بر همكنشها - نيروهاي اساسي

بر همكنشها - نيروهاي اساسي

برهمكنش قوي
فيزيكدانان كه هنوز از موفقيت تئوري الكتروضعيف دچار گيجي بودند، توجه خود را به حل نيروي قوي معطوف نمودند
منشا تئوري واكنش قوي به سال 1935 برمي‌گردد وقتي كه فيزيكدان ژاپني «هيدكي يوكاوا» پيشنهاد داد كه پروتونها و نوترونها توسط يك نيروي جديد كه توسط مبادله ذراتي به نام «پي مزون» خلق مي‌شود در هسته اتم با يكديگر نگه داشته مي‌شوند
در دهه‌هاي 1950 و 1960 فيزيكدانان از شكننده‌هاي اتم در آزمايشگاه‌ها موفق به كشف صدها نوع از ذرات واكنش قوي كه «هادرون»ها ناميده مي‌شوند شدند(كه شامل هم مزون و هم ديگر ذرات واكنش قوي مانند پروتون و نوترون مي‌باشند
هيچكس نمي‌توانست بيان نمايد چرا دنيايي كه تا دهه 1930 بوضوح ساده بنظر مي‌رسيد به يكباره اينچنين پيچيده شد. زماني تصور مي‌شد كه كل كائنات از چهار ذره و دو نيرو (الكترون، پروتون، نوترون، نوترينو، نور و گرانش) ساخته شده، اما فيزيكدانان با سيلي از هادرون‌هاي جديد كه در آزمايشگاهها كشف شدند مواجه گرديدند. يك تئوري جديد نياز بود تا به اين هرج و مرج سر و سامان بدهد
در آن زمان «اپنهايمر» به شوخي گفت كه "جايزه نوبل بايد به فيزيكداني داده شود كه امسال يك ذره جديدي را كشف نكرده باشد". تا سال 1984 بيش از دويست ذره جديد كشف شد
فيزيكدانان همانند «مندليف» كه تقريبا در يك قرن پيش قانون‌مندي عناصر طبيعت و تنظيم آنها در «جدول مندليف» را انجام داد، شروع به جستجو براي تقارني كردند كه با آن بتوان همه هادرون‌ها را طبقه‌بندي كرد. در اوايل دهه 1960 «گل‌مان» نشان داد كه مي‌توان هادرون‌ها را در يك الگوي هشت‌تائي گروه‌بندي كرد. او همانند مندليف توانست وجود و حتي خواص ذراتي را كه تا آن زمان كشف نشده بودند، پيش‌گويي كند. اما اگر اين الگو، قابل مقايسه با جدول مندليف بود، در آن چه چيزهايي جاي الكترون‌ها و پروتون‌ها را مي‌توانستند بگيرند؟
بعدها كشف شد كه اين الگو به خاطر وجود ذرات زيرهسته‌اي كه به آنها لقب كوارك دادند، بوجود مي‌آيد. در حقيقت با تركيب سه نوع كوارك مي‌توانستند تمام ذراتي كه در آزمايشگاهها توليد مي‌شدند را توصيف كنند
در كل شش نوع كوارك وجود دارد كه دو تا دو تا شناخته مي‌شوند

Up/down , charm/strange, top/bottom

بار الكتريكي كواركها به صورت كسري مي‌باشد، مثلا 3/1 و 3/2 ، هادرونها ازكواركها تشكيل شده اند اگر چه كواركها داراي بارهاي الكتريكي كسري ميباشند ولي هادروني كه از تركيب آنها بدست ميايد داراي بار الكتريكي صحيح ايست. كواركها علاوه بر بار الكتريكي حامل يك نوع بار ديگر به نام «بار رنگي» نيز مي‌باشند. نيروي مابين ذرات داراي بار رنگي خيلي قوي است ؛ به همين دليل است كه اين نيرو نيروي قوي ناميده ميگردد. ذرات حامل اين نيروي قوي كه بين كواركها رد و بدل مي‌شود، «گلئون»ها نام دارند. بار رنگي نسبت به بارالكترومغناطيسي داراي ماهيت متفاوتي است، گلوئون‌ها خودشان نيز داراي بار رنگي هستند كه اين امر موجب شگفتي بيشتر آنها مي‌گردد زيرا برعكس فوتونها كه ذرات حامل نيروي الكترومغناطيسي هستند مي‌باشند، فوتونها با وجود اينكه حامل نيروي الكترومغناطيسي هستند ولي خودشان فاقد بارالكتريكي مي‌باشند. از طرفي هادرون‌ها كه از كواركها تشكيل مي‌شوند فاقد بار رنگي مي‌باشند و از نظر بار رنگي خنثي هستند، به همين دليل است كه ما اثرات اين نيروي قوي را فقط در بين هادرونها مي‌بينيم. تئوري‌اي كه اين نيرو را توضيح ميداد، «كروموديناميك كوانتوم» نام داشت.
در سال 1974 ، «شلدون گلاشو» و «هوارد جرجي» تئوري‌اي پيشنهاد كردند كه طي آن نيروي قوي با الكتروضعيف متحد مي‌شد و آنرا «تئوري وحدت بزرگ» (گات) ناميدند.
اين تئوري پيشگويي مي‌كند كه كوارك مي‌تواند تبديل به الكترون شود. اين همچنين بدان معنا است كه پروتون ميتواند به الكترون تبديل شود. زيرا پروتون از سه كوارك تشكيل شده است
هرچند تئوري گات پيشرفتي قابل توجه را در اتحاد نيروي الكتروضعيف با نيروي قوي عرضه مي‌كرد ولي از لحاظ تئوري همچنان ناقص بود. بطور مثال اين تئوري نميتواند بيان كند كه چرا سه كپي فاميل‌هاي ذرات (خانواده‌هاي الكترون، ميون و تائو) وجود دارند. بعلاوه ثابتهاي قراردادي زيادي در تئوري وجود داشت

عليرغم مشكلات تئوري گات، فيزيكدانان هنوز معتقد بودند كه ممكن است تئوري‌اي براي وحدت گرانش وجود داشته باشد

الكتروضعيف
در 1971 يك تئوري جديد ميدان كوانتوم وارد صحنه شد كه مي‌توانست نيروي هسته‌اي ضعيف و الكترومغناطيس را با هم متحد كند. براي اولين بار از زمان ماكسول يعني تقريبا صد سال، نيروهاي طبيعت قدمي ديگر به طرف وحدت برداشتند. يكبار ديگر اسرار معما تقارن مقياس بود.
واكنشهاي ضعيف مربوط به رفتار الكترونها و شركاي آنها بنام نوترينوها مي‌باشد. از تمام ذرات كائنات، نوترينو شايد نادرترين آنها باشد، زيرا شديدا فرّار مي‌باشد. نوترينو، بار و احتمالا جرم ندارد و بسيار بسيار سخت آشكار مي‌باشد
در سال 1933 فيزيكدان بزرگ ايتاليايي انريكو فرمي، اولين تئوري جامع از اين ذرات فرّار كه نوترينو (ذرات كوچك خنثي به زبان ايتاليايي) ناميد، به طبع رساند
تجارب در ارتباط با نوترينوها بسيار مشكل بود زيرا نوترينوها خيلي نافذند و از حضورشان هيچ ردي به جا نمي‌گذارند. در حقيقت آنها مي‌توانند بسهولت به داخل كره زمين رخنه نمايند و از طرف ديگر زمين خارج شوند. در واقع اگر تمام منظومه شمسي پر از سرب سخت بود، بعضي از نوترينوها قادر بودند حتي به آن حصار مستحكم نيز رخنه نمايند
وجود نوترينو نهايتا در سال 1953 در يك تجربه بسيار مشكل در حين مطالعه تشعشعات فراوان خلق شده توسط رآكتور هسته‌اي تائيد شد
از زمان كشف، سالها مخترعين سعي نمودند تا به استفاده‌هاي عملي نوترينو فكر نمايند. بيشتر اين افراد جسور مايل بودند تا يك «تلسكوپ نوترينو» بسازند. با اين تلسكوپ ما مي‌توانيم مستقيما در داخل صدها كيلومتر صخره‌هاي سخت جستجو كنيم، هر كس اهدافي نظير اين براي تلسكوپ پيش‌بيني مي‌كرد. ايده تلسكوپ نوترينو مسلما بسيار خوب است، اما يك مانع وجود دارد: از كجا ما مي‌توانيم فيلم عكاسي پيدا نمائيم كه بتواند نوترينو را متوقف كند؟ هر ذره‌اي كه بتواند به تريليونها تن صخره رسوخ نمايد براحتي مي‌تواند به فيلم عكاسي هم نفوذ كند.
پيشنهاد ديگر خلق يك «بمب نوترينو» بود.فيزيكدان هانيز پاجلز مي‌نويسد كه اين يك اسلحه مطلوب صلح‌طلب مي‌باشد. مانند يك بمب كه مي‌توند براحتي جانشين بمب هسته‌اي مرسوم باشد؛ اين بمب با سر و صدا منفجر شده و منطقه مورد هدف را با سيلي عظيم از نوترينو‌ها بمباران مي‌كند، بعد از اينكه همه را ترساند، نوترينوها بدون هيچ صدمه‌اي از ميان همه چيز عبور مي‌كنند
علاوه بر نوترينو، اسرار واكنشهاي ضعيف با كشف ذرات جديد مانند ميون، عميقتر شد. قبلا در سال 1937 وقتي كه اين ذره در عكسبرداري اشعه كيهاني كشف شد، بنظر درست شبيه الكترون مي‌آمد اما بيش از دويست بار سنگين‌تر از آن بود. براي تمام مقاصد آن ذره درست يك الكترون سنگين بود. فيزيكدانان در سال 1962 با استفاده از شكافنده اتم نشان دادند كه ميون همچنين شريك مجزاي خودش، نوترينوي ميون را دارد. در سال 1978 بار ديگر يك جفت براي الكترون كشف شد ولي اينبار سه‌هزار و پانصد بار سنگين‌تر بود و «تائو» نام گرفت با شريك مجزاي خودش بنام نوترينوي تائو
فيزيكدانان حدس زدند كه نيروي بين الكترونها و نوترونها توسط تبادل يكسري جديد ذرات به نام ذرات W به جاي Weak ايجاد مي‌شود
در اينجا هم تئوري درست با دياگرامهايي شبيه دياگرامهاي فاينمن قابل توصيف بود، به جاي جفت الكترون-پوزيترون، كافيست كه الكترون-نوترينو را جايگزين كنيم و به جاي فوتونها ، ذرات دبليو بگذاريم
مشكل اينجا بود كه تئوري با استفاده از تقارن مقياس قابل بهنجارش نبود و تئوري با بينهايت‌ها درگير بود. تا سالها فيزيكدانان درگير آن بودند
تئوري يانگ-مايلز محتوي يك تقارن رياضي جديد بود كه به «واينبرگ» و «سالم» اجازه داد تا نيروهاي ضعيف و الكترومغناطيس را به همان وضع با هم متحد كنند
فيزيكدانها بطور قوي باور كرده بودند كه نيروهاي ضعيف بصورت نزديكي به نيروهاي الكترومغناطيسي مربوط هستند، سرانجام آنها كشف كردند كه در فواصل بسياركوتاه ( درحدود 10 به قوه 18- متر ) قدرت برهمكنش ضعيف قابل برابري با برهمكنش الكترومغناطيسي است، به عبارت ديگر در سي برابر آن فاصله قدرت برهمكنش ضعيف يك ده‌هزارم ( سه برابر ده به توان منفي هفده) برهمكنش الكترومغناطيسي است، درفواصل مثلا براي كواركهاي داخل يك پروتون يا نوترون ( ده به قوه منفي پانزده ) ، نيرو حتي از آنهم ضعيف‌تر است
فيزيكدانها نتيجه گرفته اند كه درحقيقت نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف اساسا قدرتهاي يكساني دارند , اين به اين دليل است كه قدرت برهمكنش به طور قوي به دوعامل جرم ذرات حامل نيرو و فاصله برهمكنش بستگي دارد ، تفاوت مابين قدرتهاي مشاهده شده آنها از تفاوت بزرگ در جرم ذرات
W و Z كه بسيار پرجرم هستند و فوتونها كه تا آنجا كه ما مي دانيم فاقد جرم هستند ناشي مي گردد
به مجرد اينكه نسبيت خاص بر پايه‌هاي تئوري و مشاهدات استوار شد ، فيزيكدانان دريافتند كه معادله شرودينگر در مكانيك كوانتومي تحت تبديلات لورنتس ناوردا نيست. بنابراين مكانيك كوانتومي كه با موفقيت در دهه 1920 توسعه داده شده بود ، درباره توصيف رفتار ذراتي كه نزديك به سرعت نور حركت مي‌كردند پاسخگو نبود
مشكل آنجا بود كه معادله شرودينگر نسبت به زمان از درجه اول و نسبت به مختصات فضايي از درجه دو بود. معادله كلين-گوردون نسبت به هر دو آنها يعني فضا و زمان از درجه دو بود و راه‌ حلي براي ذرات با اسپين صفر بود

http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/...leinGordon.gif

ديراك ريشه دوم معادله كلين-گوردون را با استفاده از ماتريسي به نام "ماتريس گاما" بوجود آورد و راه حلي شد براي ذرات با اسپين
½
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-Dirac.gif

اما مشكل مكانيك كوانتومي نسبيتي آن بود كه معادلات ديراك و كلين-گوردون در تفسير توليد و نابودي ذرات از فضاي تهي ، خلا ، ناتوان بودند
يافته‌هاي بيشتر با "الكتروديناميك كوانتوم" آغاز شد كه بوسيله فاينمن، شرودينگر و توموناگا در دهه 1940 پايه‌گذاري شد
در تئوري ميدان كوانتوم رفتار و خواص ذرات بنيادين توسط يك‌ سري دياگرامها به نام دياگرامهاي فاينمن قابل محاسبه هستند كه به دقت توليد و نابودي ذرات را شرح مي‌دهند. مجموعه دياگرامهاي فاينمن براي تفرق دو الكترون به مانند شكل زير است.
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-feynman.gif
خطهاي راست سياه نمايانگر الكترونها هستند و خطهاي موجي سبز نمايانگر فوتون و هر حلقه نشاندهنده توليد يك الكترون و پوزيترون از يك فوتون مي‌باشد كه يكديگر را نابود مي‌كنند و يك فوتون خلق مي‌كنند. محاسبه كامل دامنه تفرق، جمع روي همه حالتهاي ممكن براي فوتونها، الكترونها، پوزيترونها و ساير ذرات بود.
محاسبات حلقه‌هاي كوانتومي با يك مشكل بزرگ روبرو بود؛ به منظور محاسبه درست براي فرايند‌ها در حلقه‌ها، بايد از يكي روي همه مقادير تكانه‌هاي ممكن از صفر تا بينهايت انتگرال گرفته شود، اما اين انتگرالها براي يك ذره با اسپين
j در D بعد تقريبا به شكل زير بود
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-loop.gif
اگر مقدار
4j+D-8
" منفي باشد، انتگرال براي تكانه بينهايت (يا طول موج صفر، بر اساس فرمول دوبروي) خوش رفتار خواهد بود. اگر اين طول مقدار صفر يا مثبت باشد، جواب انتگرال بينهايت ميشود و نظريه‌اي كه درست مي‌نمود به نظر غيرقابل درك مي‌رسيد چون فقط جوابهاي بينهايت به ما مي‌داد.
جهاني كه ما مي‌بينيم چهار بعد دارد و يك فوتون اسپين 1 دارد، پس در مورد تفرق الكترون-الكترون اين انتگرال همچنان جواب بينهايت‌مي‌داد، اما جواب انتگرال به كندي به سمت بينهايت ميل مي‌كرد و در اين مورد به نظر مي‌رسيد كه تئوري مي‌تواند بهنجارش شود به صورتي كه بينهايت‌ها به تعداد كمي پارامتر تبديل مي‌شوند، مانند جرم و بار الكترون
الكتروديناميك يك تئوري است كه دو پارامتر دارد، بار و جرم الكترون. معادلات ماكسول علاوه بر نسبيت خاص، تقارن ديگري دارد به نام تقارن مقياس، كه به فاينمن اجازه داد تا سري بزرگي از دياگرامها را گروه نمايد تا پي برد كه او مي‌تواند براحتي بار و جرم الكترون را براي جذب و از بين بردن بينهايتها دوباره معين نمايد
رويهم رفته اين بدان معنا بود كه جرم و بار الكترون بطور ضروري جهت شروع، بينهايت فرض مي‌شد. ولي آنها بينهايتهايي را كه از دياگرامها پديدار مي‌شدند را محدود مي‌كردند و به كلام ديگر قانونمند مي‌كردند.
در واقع مي‌خواست كاري شبيه به " بينهايت منهاي بينهايت مساوي صفر " انجام دهد، و تئوري اوتقريبا به خوبي كار ميكرد.
الكتروديناميك كوانتوم يك تئوري قابل بهنجارش بود و در دهه 1940 به عنوان راه حل كوانتوم نسبيتي به آن توجه شد. اما ديگر ذرات شناخته شده كه حامل نيروها بودند مانند هسته‌اي ضعيف كه باعث راديواكتيويته بود، هسته‌اي قوي كه پروتونها و نوترونها را در هسته در كنار هم نگه مي‌داشت و گرانش كه ما را روي زمين نگه مي‌داشت به اين زودي توسط تئوريهاي فيزيك تسخير نشدند
در دهه 1960 فيزيك ذرات به منظور توصيف نيروي هسته‌اي قوي به مفهومي به نام مدل تشديد دوگانه دست يافت. اين مدل هيچگاه در توصيف ذرات آنچنان موفق نبود، ولي در دهه 1970 فهميده شد كه مدل دوگانه در واقع نظريه‌اي كوانتومي براي ريسمانهاي مرتعش نسبيتي است و رفتارهاي رياضي عجيبي از خود نشان مي‌دهد، در نتيجه مدل دوگانه به عنوان " تئوري ريسمان " ناميده شد
اما نظريه ديگري كه در ابتداي قرن بيستم بوجود آمد ، بار ديگر فيزيكدانان را متعجب ساخت و آن ثابت بودن سرعت نور مستقل از هر ناظري بود. اين يك نتيجه مهيج و جالب از آزمايشات " مايكلسون " و " مورلي " بود ؛ اما چگونه مي شد آنرا بوسيله فيزيك توجيه كرد. انيشتين با يك نظريه ساده و قدرتمند به نام نسبيت خاص آنرا حل كرد. انيشتين يك هندسه خيالي از سيستم مقياس بيان كرد . سيستم مقياس معروفي كه اغلب استفاده مي شد ، از قانون فيثاغورث پيروي ميكردكه در سه بعد به اين شكل بود
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-Euclidean.gif
اين فرمول خاصيت ويژه اي داشت و آن اينكه تحت دوران ناوردا بود. يعني اينكه طول خط با چرخش در فضا تغيير نميكرد . در نسبيت خاص اين مقياس بسط داده شد و زمان را نيز شامل شد ، با يك علامت منفي عجيب كه فضاي چهار بعدي مينكوفسكي
ناميده ميشود
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-Minkowski.gif

درست مانند سيستم فيثاغورث اين رابطه هم تحت چرخش ثابت بود
ولي در اين رابطه جديد يك چيز جالب ديگر نيز وجود داشت و تحت نوعي چرخش فضا-زمان به نام تبديلات لورنتس نيز ناوردا بود. و اين تبديلات به ما ميگويند كه دو ناظر مختلف با سرعتهاي ثابت نسبت به يكديگر ، جهان را چگونه مشاهده ميكنند و همچنين به ما مي گويد كه سرعت نور هميشه ثابت است
انيشتين بعد از آن به سراغ قانون جهاني گرانش نيوتون رفت ؛ در فرمول نيوتون ، نيروي گرانش بين دو جرم
m1 , m2
با مجذور فاصله بين آنها رابطه زير را دارد
http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/...ewtonForce.gif
GN
ثابت نيوتون ناميده ميشود
ميباشد
قانون نيوتون در تشريح حركت سيارات به دور خورشيد و ماه به دور زمين موفق بود و بسادگي قابل توسعه در تئوري ميدان كلاسيك در سيستم هاي پيوسته بود. اگرچه در آن هيچ توضيحي در مورد تغيير يافتن ميدان گرانش در زمان وجود نداشت. بخصوص كه مفهوم جديدي كه از نسبيت خاص بدست آمده بود يعني " هيچ چيزي نميتواند سريعتر از نور حركت كند " را نميتوانست توجيه كند
انيشتين با يك قدم جسورانه به دركي جديد از شاخه اي از رياضيات به نام " هندسه نااقليدوسي " رسيد كه در آن قانون فيثاغورث تعميم داده شد تا سيستم مقياسي كه وابسته به فضا-زمان بود را با ضريبي در بر مي گرفت

http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/L202-Metric.gif

نيشتين نتيجه گرفت كه " براي تدوين قوانين عمومي طبيعت همه دستگاههاي مختصات گاوسي اساسا هم ارزند " و آنرا نسبيت عمومي ناميد
در اين تئوري جديد ، فضا-زمان ميتوانست مانند يك توپ خميده شود. خميدگي تابعي از
gab
و مشتق اول و دوم آن است . در معادله انيشتين

http://www.hupaa.com/Data/Pic/cph03/...inEquation.gif

خميدگي فضا-زمان ( كه با Rµν و R جايگزين شده ) بوسيله انرژي و تكانه Tµν كل ماده در فضا-زمان مانند سيارات ، ستاره ها
غبار بين ستاره اي ، گازها ، سياه چاله ها و ... تعيين ميشود