده مقرر بوسیله اصل عدم قطعیت، دارای وضعیت و سرعت یکسان باشند. اصل طرد اهمیت بسیار زیاد دارد چرا که علت عدم فروپاشی ذرات مادی را زیر تأثیر نیروهای ناشی از ذرات با اسپین صفر، یک، و دو، توضیح میدهد: اگر ذرات مادی وضعیت تقریباً یکسانی داشته باشند، باید سرعتهاشان با یکدیگر فرق کند ،یعنی نمی توانند برای مدت زیادی در یکجا قرار بگیرند. اگر جهان بدون اصل طرد آفریده شده بود ،کوارکها، پروتون و نوترونهای جداگانه و مشخص و معینی بوجود نمی آوردند و اینها نیز بنوبه خود بهمراه الکترونها ،اتمهای مجزا و مشخص ایجاد نمی کردند. بلکه همگی فرو می پاشیدند و «شوربا»ی متراکم و یکنواختی را بوجود می آوردند.
تا ۱۹۲۸ درک کامل الکترون و دیگر ذرات با اسپین ۲/۱،مقدور نشد. در این سال -پل دیراک -که بعداً بعنوان استاد -لوکازین- ریاضیات در کمبریج انتخاب شد (همان سمتی که زمانی نیوتن بر عهده داشت و اکنون بر عهده من- هاوکینگ- است) نظریه ای ارائه داد که در نوع خود بی نظیر بود، چرا که هم با مکانیک کوانتوم سازگار بود و هم با نظریه نسبیت خاص. این تئوری بطور ریاضی توضیح میداد که چرا اسپین الکترون ۲/۱ است. به عبارت دیگر چرا وقتی آنرا تنها یک دور کامل میگردانیم یکسان بنظر نمی رسد، اما با دو دور گردش ،چنین میشود. نظریه او همچنین پیش بینی میکرد که الکترون باید یک همراه داشته باشد : یک پاد الکترون یا پوزیترون. در سال ۱۹۳۲ کشف پوزیترون نظریه دیراک را مورد تأیید قرار داد و منجر به اعطای جایزه نوبل ۱۹۳۳ فیزیک به او شد. اکنون ما میدانیم که هر ذره، یک پاد ذره دارد که با آن میتواند نابود شود. (در مورد ذرات حامل نیرو، پاد ذره ها مثل خود ذرات می باشند). از پاد ذره ها، تا پاد جهان ها و پادمردمانی میتواند وجود داشته باشد. در هر صورت، اگر روزی با« پادخودتان» ملاقات کردید، با او دست ندهید! وگرنه هر دو در جا محو می شوید و یک جرقه بزرگ نورانی تولید خواهد شد. اینکه چرا تعداد ذره ها از پادذره ها در اطراف، بیشتر بنظر می رسد، سؤالی بس مهم است و بعداً در همین فصل به آن خواهم پرداخت. در مکانیک کوانتوم،فرض بر آنست که نیروها یا واکنش های بین ذرات مادی، همگی بوسیله ذرات با اسپین عدد صحیح – ۰، ۱ ، یا ۲ – انجام می گیرد. آنچه اتفاق می افتد آنست که یک ذره مادی، مثل یک الکترون یا کوارک، یک ذره حامل نیرو را گسیل میکند.
پس زدن ناشی ازاین گسیل، سرعت ذره مادی را تغییر میدهد. ذره حامل نیرو سپس با یک ذره مادی دیگر برخورد میکند و جذب میشود.این برخورد سرعت ذره دوم را تغییر می دهد، درست مثل آنکه بین دو ذره مادی نیرویی اعمال شده است.
ویژگی مهم ذرات حامل نیرو آنست که از اصل طرد پیروی نمی کنند، یعنی هیچ محدودیتی برای تعداد ذرات رد و بدل شده ، وجود ندارد، و این خود عامل شکل گیری نیروهای قوی است. اما اگر ذره های حامل نیرو جرم زیادی داشته باشند،تولید و مبادله آنها در فاصله های طولانی، دشوار و بنابراین برد حمل نیروها ، بسیار کوتاه خواهد بود. از سوی دیگر، چنانچه ذرات حامل نیرو هیچ جرمی از خود نداشته باشند، نیروهایی دور برد خواهیم داشت. گفته می شود ذرات حامل نیرو که میان ذرات مادی رد و بدل میشوند ، ذرات مجازی اند زیرا« بر خلاف ذرات حقیقی»، آنها را مستقیماً با یک آشکارساز ذره، نمی توان نمایان کرد . با اینحال ما میدانیم که آنها وجود دارند چرا که دارای تأثیری سنجش پذیر میباشند: آنها نیروهای میان ذرات مادی را ایجاد می نمایند. ذره های با اسپین ۰، ۱ یا ۲ ، تحت شرائطی مستقیماً آشکار پذیرند و بمثابه ذرات حقیقی تلقی میشوند. در این حالت، آنها بصورتی بر ما ظاهر می شوند که فیزیکدانان کلاسیک موج مینامند، مثل امواج نور یا امواج گرانش. آنها گاه ،وقتی ذرات مادی با مبادله ذرات مجازی حامل نیرو، بریکدیگر تأثیر متقابل میگذارند، گسیل میشوند. (مثلاً نیروی الکتریکی رانش میان دو الکترون، ناشی از مبادله فوتون های مجازی است، که هرگز بطور مستقیم آشکار نمی شوند؛ اما اگر الکترونی از کنار دیگری بگذرد، فوتونهای حقیقی ممکن است خارج شوند که برای ما به شکل امواج نور نمایان می گردند).
می توان ذرات حامل نیرو را بر حسب شدت نیروئی که حمل میکنند و ذراتی که بر آنها متقابلاً تأثیر میکنند،به چهار دسته تقسیم بندی کرد. تأکید می کنم که این تقسیم بندی ساختگی است؛ و برای ساختن نظریه های -پاره ای-مناسب است، اما هیچ معنای ژرفتری ندارد. بیشتر فیزیکدانان امیدوارند سرانجام نظریه یکپارچه ای بیابند که بتواند هر چهار نیرو را بعنوان وجوه مختلف یک نیروی واحد توصیف نماید. در واقع بسیاری برآنند که این- آماج نخستین – فیزیک امروز است.
بتازگی، تلاشهای موفقی در جهت وحدت سه نیرو از چهار دسته نیرو ،بعمل آمده است – و من آنها را دراین فصل توضیح خواهم داد. و اما در مورد وحدت دسته نیروهای باقیمانده، یعنی گرانش، در فصل های بعد بسراغش خواهیم رفت. نخستین دسته نیروی گرانش است. این نیروئی عام است، یعنی بر هر ذره ای متناسب با جرم یا انرژی اش، نیروی گرانش وارد می شود. گرانش در مقایسه با سه نیروی دیگر به مراتب ضعیفتر است؛ بطوریکه اگر دو ویژگی خاص را دارا نبود، آنرا در نظر نمیگرفتیم:گرانش می تواند تا فاصله های دور عمل کند و همواره نیروئی جذب کننده است. یعنی همین نیروهای ضعیف گرانش میان تک تک ذرات در دو جسم بزرگ، مثل زمین و خورشید، همگی با یکدیگر جمع میشوند و نیرویی عظیم بوجود می آورند. سه نیروی دیگر یا کوتاه برد هستند یا آنکه گاه جاذبه و گاه دافعه اند، در نتیجه گرایش آنها به خنثی سازی یکدیگر است .در توصیف میدان گرانش از دیدگاه مکانیک کوانتوم ، نیروی میان دو ذره مادی، بوسیله ذره ای با اسپین ۲ بنام -گراویتون -حمل می شود. گراویتون از خود جرمی ندارد، ازینرو نیرویی که حمل میکند، دور برد است. نیروی گرانشی میان خورشید و زمین را ، به مبادله گراویتون ها بین اجزاء تشکیل دهنده این دو کره ،نسبت می دهند. هر چند ذره های رد و بدل شده ،مجازی اند اما تأثیرشان سنجش پذیر است- آنها زمین را بگردش دور خورشید وامی دارند! گراویتونهای حقیقی چیزی را درست می کنند که فیزیکدانان کلاسیک -امواج گرانشی- می نامند. آنها بسیار ضعیفند و بدشواری آشکار میشوند و در واقع کسی تا کنون آنها را مشاهده نکرده است.
ادامه دارد…
