نظریۀ الکتروضعیفِ سلام ـ واینبرگ

نام عبدالسلام در تاریخ معاصر فیزیک با نظریۀ «الکتروضعیف» یا به عبارتی وحدت نیروهای الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف عجین است، و با احتمال بسیار زیاد در آیندۀ قابل پیش‌بینی چنین خواهد بود. پس شاید لازم باشد مختصری از این نظریه به زبانی حتی‌المقدور ساده بیان شود. به جرئت می‌توان گفت که نظریۀ الکتروضعیف بزرگترین حادثۀ فیزیک در نیمۀ دوم قرن بیست میلادی است. این نظریه که شامل وحدت دو نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف است حاصل پژوهش‌های جامعۀ فیزیک در دو دهۀ ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ میلادی است، که عبدالسلام، واینبرگ و گلاشو نقش اساسی در شکل‌گیری آن داشتند. برای سهولت ادراک این وحدت یادآوری مختصری از چگونگی وحدت دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی در قرن گذشته مفید است. قرن‌ها بشر با پدیده‌های برق و مغناطیس آشنا بود. در عصر جدید نیز نیروی الکتریکی میان اجسام باردار چون کهربا مورد مطالعۀ علمی دقیق قرار گرفته و به صورت کمّی در قالب معادلۀ کولن شناخته شده بود. به همین گونه نیروی مغناطیسی میان اجسام آهنربا مطالعه شده و چگونگی این نیرو شناخته شده بود. ولی تا اواسط قرن نوزدهم میلادی دلیلی در دست نبود که بتوان این نیروها را مرتبط دانست و یا وجوهی از یک نیروی واحد تلقی کرد. تا آن‌که در آزمایش‌هایی با جریان برق معلوم شد که در اطراف سیم‌هایی که برق در آن‌ها جاری است آثار نیروی مغناطیسی ظاهر می‌شود. این آزمایش‌ها و مطالعات نظری مربوط به آن‌ها نهایتاً به نظریۀ الکترومغناطیسی ماکسول انجامید. اکنون می‌دانیم که در اطراف هر بار الکتریکی یک میدان الکتریکی E به وجود می‌آید و در اطراف هر جریان الکتریکی یک میدان مغناطیسی B ظاهر می‌شود، و این دو از معادلات واحد ماکسول پیروی می‌کنند. ولی برای اینکه ارتباط این دو میدان را به طور شهودی دریابیم وضعیت ساده‌ای را در نظر می‌گیریم؛ یک ذرۀ باردار در حال حرکت را. این ذرۀ متحرک در واقع یک جریان الکتریکی به وجود می‌آورد و این جریان مطابق آنچه گفته شد یک میدان مغناطیسی B می‌سازد. از طرفی اگر در دستگاه مختصاتی بنشینیم که با ذرۀ باردار حرکت می‌کند، به عبارت دیگر اگر سوار ذرۀ باردار شویم، آن‌وقت در آن دستگاهِ مختصات جریانی در کار نیست و فقط یک میدان الکتریکی E ناشی از وجود ذرۀ باردار «ساکن» را مشاهده خواهیم کرد. به این ترتیب با سوار و پیاده شدن از «قطار» مذکور می‌توان میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را به هم تبدیل کرد. این «تبدیل» میدان‌ها به هم، یک نوع «تقارن» تعریف می‌کند. یعنی دو میدان E و B هیچ‌یک به تنهایی موجودیت مستقل ندارند و تحت تبدیلات فوق یعنی همان سوار و پیاده شدن از قطارهای مختلف که به تبدیلات لورنتس مشهور است، به یکدیگر تبدیل می‌شوند. بنابراین، چنین استنتاج می‌کنیم که E و B دو رویۀ یک سکه‌اند و آن سکه را میدان الکترومغناطیسی F می‌نامیم؛ پس F تحت تبدیلات گروه لورنتس تغییر می‌کند و «مؤلفه»های دوگانۀ آن، E و B به هم تبدیل میشوند. این درس مهمی است که از ارتباط میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در چارچوب وحدت نظریۀ الکترومغناطیس می‌آموزیم، و همین درس است که به نحوی در وحدت اخیر نیروهای الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف توسط عبدالسلام و همکاران به کار گرفته شد. ولی نیروهای هسته‌ای فقط در ابعاد بسیار کوچک هسته‌ای عمل می‌کنند و بنابراین مبحث وحدت این نیرو با نیروی الکترومغناطیسی در حیطۀ ابعاد بسیار کوچک موضوعیت دارد و مقوله‌ای است از میدان‌های کوانتومی.
اکنون بیش از نیم قرن است که می‌دانیم میدان‌های الکترومغناطیسی کوانتومی که منشأ ساختار اتمی و مولکولی اجسامند از طریق مبادلۀ فوتون شکل می‌گیرند و مقولۀ الکترومغناطیس کوانتومی در واقع برهم‌کنش ذرات بارداری چون الکترون و پروتون است با فوتون که به طور نمادی می‌توان آن را به صورت A.J نوشت، که Aفوتون را می‌نماید و J بار الکتریکی را.
خیلی زود به فکر نظریهپردازان فیزیک رسید که شاید به دلیل بُرد کم نیروی هسته‌ای ضعیف در اینجا هم یک نوع «فوتون» سنگین W«مبادله» می‌شود که به علت سنگین بودنش مشاهده نشده است. اکنون می‌دانیم که این حدس درستی است ولی در آن ابتدای کار مشکلات نظریۀ میدان‌های کوانتومی این حدس را در حد یک حدس نگه داشت و اجازه نداد تبدیل به یک نظریۀ تمام و کمال شود. قضیه از این قرار است که در محاسبات میدان‌های کوانتومی تقریباً همیشه انتگرال‌های مربوط به یک واکنش فیزیکی واقعی واگرا می‌شوند و نظریه بی‌معنی می‌شود، مگر در مواردی خاص که نظریۀ کوانتومی الکترومغناطیس از آن موارد است و قرار گرفتن «فوتون سنگین» W به جای فوتون بی جرمِγ از آن موارد نیست. پس اگر W جرم نداشت مسئلۀ واگرایی انتگرال‌ها حل می‌شد و از طرف دیگر یک تقارن بسیار زیبا ظاهر می‌شد درست مثل تقارن لورنتس در مورد میدان‌های E و B. منتها این‌جا تبدیلات مربوط از نوع لورنتس نیستند بلکه بیشتر شبیه تبدیلات دوران در فضای سه بعدیاندγ و + Wو W¯ در حکم سه مؤلفۀ یک بردار سه بعدی‌اند. آن‌وقت اگر چنین تقارن دورانی میان این سه ذرۀ بی‌جرم وجود داشته باشد، انگار که نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف هسته‌ای به هم قابل تبدیل‌اند. به این ترتیب که فوتون γ و «فوتون»های سنگین + Wو W¯سه مؤلفۀ یک موجود واحد می‌شوند که می‌توان مثلا آن را به صورت بردار Wنشان داد. اما حالا دیگر این دوَران ما دوران در سه بعد معمولی مکان نیست بلکه دوران سه بعدی در یک دنیای فرضی اصطلاحاً «داخلی» است.
همانطور که گفتیم این تصویر زیبای نیروهای الکتروضعیف وحدت داده شده دو نقص داشت: یکی اینکهW ها جرم دارند، دیگری اینکه نظریۀ میدان با Wی جرم‌دار بیمار است و انتگرال‌هایش واگرا. هر دو مشکل در یک پیشنهاد جسورانه که از پدیده‌های دنیای فیزیکی در مقیاس‌های بزرگ و به ویژه از فیزیک مادۀ چگال الهام گرفته شده بود برطرف شد. این یک پدیدۀ شناخته شده است که وقتی مایعی که تقارن دورانی دارد بر اثر برودت به بلور تبدیل شود تقارنش را از دست می‌دهد؛ مانند آب و تبدیل آن به یخ و برف غیره. حالا اگر فرض شود که در یک دنیای ابتدایی جرمW ها صفر بوده و تقارن دورانی داخلی مربوط صادق بوده و نظریۀ سالم دنیای فعلی نتیجۀ یک «سرمایی» شدید است که حاصلش شکستن تقارن دورانی ابتدایی و جرم گرفتن «فوتون»های+ Wو W¯ است، همه چیز درست درمی‌آید. و این به اختصار ماجرایی است که رخ داد و این پیشنهاد جسورانه و تبعات آن را آزمایش به محک زد و تایید کرد. حاصل کار جایزۀ نوبل ۱۹۷۹ بود برای گلاشو، واینبرگ، عبدالسلام، و برای روبیا در سال ۱۹۸۳ به خاطر کشفW ها.
در شکل فعلی نظریۀ الکتروضعیف، نحوۀ شکستن تقارن دورانی داخلی مذکور از طریق جهت‌گیری ذرۀ مادی دیگری است به نام ذرۀ هیگز (به نام دانشمند انگلیسی) که شتابدهنده‌های بزرگ دنیا در جستجوی آن هستند. به علاوه به خاطر ظرایفی که خارج از حوصلۀ این بحث است، تقارن نظریۀ الکتروضعیف قدری بیشتر از دوران گفته شده است که منجر به یک نوع «فوتون» اضافی دیگر به نام Z◦ می‌شود که آن هم به دلیل شکست تقارن دارای جرم است. این ذره نیز کشف شده است. فوتون γ هم دیگر مؤلفۀ سوم W نیست بلکه «مخلوطی» است از 3W و «فوتونِ» تقارن اضافی. نسبت اختلاطِ این دو«فوتون» یکی از پارامترهای مهم نظریۀ الکتروضعیف است که فیزیک‌دان‌های نظری سعی می‌کنند پیش‌بینی‌اش کنند. فعلا ذرۀ هیگز مهم‌ترین «حادثۀ» مورد کاوش فیزیک‌دانهای تجربی در فیزیک ذرات است.