نویسنده و گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

ذرات بنیادین و نیروهای طبیعت

دسته دیگر نیروی الکترو مغناطیس است که با ذره های بارداری، مثل الکترون و کوارک، وارد فعل و انفعال می شوند اما تأثیری بر ذرات غیر باردار، مانند گراویتون ،ندارند. این نیرو بسیار قویتر از نیروی گرانشی است: نیروی الکترومغناطیسی میان دو الکترون در حدود یک ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون ملیون (یک ۱ با چهل و دو صفر) برابر گرانش است. اما دو نوع بار الکتریکی هست مثبت و منفی . نیروی بین دو بار مثبت یا دو بار منفی رانشی است، اما برای دوبار غیر همنام نیروی مزبور جاذبه است. یک جسم بزرگ مثل زمین یا خورشید دارای شمار برابری از بارهای مثبت و منفی است. بنابراین نیروهای جاذبه و دافعه بین ذرات، کمابیش یکدیگر را خنثی می سازند و نیروی الکترو مغناطیسی خالص ناچیزی باقی می ماند. با این وجود در مقیاس کوچک، درون اتمها و ملکولها، نیروهای الکترومغناطیس دست بالا را دارند. جاذبه الکترو مغناطیسی بین الکترونها و پروتونهای هسته، موجب گردش الکترونها بدور هسته میگردد، همانطور که جاذبه گرانشی باعث حرکت زمین گرد خورشید میشود. جاذبه الکترو مغناطیسی ناشی از مبادله شمار زیادی ذره مجازی بدون جرم با اسپین ۱ میباشد که فوتون نامیده می شوند. در اینجا باز فوتونهای رد و بدل شده، ذره مجازی اند. اما وقتی الکترونی از یک مدار مجاز به مدار مجاز دیگری نزدیک هسته منتقل می شود ، انرژی آزاد گشته و یک فوتون حقیقی گسیل می گردد . این فوتون در صورتی که طول موج مناسبی داشته باشد برای چشم انسان مرئی است یا آنکه با یک آشکار ساز فوتون مثل فیلم عکاسی نمایان می گردد. به همین ترتیب، اگر یک فوتون حقیقی با یک اتم برخورد نماید ممکن است الکترونی را از یک مدار مجاز به مدار مجازی دورتر از هسته انتقال دهد. این باعث مصرف انرژی فوتون و جذب آن می شود.

سومین دسته، نیروی هسته ای ضعیف می باشد که موجب پدیده رادیواکتیویته است و روی همه ذرات مادی با اسپین 2/1 اثر می گذارد، اما بر ذره های با اسپین ۰، ۱ یا ۲ از قبیل فوتون و گراویتون اثر نمی کند. تا سال ۱۹۶۷ نیروی هسته ای ضعیف بخوبی شناسائی و درک نشده بود. در آن هنگام، عبدالسلام از کالج سلطنتی لندن و استیون و اینبرگ از هار وارد نظریه هایی ارائه کردند که موجب یکپارچگی و وحدت این قبیل فعل و انفعالات با نیروی الکترومغناطیسی شد ؛ همانطور که ماکسول یکصد سال پیش به الکتریسیته و مغناطیس وحدت بخشیده بود. بگفته آنها علاوه بر فوتون، سه ذره دیگر وجود دارند که اسپین شان ۱ میباشد و همگی بوزون های برداری بزرگ (massive) نامیده میشوند، و حامل نیروی ضعیف اند. ذره اول W+(دابلیو مثبت) ذره دومW- (دابلیو منها) و ذره سومZ0 (زد صفر) خوانده میشود و هر یک جرمی در حدودGeV ۱۰۰ (GeVژیگا الکترون ولت – یا هزار ملیون الکترون ولت است( دارد. نظریه و اینبرگ سلام ویژگی ای را بنمایش میگذارد که بنام شکست خودانگیز تقارن می شناسیمش، یعنی ذراتی که بظاهر در انرژیهای پائین بکلی متفاوت بنظر می رسند، در واقع همگی یکنوع ذره را تشکیل می دهند؛ منتها با حالتهای مختلف در انرژیهای بالا ،همگی بطور مشابه رفتار می کنند مثل گلوله بازی رولت روی گردونه در انرژیهای بالا . هنگامیکه گردونه بسرعت می چرخد، گلوله اساساً تنها یک شکل رفتار میکند: می چرخد و می چرخد. اما چون از سرعت گردونه کاسته میشود ،انرژی گلوله کم می شود و سرانجام در یکی از سی و هفت شکاف گردونه می افتد. بدیگر سخن در انرژیهای پائین، گلوله می تواند سی و هفت حالت بخود بگیرد.اگر بدلایلی قادر بودیم گلوله را تنها در انرژیهای پائین مشاهده کنیم، می پنداشتیم سی و هفت نوع گلوله مختلف موجود است.

بر اساس نظریه و اینبرگ سلام، در انرژیهای بسیار بالاتر ازGeV 100، سه ذره جدید بهمراه فوتون، همگی رفتاری مشابه خواهند داشت. اما در انرژیهای پائینتر که شامل بی۷شتر وضعیتهای عادی است، این تقارن میان ذره ها می شکند: W+ و W- و Z0 جرمهای بزرگی اختیار میکنند و در نتیجه نیروهایی که حمل میکنند کوتاه برد می شوند. هنگامیکه سلام و و اینبرگ نظریه شان را طرح کردند افراد معدودی سخن آنها را پذیرفتند، و شتابدهنده های ذره در آن روزها آنقدر نیرومند نبودند تا بهGeV  100 ، انرژی مورد نیاز برای تولید W+ و W- یا Z0 حقیقی برسند. اما طی ده سال پس از آن دیگر پیش بینی های نظریه در مورد انرژیهای پائین، چنان بخوبی با آزمایش سازگار از آب درآمد که در سال ۱۹۷۹، سلام و واینبرگ بهمراه شلدن گلاشو از هاروارد که او هم نظریه های مشابهی برای وحدت نیروهای الکترو مغناطیسی و هسته ای ضعیف پیشنهاد کرده بود، جایزه نوبل فیزیک را دریافت داشتند. سال ۱۹۸۳ در CERN (مرکز تحقیقات اتمی اروپا)، سه همتای بزرگ پیش گفته فوتون کشف شدند و کمیته نوبل از نگرانی اینکه مبادا دچار اشتباه شده باشد نجات یافت. جرم این ذرات و دیگر خواص آنها با پیش بینی های نظریه کاملاً مطابقت داشت. کارلوروبیا، که گروه چند صد نفری فیزیکدانان مرکز تحقیقات اروپا را رهبری کرده بود، بهمراه سیمون وان درمیر، مهندس CERN که مبدع سیستم ذخیره پاد ماده در این آزمایش بود، بدریافت جایزه نوبل سال ۱۹۸۴ نائل آمد. (امروزه دستیابی به نام و نشان در فیزیک تجربی بسیار دشوار شده است مگر آنکه شخص در رأس باشد!).

چهارمین دسته، نیروی هسته ای قوی است که در نوترون و پروتون، کوارکها را در کنار هم نگاه میدارد و در هسته اتم، نوترون ها و پروتون ها را دورهم جمع می کند . باور عموم بر آن است که ذره دیگری بنام گلوئون gluon ، با اسپین ۱، این نیرو را حمل میکند و تنها با خودش و نیز با کوارک ها، وارد کنش و واکنش میگردد. نیروی هسته ای قوی ویژگی عجیبی دارد بنام تحدید؛ این ویژگی ذرات را بگونه ای در کنار یکدیگر قرار می دهد که هیچ رنگی حاصل نگردد. نمیتوان یک کوارک تنها را یافت، چرا که بناچار رنگی است: سرخ سبز یا آبی ،در عوض یک کوارک سرخ باید با یک رشته گلوئون ،به یک کوارک سبز و یک آبی متصل گردد( سرخ + سبز + آبی= سفید) .این مجموعه سه تائی یک پروتون یا یک نوترون بوجود می آورد. امکان دیگر زوجی مرکب از یک کوارک و یک پادکوارک است (سرخ + پاد سرخ یا سبز + پادسبز یا آبی – سفید). چنین ترکیباتی ، ذره ای بنام مزون  شکل میدهند که ناپایدارند، زیرا کوارک و پادکوارک می توانند یکدیگر را نابود کنند و الکترون و ذره هایی دیگر تولید نمایند. به همین سان خاصیت تحدید مانع از آنست که یک گلوئون تنها بماند، چرا که گلونونها هم دارای رنگ میباشند، در عوض مجموعه ای از گلوئونها را می توان یافت که از ترکیب رنگهای آنها رنگ سفید حاصل شود. چنین مجموعه ای، ذره  ناپایداری تشکیل می دهد که گلوبال  نام دارد.  اینکه خاصیت تحدید مانع از مشاهده یک کوارک یا گلوئون بطور مجزا و منفرد است، ممکن است کل مفهوم کوارک و گلوئون را تا حدی متافیزیکی جلوه دهد. اما نیروی هسته ای قوی، ویژگی دیگری بنام آزادی مجانب وار دارد که مفهوم کوارک و گلوئون را کاملاً تعریف می نماید.

ادامه دارد…