نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت

ارسطو معتقد بود که تمامی اشیاء در جهان از چهار عنصر بنیادی تشکیل شده اند: خاک، هوا، آتش و آب. این عناصر تحت تأثیر دو نیرو می باشند: گرانش یا گرایش خاک و آب به پائین آمدن، و سبکی یا گرایش هوا و آتش به صعود. این تقسیم بندی محتویات جهان به ماده و نیرو، امروزه هنوز رواج دارد.

ارسطو اعتقاد داشت که ماده پیوسته است، یعنی میتوان یک قطعه از ماده را بدون حد و مرز به قطعه های کوچک و کوچکتر تقسیم کرد، بی آنکه به قطعه ای که دیگر تقسیم پذیر نباشد، برخورد نمود. اما چند تن از یونانیان مثل دموکریتوس معتقد بودند که ماده ذاتاً دانه دانه است و همه چیز از تعداد بی شماری اتمهای گوناگون درست شده است. (واژه «اتم» در زبان یونانی به معنای بخش ناپذیر است). قرنها این بحث ادامه یافت بدون آنکه گواهی واقعی بسود هر یک از طرفین پیدا شود، اما در سال ۱۸۰۳ شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی- جان دالتون- با اشاره به این واقعیت که ترکیب های شیمیائی همواره در نسبتهای معینی با یکدیگر در می آمیزند، خاطر نشان ساخت که بهم پیوستن اتمها و تشکیل واحدهایی به نام ملکول، بخوبی پدیده بالا را توضیح میدهد. بهر حال بحث بین پیروان این دو مکتب فکری تا سالهای نخست قرن حاضر به نفع اتم گرایان خاتمه نیافت. انشتین یکی از گواه های مهم را ارائه نمود. او در سال ۱۹۰۵، چند هفته پیش از جزوه مشهورش، نسبیت خاص، طی مقاله ای خاطرنشان ساخت که آنچه حرکت براونی خوانده می شود – حرکت نامنظم و تصادفی ذرات کوچک غبار معلق در یک مایع- ناشی از تصادم و برخورد اتمهای مایع با ذرات غبار می باشد.

با اینهمه، در آن هنگام، تردیدهایی نسبت به بخش ناپذیر بودن اتمها ابراز می گردید. چندین سال قبل یکی از محصلین- ترینیتی کالج کمبریج- بنام ج.ج. تامسون وجود یک ذره مادی بنام الکترون را به اثبات رسانده بود. این ذره جرمی، کمتر از یک هزارم جرم سبکترین اتم را داشت. او از وسیله ای مانند لوله تصویر تلویزیون های امروزی سود جست: یک رشته فلزی که از شدت گرما سرخ شده بود، الکترون پرتاب مینمود و از آنجا که بارشان منفی بود، الکترونها به کمک یک میدان الکتریکی، باشتاب بسوی صفحه فسفر اندودی، رانده می شدند و چون بصفحه برخورد میکردند، پرتوهائی از نور تولید می شد. بزودی معلوم شد که این الکترونها از درون خود اتمها باید بیرون آمده باشند و در سال ۱۹۱۱ فیزیکدان انگلیسی- ارنست را تر فورد، سرانجام نشان داد که اتمهای ماده خود دارای ساختاری درونی هستند: آنها دارای یک هسته فوق العاده کوچک با بار مثبت اند که گرد آن، تعدادی الکترون در حرکتند. او با تحلیل چگونگی انحراف ذرات a – که دارای بار مثبتند و از اتمهای رادیواکتیو خارج میشوند- بهنگام برخورد با اتمها، به این نتیجه دست یافت.

در آغاز، می پنداشتند که هسته اتم از الکترونها و تعداد متفاوتی از ذرات با بار مثبت بنام پروتون تشکیل شده است. پروتون از واژه یونانی بنام «نخست» گرفته شده است، زیرا تصور عموم بر آن بود که پروتون واحد اساسی سازنده اتم است. اما در سال -۱۹۳۲ یکی از همکاران- راترفورد- در کمبریج بنام -جیمز چادویک- کشف کرد که هسته شامل ذره دیگری بنام نوترون است که جرمی برابر با جرم پروتون دارد، اما بار الکتریکی ندارد. چادویک بخاطر این کشف جایزه نوبل را دریافت داشت و به ریاست کالج -گونویل و کایوس کمبریج – برگزیده شد. او بعدها بخاطر اختلاف نظر با دیگر کارکنان کالج ازاین سمت کناره گرفت. گروهی از اعضای جوان کالج، پس از بازگشت از جنگ، خواستار برکناری پیرترها از سمتهایی که سالیان سال بر عهده داشتند، شدند. در پایان یک دوره تلخ، هنگامیکه اختلاف نظرهای مشابهی، یکی دیگر از اساتید برنده جایزه نوبل بنام -سرنویل مات- را وادار به استعفا نمود. تا حدود شصت سال پیش، پروتون ها و نوترون ها، ذرات بنیادین انگاشته می شدند. اما بررسیهای بعمل آمده روی برخورد پروتون ها با یکدیگر یا با الکترونها در سرعتهای بالا، نشان داد که در حقیقت این ذرات خود از اجزاء کوچکتری تشکیل شده اند. این ذرات ریز بوسیله فیزیکدان دانشگاه -کلتک،- موری گل مان، -کوارک -نامیده شدند. او در سال- ۱۹۶۹ بخاطر مطالعاتش روی کوارکها جایزه نوبل را ربود. منشأ این نامگذاری را باید در یکی از جملات راز آمیز -جیمز جویس- جست. کلمه کوارک ظاهراً باید مثل کوارت تلفظ شود، با این تفاوت که بجای ت،حرف کاف، در انتهای کلمه است.

چندین نوع کوارک متفاوت وجود دارند؛ دست کم شش «دسته» شناسائی شده اند که بالا، پائین، عجیب، مفتون، ته و سر، نامیده شده اند. هر دسته از سه «رنگ» تشکیل شده است: سرخ، سبز و آبی. (باید توجه داشت که این اصطلاحات، عناوینی بیش نیستند. کوارکها بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی اند و به معنای رایج کلمه، هیچ رنگی ندارند. ظاهرا فیزیکدانان مدرن، به قوه تخیل خود پروبال داده اند و برای نامگذاری ذرات جدید، دیگر خود را بزبان یونانی محدود نمیکنند)! پروتون یا نوترون از سه کوارک، با سه رنگ، درست شده است. پروتون از دو کوارک بالا، و یک کوارک- پائین، و نوترون از دو -پائین ، یک- بالا ، تشکیل شده است. می توان ذراتی از دیگر کوارکها ساخت: (-عجیب ،-مفتون ،-ته و- سر). اما همه اینها جرمی بس زیاد دارند و بتندی به پروتون و نوترون تجزیه می شوند.

امروزه می دانیم که، نه اتمها و نه پروتون و نه نوترون، درون خود تقسیم ناپذیر نیستند. بنابراین مسئله اینست: ذرات بنیادین واقعی که عناصر ساختمانی اولیه همه اشیاء اند، کدامند؟ از آنجا که طول موج نور بسیار بزرگتر از اندازه اتم است نمیتوان به «دیدن» اجزاء اتم به شیوه معمولی دل بست. برای اینکار به چیزی با طول موج بس کوتاهتر نیاز داریم. همانطور که در فصل قبل دیدیم، مکانیک کوانتوم میگوید که ذرات در واقع موج هستند و هر چه انرژی ذره ای بیشتر باشد، طول موج موج متناظر، کوتاهتر است. بنابراین بهترین پاسخی که به سؤال بالا میتوان داد، بستگی دارد به آنکه انرژی ذره ای که در اختیار داریم، چقدر زیاد باشد. دلیل این امر آنست که انرژی ذره تعیین میکنند که حداقل طولی که میتوانیم ببینیم، چقدر است. انرژی این ذرات بر حسب واحدی بنام الکترون ولت سنجیده می شود. (در آزمایش های تامسون روی الکترونها دیدیم که او به کمک یک میدان الکتریکی، به الکترونها شتاب داد. مقدار انرژی ای، که یک الکترون از یک میدان الکتریکی یکی ولتی کسب میکند، یک الکترون ولت میباشد). در قرن نوزدهم یعنی هنگامیکه مردم تنها میتوانستند از انرژی ضعیف چند الکترون ولتی واکنشهای شیمیائی مثل – سوختن- استفاده کنند، می پنداشتند که اتم ها کوچکترین واحد ماده اند. در آزمایش راترفورد، ذره a، ملیونها الكترون ولت انرژی داشت. اینک، ما می توانیم با استفاده از میدانهای الکترو مغناطیسی، نخست میلیونها و سپس هزاران ملیون الکترون ولت انرژی به ذرات بدهیم. و به این ترتیب میدانیم، ذراتی که شصت سال قبل «بنیادین» انگاشته میشدند، در واقع از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند. آیا اگر به انرژی های باز هم بالا تری دست یابیم، معلوم نخواهد شد که اینها نیز بنوبه خود از ذرات کوچکتری درست شده اند؟ بی گمان این امر امکانپذیر است، اما ما دلایل نظری چندی  در دست داریم که باور کنیم سلول های نهائی سازنده طبیعت را میشناسیم، یا به شناسائی آنها بسیار نزدیک شده ایم.                ادامه دارد…