تصویر جهان در فیزیک امروز (نسبیت به علاوه کوانتوم)

نوشته شده توسط:کیوان فیض مرندی در چالشهای فیزیک » جهان موازی | ۰۷ فروردین ۱۳۹۴ - ۱۴:۱۴ | ۲ دیدگاه

فیزیک کلاسیک یا فیزیک نیوتونی براساس تئوری نیوتون و دیدگاه مکانیکی وی شکل گرفته است. با ورود تئوری های کوانتوم و نسبیت به عرصه فیزیک و آشکار شدن ناتوانی های فیزیک کلاسیک در چند مورد، برداشت ما از جهان و پدیده های آن به کلی متحول شد. این تحول تئوریک و فلسفی موجب گردید که علم فیزیک عنوان "فیزیک جدید" را بیابد. فیزیک کلاسیک حرکت را جابجایی پیوسته ماده تعریف می کرد، به یک جهان محاسبه پذیر اعتقاد داشت، فضا و زمان را کمیت های مطلق و مجزای از هم در نظر می گرفت، به خاطر دیدگاه مکانیکی خود برخوردی اجزانگرانه با جهان و پدیده هایش داشت، جهان را ماشینی ساعت گونه به تصویر می کشید، به نظم علت و معلولی اعتقاد داشت، فضای فاقد ماده را کاملاً خالی می پنداشت و بالاخره اجزاء اتم و فوتون را ذره های مادی صلب فرض می کرد.

در یک جمله، فیزیک جدید دنیایی کاملاً متفاوت از آنچه را که ما به آن عادت داریم معرفی می کند و درستی تمامی ادعاهای فیزیک نیوتونی را به زیر سئوال می برد. در رابطه با نظم جهان نیز دیدگاهی کاملاً متفاوت از دیدگاه مکانیکی نیوتون دارد. با تئوری کوانتوم، تفکر تشکیل جهان از ذرات مادی صلب منسوخ می شود و نشان داده می شود که برخورد دو ذره (مثلا دو اتم) هرگز مانند برخورد دو توپ یا دو گلوله جامد نیست. توضیح اینکه، شبیه فضای خالی منظومه شمسی، اکثر حجم اتم را نیز فضای خالی تشکیل می دهد.

بنابراین، برخلاف تصور ما، در فرآیند برخورد اتم ها، آخرین لایه الکترونی یک اتم با آخرین لایه اتم دیگر تماس نمی یابد و مثلا الکترون های دو اتم با هم تصادم نمی کنند، بلکه فاصله بسیار زیادی بین این دو لایه الکترونی خواهد بود. در حقیقت این فاصله در حدود ابعاد اتم است. انگار دو منظومه شمسی از فاصله چند میلیون کیلومتری هم عبور کنند. بارمنفی الکترون های دو اتم موجب می شود که اتم ها همدیگر را از فاصله ای کیهانی (نسبت به اندازه اتم و الکترون ها) دور کنند و با فاصله بسیار زیادی از کنار هم عبور نمایند. لذا هرگز تماسی از آن نوع که ما به آن عادت داریم وجود ندارد. الان که این کتاب را در دست دارید فاصله بین مولکول های کاغذ و مولکول های انگشتتان در همین مقیاس کیهانی است. اینکه ما کاغذ را زبر یا نرم احساس می کنیم ناشی از تماس مولکول های کاغذ و دست نیست چرا که اصلا تماسی در کار نیست. البته، تردیدی نیست که احساس نرمی (یا زبری) ناشی از تاثیر غیرقابل انکار مولکول های کاغذ و دست بر روی همدیگر است ولی این "تاثیر" ناشی از تصادم مولکول های دست و کاغذ نیست.

از دیدگاه فیزیک جدید، هر ذره (مثلا اتم) دارای میدان خاصی در اطراف خود است و توسط همین میدان خاص است که یک ذره بر ذره دیگر اثر می گذارد. در مقایسه با اندازه یک ذره، اندازه یک میدان میلیاردها بار بزرگتر است. برای سادگی درک مطلب می توان این میدان را مشابه هاله ای تجسم نمود که ذره را احاطه کرده است. طبعاً جسمی که از مجموعه ذرات تشکیل شده است میدانی به مراتب بزرگتر و قوی تر خواهد داشت. بنابراین، کره زمین نیز به نوبه خود دارای میدان خاص خودش است. به عنوان مثال، سقوط اجسام بر روی زمین تحت "تاثیر" یکی از همین میدان هایی است که کره زمین را احاطه می کند و به میدان جاذبه مشهور است. میدان دیگری که کره زمین را در بر می گیرد میدان مغناطیسی زمین است که از دوران دبستان با آن آشنایید.

راستی، این میدان ها که غیرقابل رویتند چیستند، چه خصوصیاتی دارند و چگونه و با چه مکانیزمی بر روی هم اثر می گذارند؟ قبل از اینکه به ساختار میدان بپردازیم لازم است که با یک خصیصه مهم و اساسی که در مورد هر میدانی صدق می کند آشنا شویم. هر میدانی شبکه ای از ارتباطات را شامل می گردد و در حقیقت یک پیام رسان است. توسط شبکه ارتباطی و لذا پیام رسانی همین میدان هاست که ذرات به خصوصیات هم پی می برند و مثلا همدیگر را جذب یا دفع می کنند. این موضوع در مورد اجسام بزرگ مثل انسان نیز صدق می کند. تمام درک ما از اطراف مان به کمک پیام هایی است که حواس پنجگانه (بینایی، شنوایی، لامسه، چشایی و بویایی) دریافت می دارند. کیفیت این پیام هاست که به ما امکان تشخیص اجسام و خصوصیات آنها را می دهد و بر همان اساس می توانیم واقعیات را برای خود تعریف و تعیین نماییم. بدون این پیام ها ارتباط ما با جهان

تئوری کوانتوم اساساً به دنیای داخل اتم تعلق دارد و اجزاء اتم و پدیده های مربوط به آنها را که اصطلاحاً "پدیده های کوانتومی" نامیده می شوند مورد بررسی قرار می دهد. در طی یک قرن از آغاز ورود این تئوری به عرصه علم و تکنولوژی، کارآیی و صحت آن به طور مداوم مورد مداقه قرار گرفته است و تا امروز موردی پیش نیامده است که ما را به رد این تئوری تشویق نماید

اطراف قطع می شود و هیچ تفاوتی با یک مرده نخواهیم داشت. آشکار است که باید این پیام ها از جایی ارسال شوند که همینطور هم هست. تمام اجسام از خود پیام هایی خاص ارسال می دارند و بدین ترتیب وجود خود را اعلام می دارند. مثلا، نمک طعام هیچ پیام بویایی قابل تشخیص توسط انسان معمولی را ارسال نمی دارد و لذا نمی توان از طریق حس بویایی به وجود نمک پی برد. لیکن همین نمک طعام پیام های بینایی و چشایی ارسال می کند و به ما اجازه می دهد تا آن را توسط چشم ها و زبانمان درک کنیم. در فیزیک کوانتوم، همین شبکه ارتباطی (یا میدان ها) هستند که موجودیت، روابط و رفتار دنیای کوانتوم و پدیده های کوانتومی را شکل می دهند. از نظر فیزیک جدید روابط بین ذرات و در نهایت میدان ها اهمیت بیشتری دارند تا خود ذرات. به عبارت ساده تر آنچه اهمیت دارد رقص است نه رقاص، آهنگ است نه ساز، مفهوم است نه حروف.

در اواخر قرن نوزده علاقمندی به جاذبه و الکترومغناطیس زیاد شد و موضوع چگونگی عمل این نیروها مطرح گردید. ماکسول نشان داد که نور، امواج الکترومغناطیسی است ولی به این پرسش که چگونه امواج الکترومغناطیسی خورشید به زمین می رسند جواب قانع کننده ای ارائه نشد. گفتنی است که در برداشت عامیانه (و تئوری نیوتون)، فضای بین سیارات خالی فرض می شود و جهان مجموعه ای از اجسام مادی یا "چیزها" که در فضای خالی یا "هیچ" شناورند تصور می گردد. لیکن، بسیاری از متفکرین از عبارت "فضای خالی" چندان خوششان نمی آید. از همان اوایل قرن بیستم عده ای ترجیح می دادند که فضای میان اجسام را مملو از ماده ای ناشناخته تصور نمایند. دلیل اعتقاد به وجود این ماده مرموز آن بود که مشابه امواج آب و صوتی که احتیاج به ماده ای مانند آب و هوا دارند تا انتقال یابند، امواج نور نیز نیاز به محیطی دارند تا منتشر گردند. ابراز می شد که مگر می شود نور خورشید بدون هیچ محیط واسطی به زمین برسد؟

سرانجام، برای بیرون آمدن از این تنگنا، فضا مملو از ماده ویژه ای به نام اتر فرض شد که انتقال دهنده یا واسط امواج الکترومغناطیسی (و جاذبه) بود. هرچند فرضیه وجود اتر به رفع تنگنای فیزیک کمک کرد لیکن علیرغم آزمایشات زیاد، هنوز مدرک قانع کننده ای دال بر وجود اتر (یا رد قاطع آن) به دست نیامده است. مشکل این است که حتی اگر وجود اتر را باور داشته باشیم باید آنرا ماده ای با خصوصیات عجیب و غریب که چندان با مذاق فیزیکدان ها سازگار نیست فرض کنیم. این خصوصیات عبارتند از شفافیت فوق العاده زیاد و انعطاف پذیری و کش سانی (حالت ارتجاعی) فوق العاده بالا که آنرا قادر سازد تا ارتعاشات فوق العاده ریز امواج نور را انتقال دهد. جالب است که علیرغم ناتوانی ما در اثبات وجود اتر، هنوز فیزیکدان ها دلزده نشده اند، هرچند که ناشناخته و مرموز ماندن این ماده چندان خوشایندشان نیست.

انیشتین هم در سخنرانی خود که با عنوان "اتر و تئوری نسبیت" در سال 1920 ایراد کرد اقرار نمود که وجود اتر را رد نمی کند. وی اظهار داشت : "تئوری نسبیت خاص، وجود اتر را نفی نمی کند و قبول این فرض که اتر به نوعی وجود دارد بدون مانع است، فقط نباید هیچ نوع حرکتی را به آن نسبت داد." به گفته انیشتین، تا روزی که شناخت کاملی از جنس و کیفیت فضا به دست نیاورده ایم، خواص شناخته شده آن (مانند انبساط، انحناء و پیوستگی) به ما اجازه نخواهند داد که به این سادگی ها وجود اتر را انکار نماییم. البته، تئوری نسبیت عام، خود فضا را همان اتر تصور می کند که انحنای آن نیروی جاذبه را تولید می نماید. همانطور که دیدیم، تئوری فوق اعلام می دارد که ماده (یا انرژی) شکل (یا هندسه) فضا را تغییر می دهد و همین تغییر هندسه فضا بر روی حرکت ماده (یا جابجایی انرژی) اثر می گذارد. با این برداشت، می توان فضا را همان محیط انتقال جاذبه یا نوعی اتر دانست.

بعدها، ورود نظریه میدان ها این مشکل را به گونه ای حل کرد. برخلاف "فضای خالی" تئوری نیوتون که ذرات مادی صلب در آن شناورند و بر روی هم اثر می گذارند، در نظریه میدان ها اصطلاح "فضای خالی" بی معنی است. هر نقطه ای از فضا متاثر از میدان های اجسام دور یا نزدیکش است. ذرات مادی به عنوان مراکز انتشار پیام در نظر گرفته می شوند که پیام های خود را با سرعت نور منتشر می کنند و حضور و موجودیت ذرات را به همه جا اعلام می کنند. با این برداشت، فضا هیچ وقت خالی نیست و حتی در غیبت ماده نیز حاوی یک یا چند میدان (یا شبکه ارتباطی) است.

در نظریه میدان ها، هر جسم مادی (مثلا کره زمین یا یک لیوان) دارای یک میدان جاذبه است. هواپیمایی هم که در ارتفاع خاصی پرواز می کند میدان جاذبه خود را دارد که بر روی میدان جاذبه کره زمین تاثیر می گذارد و خود نیز از آن متاثر می شود. نتیجه این تاثیر متقابل عبارتست از کشیده شدن هواپیما به طرف زمین که هواپیما از موتورهایش برای خنثی کردن این کشش استفاده می کند. البته، زمین هم به طرف هواپیما کشیده می شود ولی شدت میدان جاذبه زمین فوق العاده بیشتر از شدت میدان جاذبه هواپیماست (چون جرم زمین فوق العاده بیشتر از جرم هواپیماست و لذا انحنای فضای بسیار بیشتری را موجب می گردد) و به همین دلیل نیروی کشش زمین بسیار بزرگتر است.

در فیزیک جدید، میدان جاذبه هر جسمی از ذراتی به نام گراویتون تشکیل می شود که به طور دائم و در تمام جهات از جسم منتشر می شوند و با سرعت نور انتشار می یابند. ممکن است سئوال شود که آیا انتشار دائمی گراویتون ها از جرم اجسام نمی کاهد؟ توجه داشته باشید که هر جسمی در این جهان در اقیانوس عظیمی از گراویتون ها قرار دارد که از اجسام موجود جهان انتشار می یابند و اگر جسم مورد نظر ما گراویتونی از دست می دهد گراویتون دیگری را جذب می کند. شدت میدان جاذبه به تعداد این گراویتون ها بستگی دارد و هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد تعداد گراویتون های ارسالی آن بیشتر می شود. هرقدر هم که تعداد گراویتون های ارسالی یک جسم بیشتر گردد نیروی جاذبه بزرگتری را می تواند اعمال کند.

این را نیز باید گفت که میدان جاذبه تنها یکی از میدان های شناخته شده را شامل می شود و میدان های دیگری نیز وجود دارند و از آن جمله میدان الکترومغناطیسی که ذرات تشکیل دهنده آن فوتون نامیده می شوند که بسته به طول موج فوتون ها ممکن است بتوان آنها را به شکل نور مرئی دید. به عنوان مثال، یک الکترون علاوه بر میدان جاذبه دارای میدان الکترومغناطیسی نیز هست. جالب است که میدان های مختلف به طور مستقل عمل می کنند و با وجود اشغال فضایی مشترک، مزاحمتی برای همدیگر تولید نمی کنند.

با تعبیر هر میدانی به عنوان یک شبکه ارتباطی، تفاوت میدان ها تنها در نوع و کیفیت رابطه آنها خواهد بود. مثلا میدان جاذبه یک شبکه ارتباطی در مورد جرم اجسام است و هر جسمی به کمک گراویتون هایی که منتشر می کند پیام خود را در ارتباط با جرمش به اجسام دیگر ابلاغ می نماید. این مشابه رابطه خاص بین من و شماست که از حروف زبان فارسی برای برقراری این ارتباط استفاده می کنیم. تا امروز چهار نوع شبکه ارتباطی (یا میدان) برای اجسام موجود در جهان شناخته شده است که نوع ارتباط آنها را می توانیم به چهار زبان تشبیه کنیم. همانگونه که یک فرد می تواند به یک یا چند زبان مسلط باشد، یک جسم می تواند یک تا چهار میدان داشته باشد. حال اگر فردی دو زبان "آ" و "ب" و فرد دیگری زبان های "ب" و "ج" را تکلم کنند، این دو نفر تنها با زبان "ب" ارتباط برقرار خواهند کرد و نخواهند توانست با زبان های "آ" و "ج" بر روی همدیگر اثر بگذارند. به عنوان مثالی دیگر، ایران از قومیت های متفاوتی تشکیل می شود و اقوام گوناگون زبان های خاص خود را دارند ولی علاوه بر زبان محلی خود زبان فارسی را نیز به عنوان زبان ملی می دانند. بعضی نیز در اثر همجواری با یک قوم دیگر می توانند علاوه بر زبان قوم خود زبان قوم همجوارشان را هم صحبت کنند. پس، بعضی از ایرانی ها تنها یک زبان می دانند (مثلا شیرازی ها تنها فارسی بلدند)، بعضی ها با دو زبان آشنایی دارند (مثل کردها که کردی و فارسی بلدند) و بعضی (مانند کردها وآذری های همجوار) به سه زبان مسلط هستند (زبان آذری، کردی و فارسی). بنابراین تمام این افراد می توانند به زبان فارسی با هم ارتباط برقرار کنند چرا که فارسی در بین همه مشترک است. ضمناً کردستانی ها می توانند به زبان کردی نیز با هم رابطه برقرار کنند و بر روی هم اثر بگذارند. از طرف دیگر پاره ای نیز وجود دارند (شیرازی ها) که از نوع ارتباط آذری ها و کردها هیچ اطلاعی ندارند چون اصلاً کردی نمی دانند.

در طبیعت نیز اجسام به زبان میدان ها با هم ارتباط برقرار می کنند و با وارد نمودن نیروی خاص هر میدان، همدیگر را متاثر می سازند. حال، چون تمام اجسام دارای جرم هستند زبان جاذبه (میدان جاذبه) بین تمامی اجسام مشترک است و لذا تمام اجسام به همدیگر نیروی جاذبه وارد می کنند. یک الکترون و یک پروتون علاوه بر زبان جاذبه، زبان دیگری به نام زبان الکترومغناطیسی نیز دارند و به همدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد می کنند. این زبان را ذرات دیگری که بار الکتریکی ندارند درک نمی کنند و لذا نمی توانند به همدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد نمایند. هر فیزیکدان مانند زبان شناسی است که در تلاش است تا رمز زبان میدان ها را کشف و نوع رابطه آنها را درک نماید. این کار به کمک تئوری خاصی انجام می گیرد که کشف آن تئوری نیز به عهده فیزیکدان است. به عنوان مثال، تئوری نسبیت عام به خصوصیات میدان جاذبه می پردازد و ما به کمک آن زبان جاذبه را می فهمیم و اینکه چگونه این میدان فضای به ظاهر خالی اطراف یک جسم را تغییر می دهد.

همانطور که گفتیم، با توجه به اینکه دنیای شگفت انگیز اتم تازه کشف شده است، تا امروز چهار نوع میدان (و نیروهای مربوطه شان) شناخته شده اند که برای توضیح همکنش های شناخته شده اجزای اتم کافی هستند. این نیروها عبارتند از جاذبه ، الکترومغناطیس ، هسته ای قوی و هسته ای ضعیف . در بین این چهار نیرو، ما در زندگی روزمره مان به طور دایم با نیروی جاذبه سروکار داریم چرا که این نیرو در ارتباط با جرم اجسام است و تمام اجسام هم دارای جرم هستند. لذا نیروی جاذبه یک نیروی جهان شمول است و بدان معنی که میدان جاذبه محدوده ای ندارد و از همه چیز عبور می کند و با سرعت نور انتشار می یابد. به عبارت بهتر، میدان جاذبه مانند اقیانوسی است که تمام اجسام جهان در آن شناورند. مکانیزم عمل گراویتون ها که منجر به اعمال نیروی جاذبه می شود اینگونه توضیح داده می شود که گراویتون ها موجب انحنای فضای اطراف جسم می شوند. هرقدر جرم جسم بیشتر باشد تعداد گراویتون ها زیادتر و فضای انحناء یافته وسیع تر و شدت انحناء بیشتر خواهد بود. هرقدر هم که از جسم دورتر می شویم انحنای فضا کمتر می شود.

همانطور که قبلا نیز بحث شد، وقتی دو جسم با جرم های متفاوت از کنار هم عبور می کنند، فضاهای انحناء یافته شان همدیگر را تغییر می دهند و بدینگونه مسیر حرکت همدیگر را نیز متاثر می نمایند. آشکار است که جرم بزرگتر به خاطر انحنای بیشتر فضای اطرافش بیشتر می تواند مسیر جرم کوچکتر را تغییر دهد. به عنوان مثال، میدان های جاذبه زمین و ماه همدیگر را تحت تاثیر قرار می دهند و مسیر همدیگر را تغییر می دهند ولی زمین به علت جرم بیشترش مسیر ماه را به قدری تحت تاثیر قرارمی دهد که ماه در دام زمین می افتد. گردش زمین و دیگر سیارات منظومه شمسی به دور خورشید نیز به دلیل جرم بسیار زیاد خورشید است.

تمام اجسام که در اقیانوس جاذبه جهان شناورند مسیرهای خاصی را تحت تاثیر همدیگر می پیمایند. در فیزیک جدید، مسیر یک جسم در اقیانوس جاذبه را خط ژئودزیک می نامند.

وقتی سفینه ای را به طرف مریخ روانه می کنیم چون انحنای فضا در سطح زمین بیشتر است و با دور شدن از زمین کم کم کاهش می یابد، ابتدا سفینه نیروی خیلی زیادی را لازم خواهد داشت تا از دام کره زمین خارج گردد که برای این کار نیازمند موتوری پرقدرت است. لیکن در خروج از میدان جاذبه زمین دیگر نیازی به روشن بودن موتور نخواهد بود چرا که فضای انحناء یافته کره زمین را ترک خواهد کرد. از آن به بعد در مسیر ژئودزیک خود به طرف مریخ در حرکت خواهد بود. نظر به اینکه در طی این مسیر تحت تاثیر میدان های جاذبه اجرام آواره و کوچک موجود در فضا خواهد بود و انحرافاتی جزیی از خط ژئودزیک محاسبه شده به وجود خواهد آمد، مجبور خواهیم بود هر از گاهی جهت سفینه را با روشن کردن موتورهای خاصی تصحیح کنیم.

آشکار است که مسیر ژئودزیک هر جسم تابع میدان های جاذبه اجسام اطراف و خود آن جسم است و از آنجایی که میدان جاذبه موجب انحنای فضا می شود لذا در محاسبات میدان های جاذبه (و از جمله خط ژئودزیک) هندسه اقلیدسی به درد نخواهد خورد و مجبوریم از هندسه ریمانی استفاه نماییم که مخصوص فضاهای منحنی است (در مورد هندسه ریمانی قبلا صحبت شد و باز خواهد شد).

نکته مهم اینکه با وجودی که جاذبه ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیروی شناخته شده طبیعت است ولی مهمترین آنهاست. هر ذره مادی دارای نیروی جاذبه است ولی مقدار این نیرو به قدری کوچک است که به نظر می رسد وجود یا عدم آن چندان فرقی به حال جهان نداشته باشد. نکته مهم این است که وقتی چند ذره در کنار هم قرار می گیرند میدان جاذبه ای تولید می شود که شدت آن برابر مجموع جاذبه های آن ذرات است. اصطلاحا، می گوییم نیروی جاذبه یک نیروی جمع پذیر است و این بدان معنی است که هرقدر جرم یک جسم بیشتر باشد (مثلا یک سیاره)، نیروی جاذبه اش افزایش می یابد. بنابراین هرچند که نیروی جاذبه برای تک تک ذرات دنیای کوانتوم فوق العاده کوچک است ولی میدان جاذبه جسمی که شامل تعداد بیشماری از ذرات اتمی است مقدار چشمگیری خواهد بود. نتیجه اینکه در ابعاد بزرگ، نیروی جاذبه بسیار بزرگتر و لذا مهمتر از سه نیروی دیگر خواهد بود. بنابراین، با توجه به جرم های بسیار بزرگی که با آنها سروکار داریم، این نیرو برای ما ملموس تر است.

در مقایسه با نیروی جاذبه، نیروی الکترومغناطیسی بسیار بسیار بزرگتر از نیروی جاذبه است. از طرف دیگر، نیروی جاذبه در همه جهان وجود دارد (و لذا حوزه ای به وسعت جهان دارد)، ولی میدان (و نیروی) الکترومغناطیسی محدوده بسیار کوچکی از فضا را (که همان حول و حوش ذرات کوانتومی است) شامل می شود. بنابراین، در مقایسه با نیروی جاذبه که برای ما ملموس است، نیروی الکترومغناطیسی را نمی توان به راحتی احساس کرد چرا که به درون اجسام محدود می شود. همچنین، نیروی الکترومغناطیسی تنها در مورد ذرات باردار صدق می کند و همکنش ذرات باردار الکتریکی با بارهای مثبت و منفی، این نیرو را تولید می کند. به عنوان مثال، پیرو همجواری یک الکترون و یک پروتون این نیرو تولید می شود. مشابه نیروی جاذبه که عامل اثر آن گراویتون است، در این مورد عامل اثر فوتون است. وقتی دو جسم باردار همجوار نسبت به هم ساکن باشند فضای اطراف به گونه ای خاص درمی آید و میدانی تولید می شود که به آن میدان الکتریکی می گوییم. این میدان، نیرویی تولید می کند که دو جسم یا همدیگر را جذب (بارهای مثبت و منفی) و یا دفع می نمایند (بارهای همنام) و مقدار آن براحتی قابل محاسبه است.

اگر دو جسم باردار نسبت به هم حرکت کنند دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد. اگر سرعت یک جسم باردار نسبت به جسم باردار دیگر ثابت باشد، میدان تولید شده را میدان مغناطیسی می نامند. مثلا در اطراف سیم برقی که داخل آن الکترون ها (ذرات باردار منفی) در حرکتند یک میدان مغناطیسی به وجود می آید. در صورتی که سرعت جسم باردار نسبت به جسم باردار دیگر متغیر باشد (و لذا حرکتی شتابدار داشته باشد) آنگاه میدان ایجاد شده را میدان الکترومغناطیسی می نامند. در هر حال، عامل انتقال نیرو فوتون است. تئوری لازم جهت مطالعه میدان الکترومغناطیسی به تئوری ماکسول مشهور است. از آنجایی که سرعت ذرات باردار وقتی در محدوده کوچکی مانند حجم اتم قرار می گیرند فوق العاده زیاد است (نزدیک سرعت نور)، دیگر نمی توان از روابط ماکسول برای مطالعه آنها استفاده کرد چرا که لازم خواهد بود تا اثر تئوری های کوانتوم و نسبیت نیز در مورد آنها ملحوظ گردند. مشکل این است که تئوری کوانتوم هنوز به آن حد از رشد خود نرسیده است که بتواند میدان ها را بررسی نماید.

در مقایسه با نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی، بسیار بزرگتر است لیکن حوزه اثر آن فوق العاده کوچکتر است و در حقیقت همانگونه که از اسم این نیرو برمی آید تنها بُردی در محدوده هسته اتم (که بسیار کوچکتر از اندازه خود اتم است) دارد. این نیرو موجب در کنار هم قرار گرفتن پروتون و نوترون در درون هسته است و عامل انتقال نیرو در این مورد پی مزون نامیده می شود. برخلاف محمل نیروی الکترومغناطیسی (یعنی فوتون) که جرم سکونی برابر صفر دارد، پی مزون جرمی در حدود 300 برابر الکترون دارد و به خاطر همین جرم زیادش هست که بُردی بسیار کوتاه دارد. نکته دیگر در مورد پی مزون این است که می تواند بار الکتریکی مثبت، منفی و یا خنثی داشته باشد. امروزه، علیرغم اینکه از وجود این نیرو آگاه هستیم ولی اطلاعات ما در مورد ماهیت میدان آن بسیار کم است و برخلاف دو نیروی قبلی که برای توصیف آنها تئوری هایی وجود دارند (نسبیت عام و ماکسول)، هنوز هیچ تئوری همه پسندی برای نیروی هسته ای قوی ارائه نشده است.

نیروی شناخته شده دیگر به "نیروی هسته ای ضعیف" معروف است که در تجزیه مواد رادیواکتیو خود را نشان می دهد. عامل انتقال این نیرو نوترینو نامیده می شود که مشاهده آن در آزمایشگاه تقریباً ناممکن است چرا که از تمامی اجسام عبور می کند. مثلا، می تواند بدون گذاشتن هیچ ردپایی از این طرف کره زمین وارد و از طرف دیگر خارج گردد. همانگونه که از اسم این نیرو برمی آید بسیار ضعیف است و حدود 14-10 مرتبه کوچکتر از نیروی هسته ای قوی است. اطلاعات ما در مورد این نیرو نیز بسیار اندک است و هنوز راهی طولانی در پیش داریم تا این نیرو را درک نماییم.

اگر روزی برسد که رمز تمام زبان های ذرات را بیابیم بزرگترین گام را در تکامل فیزیک برداشته ایم. در حال حاضر زبان های جاذبه و الکترومغناطیسی را به کمک تئوری های نسبیت و ماکسول می دانیم ولی تئوری های موجود هنوز نیازمند تکمیل بیشتری هستند تا بتوانند دو زبان دیگر را نیز در بر بگیرند. مهمترین آرزوی فیزیکدان ها یافتن زبان واحدی است که بتواند تمام میدان ها را توصیف کند. این آرزو از زمان انیشتین مطرح بوده است و هنوز هم تلاش مداومی در جریان است که تئوری میدان واحدی کشف گردد که به تنهایی بتواند تمام میدان ها و نیروهای مربوطه را توصیف نماید. انیشتین درصدد برآمد تا این آرزو را در مورد حداقل دو میدان جاذبه و الکترومغناطیسی پیاده کند که متاسفانه علیرغم تلاش زیادش موفق نشد.

در فیزیک جدید، ذرات به دو دسته تقسیم می شوند: ذرات مادی مانند (الکترون یا نوترون) و ذراتی که عامل انتقال نیرو هستند (مانند گراویتون). دسته اول را به احترام فرمی فیزیکدان مشهور آمریکایی، فرمیون می نامند و دسته دوم را به احترام بوزه (Satyendra Bose) فیزیکدان هندی، بُزون می نامند. به طور خلاصه، تئوری کوانتوم بر این باور است که هر چهار نیروی طبیعت ناشی از تبادل انواع کوانتوم های انرژی یا همان بُزون هاست. در این تعبیر، نیروی الکترومغناطیسی ناشی از تبادل ذرات فوتون، نیروی هسته ای ضعیف ناشی از تبادل بُزون های w، نیروی هسته ای قوی ناشی از تبادل بُزون های گلوئون و نیروی جاذبه ناشی از تبادل بُزون های گراویتون هستند. با این برداشت، میدان ماکسول تنها به توصیف میدان الکترومغناطیسی می پردازد که بُزون آن فوتون است. می توان میدان کلی تری در نظر گرفت که تمام بُزون ها را در بر بگیرد و میدان ماکسول را حالت خاص آن دانست. این میدان بُزونی را اولین بار دو فیزیکدان به نام های یانگ و میلز در سال 1954 معرفی نمودند و به همین دلیل به میدان یانگ- میلز معروف گشت. بزون های میدان یانگ- میلز می توانند برخلاف فوتون که فاقد بار الکتریکی هست دارای بار مثبت یا منفی هم باشند. به عنوان مثال، بُزون w می تواند بار الکتریکی 1+، صفر و 1- داشته باشد. در حال حاضر میدان یانگ- میلز به قدری در مبحث ذرات بنیادی جا افتاده است که به عنوان مدل استاندارد برای توصیف اثرات و همکنش های انواع گوناگون ذرات اتمی به کار گرفته می شود.

طبق مدل استاندارد، ماده مجموعه ای است از ذرات کوارک و لپتون که با هم همکنش دارند و در میدان یانگ- میلز شناورند و بُزون های گوناگونی را رد و بدل می کنند. امروز دیگر ذراتی مانند نوترون و الکترون ذرات بنیادی به شمار نمی آیند چرا که خود آنها از مجموعه ذرات کوچکتر کوارک تشکیل می شوند. کوارک ها انواع گوناگون دارند و شامل 36 گونه می شوند. مثلا، نیرویی که چند کوارک را در کنار هم نگاه می دارد یک میدان یانگ- میلز متراکم است که شامل بُزون های گلوئون می شود. این میدان به قدری قوی هست که اجازه رهایی به هیچکدام از کوارک ها نمی دهد و به همین دلیل هم هست که تا امروز یک کوارک تنها مشاهده نشده است. باز به همین دلیل است که میدان یانگ- میلز را "قفس کوارکی" نیز می نامند و نیروی ناشی از تبادل گلوئون به نیروی هسته ای قوی مشهور است. در میدان یانگ- میلز مربوط به همکنش ذرات لپتون (مانند الکترون)، بُزون های w+ , wo, w- و z مبادله می شوند که منجر به تولید نیرویی بسیار ضعیف به نام نیروی هسته ای ضعیف می گردد.

نتیجه بحث ما تا اینجا نشان می دهد که هر جسمی که در جهان وجود دارد مجموعه ای از میدان های مختلف را در اطرافش داراست. توسط همین میدان هاست که اجسام بر روی همدیگر اثر می گذارند. بنابراین، کاربرد کلمه ای نظیر خلاء یا فضای خالی بی معنی است چرا که هیچ نقطه ای از فضای باصطلاح خالی نیست که توسط یک یا چند میدان متاثر نشده باشد و هندسه آن تغییر نیافته باشد. در مقیاس میکروسکوپی، فضای باصطلاح خالی اتم از چندین میدان متاثر می شود. در مقیاس بزرگ نیز جهان اقیانوسی از میدان هاست و آنچه اهمیت دارد همین میدان هاست.

به همین دلیل، مطالعات و تحقیقات امروز فیزیک بیشتر بر روی میدان ها تمرکز یافته است و لذا شناخت ما از میدان ها بیشتر از شناخت ما از ماده است. در حال حاضر، علیرغم درک نسبتاً خوبی که از کوارک ها و لپتون ها داریم، هنوز نمی توانیم یک پاسخ همه پسندی به اینکه ماده چیست و چه ماهیتی دارد بدهیم. ولی تلاش ادامه دارد و در این تلاش، فردی به نام کلیفورد و فیزیکدان معاصری به نام ویلر تعریف جالبی از ماده ارائه می کنند. در این تعریف، ماده نتیجه انحنای فضا تفسیر می شود. مکانیک کوانتوم نیز ماده را به عنوان انحنایی در فضای هیلبرت (یعنی فضایی که بینهایت بعد دارد) در نظر می گیرد. آنجا که فضا صاف است مانند فضای تهی نمود می یابد و آنجا که خمیدگی شدیدی دارد به صورت ماده ظاهر می شود.

نابجا نخواهد بود اگر قبل از به پایان بردن این بخش اشاره ای هم به موضوع آغاز جهان بنماییم. تا امروز نظریه و مدل های زیادی در مورد پیدایش جهان ارائه گردیده است. در میان آنها، دانشمندان مدل بیگ بنگ را که اولین بار توسط گاموف و همکارانش در دهه های چهارم و پنجم ارائه شد بیشتر می پسندند. طبق این مدل، آغاز جهان به حدود بیست میلیارد سال قبل برمی گردد، زمانی که در پی یک انفجار عظیم خلقت آغاز شد. در این مدل، حجم جهان قبل از انفجار برابر صفر فرض می شود. اعتقاد بر این است که تمام ماده عالم در آن حجم صفر متمرکز بود و لذا جهان دانسیته ای برابر بی نهایت داشت. پیرو انفجار، جهان تحت تاثیر انرژی انفجار شروع به انبساط نمود که هنوز هم ادامه دارد. اکثر فیزیکدان ها معتقدند که خود فضا و زمان نیز از همین دوران شروع به شکل گیری کرده اند.

نظر بر این است که در لحظات بسیار اولیه بیگ بنگ تنها یک نیرو یا یک میدان واحد وجود داشته است و ساختار جهان و پدیده های آن به قدری ساده و ابتدایی بود که باید بتوان همگی را تنها به کمک یک تئوری ساده مطالعه و بیان نمود. جای تردید نیست که از پدیده های پیچیده ای مانند شکل گیری یک پروتون یا تولد یک باکتری و یا پیدایش انسان که امروز ما شاهد آنها هستیم هیچ خبری نبوده است. بنابراین، در مقایسه با فیزیک پیچیده امروز که ناگزیر است تا پدیده های پیچیده امروز و چهار نیرو (یا میدان) را توصیف کند، فیزیکی که بخواهد پدیده های ساده و تنها نیرو (یا میدان) موجود آن دوران را توصیف کند باید بسیار ساده تر باشد. بنابراین، باید تنها یک تئوری کافی باشد که مبنا و اساس فیزیک ساده آن دوران را شکل دهد. این تئوری فرضی به "تئوری واحد بزرگ" یا باختصار GUT معروف است و کشف آن به قدری برای فیزیک جدید اهمیت دارد که امروزه اکثر تلاش ها صرف یافتن آن می شود.

طبق مدل بیگ بنگ، در زمانی برابر با جزء فوق العاده کوچکی از یک ثانیه بعد از انفجار، دمای جهان برابر میلیارد میلیارد میلیارد درجه بوده است. این دوره فوق العاده کوتاه مدت، به "دوره تئوری واحد" مشهور است. با پایان این دوره، هرقدر دمای جهان در اثر انبساط جهان کاهش یافت، نیروی واحد زمان بیگ بنگ با چند نیرو جایگزین شد. امروز که دمای جهان از میلیاردها درجه دوره GUT به حدود 2 درجه کلوین رسیده است، چهار نیروی شناخته شده وجود دارند. همانطور که در بالا اشاره شد، علاوه بر این تنوع نیروها، فیزیک ساده دوره GUT نیز تبدیل به فیزیک پیچیده امروز شده است تا بتواند اوضاع کنونی جهان را توصیف و بررسی کند. مشابه برف که حالت یخزده بخار است، فیزیک پیچیده امروز هم حالت یخزده فیزیک ساده دوره GUT و جهان فوق العاده پیچیده امروز نیز حالت یخزده جهان ساده دوره GUT است. در یک جمله : کاهش دما سادگی را به پیچیدگی تبدیل کرده است.

نظرات
ارسال نظر

Kazuko
- ۱۳۹۶/۰۲/۲۶ - ۲۱:۰۱:۱۰
Your style is very unique compared to other folks I've read stuff from.

Thanks for posting when you've got the opportunity, Guess I will just book mark this page.
Vito
- ۱۳۹۶/۰۶/۱۶ - ۰۶:۴۵:۲۰
Simply desire to say your article is as astounding.
The clarity in your post is just great and i can assume you're
an expert on this subject. Well with your permission allow me to grab
your RSS feed to keep updated with forthcoming post.
Thanks a million and please continue the rewarding work.

تصویر جهان در فیزیک امروز (نسبیت به علاوه کوانتوم)

نظرات

ارسال نظر

Kazuko

Vito