انفجار بزرگ

نويسنده: پيتر كلز
مترجم: ناديه حقيقتي

نظريه انفجار بزرگ تقريباً همين اواخر به عنوان محتمل ترين پاسخ به اين پرسش كه اجزاء عالم چگونه در طول زمان تكميل شده اند، پديدار شد.
ساليان سال، اغلب كيهان شناسان از يك مدل راهبردي به نام مدل حالت پايدار (1 ) حمايت مي كردند. در واقع خود انفجار بزرگ روايت هاي متفاوتي داشت. عبارتي دقيق تر براي نظريه جديد اين است كه آن را « انفجار بزرگ داغ » بناميم تا آن را از نظريه رقيب قديمي تر ( كه اكنون منسوخ شده )، كه يك فاز اوليه سرد داشت، تمايز دهيم. همان گونه كه ذكر كردم كاملاً درست نيست كه بگوييم اين يك « نظريه » است. تفاوت ميان « مدل » و « نظريه » خيلي ظريف است، اما يك تعريف مفيد براي تمايزشان اين است كه معمولاً انتظار مي رود « نظريه » كاملاً خود بسنده باشد ( مي تواند هيچ پارامتر قابل تعديلي نداشته باشد، و تمام مقادير رياضي آن به نحو پيشيني تعريف شوند ) در حالي كه « مدل » به اين روش تكميل نمي گردد.
به خاطر غيردقيق بودن مراحل نخستين انفجار بزرگ، ارائه پيش بيني هاي دقيق و محكم راجع به آن بسيار مشكل است، ضمن اينكه نمي توان اين تخمين ها را به راحتي مورد سنجش و آزمايش قرار داد. در بسياري مواقع حاميان نظريه « حالت پايدار » همين انتقاد را به نظريه انفجار بزرگ وارد كردند.
جالب اين است كه اصطلاح « انفجار بزرگ » در ابتدا در يك برنامه راديو بي بي سي(2 )، توسط سر فرد هويل (3 )، يكي از بزرگ ترين مخالفان اين نظريه، براي تمسخر، وضع شد.

نظريه حالت پايدار

در مدل كيهان شناسي حالت پايدار، كه توسط گلد (4 )، هويل، بوندي (5 ) و نارليكار (6 ) ( از ميان سايرين ) توسعه يافت، عالم در حال انبساط است با اين حال در تمامي اوقات با خواص يكساني منبسط مي شود. اصلي پشت اين نظريه است، به نام اصل كامل كيهان شناسي كه تعميمي است از اصل كيهان شناسي و مي گويد: عالم از نظر فضايي، همگن و همسانگرد و ضمناً نسبت به زمان نيز همگن است.
با توجه به اينكه در مدل حالت پايدار كليه خواص كيهان شناسي در زمان ثابت هستند. لذا، آهنگ انبساط نيز در اين مدل ثابت است. در اين صورت، پيدا كردن راه حلي براي معادلات اينشتين كه با اين شرايط سازگار باشد امكان پذير خواهد بود. اين راه حل را « حل دوسيته » (7 ) مي گوييم.
ولي اگر عالم در حال انبساط باشد چگالي ماده بايد با زمان كاهش يابد. آيا واقعاً چنين است؟
نظريه حالت پايدار اصل را بر اين گذاشت كه ميداني وجود دارد به نام ميدان- (C(8 كه با آهنگي يكنواخت ماده توليد مي كند تا كاهش چگالي ناشي از انبساط كيهاني را خنثي كند. اين عمل كه خلق مدام (9 ) نام دارد، هرگز در آزمايشگاه قابل مشاهده نبوده است. اما با توجه به اينكه آهنگ خلق موردنياز بسيار كوچك است ( حدود يك اتم هيدروژن بر متر مكعب در اين عصر از عمر عالم ) لذا مشكل است كه خلق مداوم را به عنوان يك عمل فيزيكي ممكن از طريق مشاهده مستقيم مردود دانست. حالت پايدار از منظر بسياري از نظريه پردازان، نظريه بهتري بود زيرا نسبت به نظريات رقيب قابليت بررسي آسان تري داشت. به خصوص هر مدركي دال بر اينكه عالم درگذشته با امروز متفاوت است مي توانست اين نظريه را از ميدان خارج كند. از اواخر دهه 1940 به اين طرف، رصدگران تلاش كردند ببينند كه آيا خصوصيات كهكشان هاي دور ( ‌آن دسته كه به نظر مي رسد درگذشته وجود داشته اند ) با خصوصيات كهكشان هاي نزديك تر متفاوت است يا خير؟ چنين مشاهداتي، بسيار مشكل بودند و مسائل مربوط به تفسير آنها منجر به مجادلات بسيار تند و تيزي ميان حاميان نظريه حالت پايدار و رقبايشان شد.
يكي از مثال هاي بارز اين منازعات مربوط است به زماني كه ستاره شناس راديويي، مارتين رايلي(10 ) ادعا كرد كه در خواص منبع راديويي يك سير كامل تدريجي قابل ملاحظه پيدا كرده است و اين موضوع منجر به كينه و درگيري سختي ميان او و فرد هويل شد. هنوز به اواسط دهه 1960 نرسيده بوديم كه يك كشف اتفاقي، پرتويي تعيين كننده بر اين مبحث افكند.

مدرك جرم

اوايل دهه 1960 دو فيزيكدان به نام هاي آرنو پنزياس(11 ) و روبرت ويلسون(12 ) براي مطالعه انتشارات ناشي از اتمسفر زمين از يك آنتن ريز موج شيپوري شكل عجيب و غريب كه متعلق به يك ماهواره مخابراتي بود استفاده مي كردند. اين تلسكوپ به گونه اي برنامه ريزي شده بود كه منابع احتمالي تداخل هايي را كه سبب بروز اشكالات و نويزهايي در سيستم هاي مخبرات ماهواره اي مي شد، شناسايي كند. در حين اين مطالعات، اين دو دانشمند به اختلال پس زمينه اي يكنواختي برخوردند كه به طور مداوم وجود داشت و هرگز از بين نمي رفت. لذا بسيار متعجب شدند. سرانجام با بررسي هاي بيشتر و نقل مكان دادن كبوترهايي كه در نزديكي تلسكوپ آنها لانه كرده بودند، دريافتند كه اين نويز هنوز هم از بين نرفته است. آنها تصادفاً به يك گروه از اختر فيزيكدانان شامل دايك (13 ) و پيبلز (14 )، درست پايين جاده اي در پرينستون نيوجرسي برخوردند، كه در تلاش بودند، آزمايشي ترتيب دهند تا بتوانند تابش توليد شده در انفجار بزرگ را آشكارسازي كنند. آنها دريافتند كه اين گروه چنين چيزي را بيشتر دريافته اند. پنزياس و ويلسون نتايج خود را، [مبني بر اينكه آن اختلالات ناشي از تابش زمينه كيهاني است]، در آستروفيزيكال ژورنال (15 ) در سال 1965 به همراه مقاله اي از گروه دايك كه معني اين كشف را توضيح مي داد، منتشر كردند. به همين خاطر پنزياس و ويلسون در سال 1978 جايزه نوبل فيزيك را از آنِ خود كردند.
از زمان اين كشف، اين زمينه ريزموج، به عنوان يك موضوع تازه،ف به شدت مورد رسيدگي و بررسي دقيق قرار گرفت به طوري كه اكنون اطلاعات بسيار بيشتري نسبت به سال 1965، درباره ي آن

(13) طيف زمينه ريز موج کيهاني. اين نمودار، شدت زمينه ريز موج کيهاني اندازه گيري شده را بر حسب تابعي از طول موج نشان مي دهد.و هم مقدار نظري و هم اندازه گيري تجربي در اينجا آورده شده است؛ ميزان تطابق هر دو بسيار خوب است که هر دو نمودار روي يکديگر افتاده اند. اين رفتار جسم سياه کامل، قوي ترين گواه راجع به اين موضوع است که عالم با يک انفجار بزرگ آغاز شده است.
داريم. پنزياس و ويلسون دريافتند كه نويز ( اختلال )‌ به زمان روز بستگي ندارد ( آنطور كه مي توان انتظار داشت اگر اين يك پديده ي جوي مي بود ) در واقع، درجه يكنواختي تابش زمينه ريز موج آنقدر بالاست كه نشان مي دهد حتي از منابع درون كهكشان ما هم مستقل است. ( كه در اين صورت در آسمان به طور يكنواخت توزيع نمي شد ). به طور قطع اين يك زمينه فرا كهكشاني است. مهم تر اينكه اكنون مي دانيم كه اين تابش يك نوع طيف به خصوص و خيلي منحصر به فرد دارد كه به تابش جسم سياه موسوم است.
طيف جسم سياه زماني به وجود مي آيد كه منبع هم يك جذب كننده كامل باشد و هم يك منتشر كننده كامل تابش. اغلب تابش توليد شده توسط يك جسم سياه را تابش حرارتي مي نامند زيرا، جذب و نشر كامل، تابش و منبع را به سوي تعادل حرارتي سوق مي دهد.
خصوصيات طيف جسم سياه مربوط به اين تابش، وراي همه شكل هاي مستدل، نشان مي دهد كه تابش مورد نظر در حالت هايي از تعادل حرارتي در مراحل بسيار اوليه گوي آتشين اوليه توليد شده است. اكنون اين زمينه ريز موج بسيار سرد است و دماي آن تنها كمتر از 3 درجه بالاتر از صفر مطلق است. اين تابش تحت تأثير انبساط عالم به تدريج در حال سرد شدن است، به طوري كه هريك از فوتون هاي تشكيل دهنده آن دچار يك انتقال به سرخ مي شوند. با به عقب كشيدن ساعت و رفتن به مراحل اوليه تحول عالم، اين فوتون ها داغ تر مي شوند و لذا حامل انرژي بيشتري خواهند شد. سرانجام به مرحله اي مي رسيم كه تابش آغاز مي شود تا يك تأثير قوي روي ماده داشته باشيم.
گاز معمولي از اتم هايي ساخته شده كه داراي الكترون هايي است كه به دور هسته در حال چرخش هستند. در يك ميدان تابشي قوي، اين الكترون ها جدا مي شوند و گاز به پلاسما تبديل مي شود كه در اين حالت مي گوييم آن ماده يونيزه شده است. اين حدود 300 هزار سال بعد از انفجار بزرگ رخ مي دهد. زماني كه دما حدود چند هزار درجه و عالم حدود هزار بار كوچك تر و حدود يك ميليارد بار چگال تر از امروز بود. در اين دوره كل عالم به اندازه سطح كنوني خورشيد داغ بود ( همچنين لزوماً تابشي نزديك به تابش جسم سياه توليد مي كرد ) تحت حالاتي از يونيزاسيون كامل، ماده (‌ به خصوص الكترون هاي آزاد ) و تابش، برخوردهاي بسيار سريعي را متحمل مي شوند كه تعادل حرارتي را تأمين مي كند. بنابر اين وقتي عالم يونيزه مي شود نسبت به نور مانند يك شيشه مات عمل مي كند.
هنگامي كه عالم سرد و منبسط مي شود، الكترون ها و هسته ها مجدداً با هم تركيب مي شوند و اتم ها را مي سازند وقتي چنين اتفاقي افتاد، پراكندگي فوتون خيلي خيلي كم اثرتر است. در واقع عالم، پس از تركيب مجدد واقعاً شفاف مي شود. لذا آنچه ما امروزه به عنوان زمينه ريز موج مي بينيم، بقاياي تابش سردي است كه در ابتداي تاريخ از باز تركيب الكترون ها، پراكنده شده است. سرانجام وقتي از مراحل پراكندگي خارج شد، تابش آن در قسمت اپتيكي و يا فرا بنفش طيف خواهد بود، اما از آن زمان همراه با انبساط عالم، به طور فزاينده اي انتقال به سرخ خواهد يافت به طوري كه اكنون در طول موج هاي ريز موج و فرو سرخ ديده مي شود.
زمينه ريز موج كيهاني، به دليل همسانگردي تقريباً كامل در آسمان، مدارك و شواهدي دال بر تأييد اصل كيهان شناسي مهيا مي كند. همچنين سر نخ هايي از اصل كهكشان ها و خوشه كهكشان ها به دست مي دهد. اما اهميت ان در چارچوب نظريه انفجار بزرگ از اين هم بسيار فراتر مي رود. وجود زمينه ريزموج به كيهان شناسان اجازه مي دهد كه شرايط موجود در اولين مراحل انفجار بزرگ را استنتاج كنند و علي الخصوص به جمع آوري دلايلي پيرامون شيمي عالم كمك مي كنند.

هسته زايي

تركيب شيميايي عالم اساساً بسيار ساده است. عمده حجم ماده كيهاني شناخته شده، به شكل هيدروژن است، كه ساده ترين ماده از مواد شيميايي است، شامل يك هسته با يك پروتون منفرد. بيش از 75 درصد ماده عالم از اين اتم ساده تشكيل شده است. گذشته از هيدروژن، حدود 25 درصد از جرم عالم به شكل هليوم 4 (16 ) است كه ايزوتوپي پايدار از هليوم مي باشد كه در هسته خود 2 پروتون و 2 نوترون دارد. حدود صد هزار بار نادرتر از اين، 2 عنصر نامتعارف ديگر به ميان مي آيند: دوتريم (17 ) كه گاهي به آن هيدروژن سنگين مي گويند و هسته اي شامل يك پروتون و يك نوترون دارد. و ايزوتوپ سبك تر هليوم، هليوم 3 (18 )، كه يك نوترون نسبت به ايزوتوپ سنگين تر، كمتر دارد. و بالاخره نوبت به ليتيوم 7 (19 ) مي رسد كه ردپاي بسيار كوچك و نادري دارد و فراواني آن نسبت به هيدروژن يك در 10 ميليارد است. اين تركيب شيميايي چگونه فراهم شده است؟ از دهه 1930 معلوم شده كه ستارگان با سوزاندن هيدروژن به عنوان نوعي سوخت هسته اي، عمل مي كنند. ستارگان در پاره اي از مراحل هسته اي، هليوم را با ساير عناصر تركيب مي كنند. اما آنچه مسلم است آنها به تنهايي عهده دار توليد اين معجون عناصر سبك كه اخيراً راجع به آنها صحبت كرديم، نيستند. مثلاً، مراحل ستاره اي عموماً، مستلزم نابودي بسيار سريع تر از توليد، براي دوتريم است، زيرا ميدان هاي تابشي قوي ستارگان، دوتريم را به عناصر اصلي اش يعني نوترون ها و پروتون ها مي شكافد. عناصر سنگين تر از هليوم 4 در تحولات درون ستاره اي بسيار آسان توليد مي شوند اما درصد هليوم 4 مشاهده شده خيلي بيشتر از آن است كه بتوان آنها را با پيش بيني هاي مربوط به تحولات درون ستاره اي توجيه كرد.
جالب اينجاست كه در همان اوايل دهه 1940، مشكل مربوط به تبيين فراواني هليوم به كمك فرايندهاي ميان ستاره اي، اولين بار توسط آلفر(20 )، بث (21 ) و گاموف (22 ) كه مدلي ارائه كردند كه براساس آن هسته زايي در همان مراحل اوليه تحولات كيهان شناسي به وقوع مي پيوست، مطرح شد. مشكلات مربوط به اين مدل، به خصوص توليد بيش از حد هليوم، آلفر و هرمان را در سال 1948 متقاعد كرد كه فرض وجود يك تابش قابل ملاحظه زمينه كيهاني را در عصر هسته زايي بپذيرند. تخمين آنها راجع به دماي فعلي اين تابش زمينه حدود 5 درجه كلوين بود كه چندان هم از مقداري كه اكنون مي دانيم دور نيست. اگر چه اين موضوع مربوط به حدود 15 سال قبل از كشف تابش ريزموج زمينه كيهاني است. براي محاسبه مقادير نسبي هسته هاي سبك توليد شده در آتشگوي اوليه، لازم است كه با توجه به برخي از خصوصيات عالم در مراحل تحول اش چند فرض اوليه را در نظر بگيريم. علاوه بر اين فرض هاي معمول و در راستاي مدل هاي فريدمان لازم است كه عالم اوليه از يك مرحله تعادل حرارتي با دماي بيش از يك ميليارد درجه هم عبور كند. در مدل انفجار بزرگ اين واقعه بسيار زود و سريع و در حقيقت در همان چند ثانيه نخست عالم رخ خواهد داد. به علاوه اين محاسبات اغلب به ندرت قابل فهم هستند به طوري كه براي مدل سازي يك انفجار گرما هسته اي بايد از برنامه هاي بسيار پيشرفته كامپيوتري استفاده كرد.
پيش از آغاز هسته زايي، نوترون ها و پروتون ها دائماً از طريق واكنش هاي هسته اي ضعيف به يكديگر تبديل مي شوند ( كمي جلوتر اين واكنش هاي هسته اي را با جزئيات بيشتر شرح خواهم داد ).
تعداد نسبي پروتون ها و نوترون ها تا زماني كه در تعادل حرارتي هستند قابل محاسبه است و مادامي كه واكنش ضعيف، آن قدر سريع باشد كه تعادل محفوظ بماند، نسبت نوترون به پروتون دائماً خود را با سرد شدن محيط اطرافش تطبيق مي دهد، هرچند كه واكنش ضعيف هسته اي در برخي نقاط بحراني ناكارآمد مي شود و ديگر اين نسبت برقرار نمي باشد. آنچه پس از اين رخ مي دهد اين است كه نسبت نوترون به پروتون در يك مقدار خاص « ثابت مي ماند » (حدود يك نوترون به ازاي هر 6 پروتون ). دانستن اين نسبت براي تعيين فراواني نهايي هليوم 4 اساسي است. براي ساختن هليوم به روش تركيب پروتون ها و نوترون ها بايد ابتدا دوتريوم بسازيم. اما همان گونه كه پيشتر گفتيم دوتريم به سادگي توسط تابش شكافته مي شود. چنانچه يك هسته دوتريم با يك فوتون برخورد كند، به يك پروتون و يك نوترون تقسيم مي شود. وقتي عالم بسيار داغ است، دوتريم بسيار سريع تر از زماني كه ساخته مي شود، متلاشي مي گردد. كه اين مسئله به تنگناي دوتريم معروف است. مادامي كه چنين ترافيك و فشردگي هسته اي وجود دارد، هيچ هليومي قادر نيست به وجود بيايد. علاوه بر اين نوترون هايي كه منجمد شده اند با طول عمر حدود 10 دقيقه، شروع به واپاشي مي كنند لذا به دليل اين تأخير، نوترون هاي بسيار كمتري وجود خواهند داشت كه بعداً بتوانند هليوم بسازند. زماني كه دماي تابش به كمتر از 1 ميليارد درجه افت مي كند ديگر تابش آن قدر قوي نيست كه دوتريم را بشكافد و تأخير به قدر كافي زيادي براي انجام واكنش هاي بيشتر به وجود مي آيد: دو هسته دوتريم با همديگر هليوم 3 مي سازند و يك نوترون آزاد مي كنند. هليوم 3 مي تواند يك هسته دوتريم بگيرد و هليوم 4 بسازد و يك پروتون آزاد كند. اين دو واكنش بسيار سريع رخ مي دهند و در نتيجه همه اين نوترون ها در نهايت تمام مي شوند و به هليوم4 مبدل مي گردند و تنها ردپايي از دوتريم واسطه و هليوم3 برجاي مي گذارند. فراواني جرم هليوم4 كه به طور طبيعي به وجود مي آيد حدود 25 درصد است كه دقيقاً همان مقداري است كه لازم است باشد.
مقادير مربوط به هسته هاي واسطه هم به همين صورت با مشاهدات مطابقت دارد. همه اينها در همان چند دقيقه نخست آتشگوي اوليه رخ مي دهند. موفقيت اين نظريه به واقع تماشايي به نظر مي رسد.

(14) بازگشت زماني به عقب. وقتي به نقاط بسيار دور در فضا نگاه مي کنيم، در واقع داريم از نظر زماني به عقب بر مي گرديم. در آغاز مي توانيم کهکشان هاي فعال، معروف به کوازارها را ببينيم دورتر از آنها، « دوران تاريک » (23) است. زمان سرد شدن آن قدر زياد است که در آن مي توانيم عالم قبل از تشکيل کهکشان ها را ببينيم. سرانجام آن قدر دور مي شويم که عالم به شدت داغي را مي بينيم که همچون آتشگوي کدري شبيه قسمت هاي مرکزي يک ستاره به نظر مي رسد. تابش آتشگوي از ميان عالم در حال انبساط عبور مي کند و به صورت زمينه ريز موج به ما مي رسد. اگر مي توانستيم از اين دورتر را ببينم، آنگاه مي توانستيم رخ دادن واکنش هاي هسته اي را همان گونه که در ستارگان انجام مي شود ببينيم. در زمان هاي قبل تر انرژي آن قدر زياد مي شود که مجبور مي شويم به چار چوب حدس و گمان اکتفا کنيم. بالاخره به لبه عالم مي رسيم، جايي که گرانش کوانتومي حائز اهميت مي شود و ما هيچ چيزي راجع به آن نمي دانيم.
ولي توافق و سازگاري ميان جزئيات محاسبات مربوط به بارش راديواكتيو هسته اي ناشي از انفجار بزرگ، و فراواني عناصر مشاهده شده تنها براي يك كميت به خصوص از يك پارامتر قطعي،‌ يعني نسبت باريون به فوتون در عالم، قابل به دست آوردن است. كه البته همه اينها تنها زماني عملي است كه اين عدد حدود يك در ده ميليارد باشد. اين يعني يك پروتون يا نوترون به ازاي هر 10 ميليارد فوتون.
ما مي توانيم با استفاده از دماي شناخته شده زمينه ريزموج، تعداد فوتون هاي موجود در عالم را محاسبه كنيم. اين كار با دقت زياد قابل انجام است. از آنجا كه مي دانيم، نسبت باريون به فوتون ملزم به عمل هسته زايي است، مي توانيم از مقدار مقتضي براي محاسبه تعداد باريون ها بهره ببريم. نتيجه ساده و مختصر است. مقدار ماده باريوني شكل، تنها مي تواند درصد كمي از مقدار ماده مورد نياز براي بسته شدن عالم باشد.

بازگشت زمان به عقب

به وجود آمدن زمينه ريزموج طي تركيب و تأليف عناصر در اين گوي آتشين هسته اي، دو موفقيت عمده نظريه انفجار بزرگ هستند. به طوري كه تطابق ميان مسير مشاهدات و جزء به جزء محاسبات، پشتوانه اي محكم و استوار در تأييد اين مدل فراهم آورده است. بر اساس همين موفقيت ها، كيهان شناسان تلاش كردند كه به كمك نظريه انفجار بزرگ، ساير نتايج مهم مربوط به ماده را در چگالي و دماي بالا جست و جو و استخراج كنند. در همين اثناء، با استفاده از انفجار بزرگ ارتباط ميان جهان بسيار بزرگ و جهان بسيار كوچك را بررسي مي كنند. هرچه بيشتر به عقب برمي گرديم، عالم كوچك تر و داغ تر مي گردد. ما اكنون در حدود 15 ميليارد سال بعد از انفجار بزرگ زندگي مي كنيم. تابش ريز موج زمينه حدود 300 هزار سال پس از انفجار بزرگ ايجاد شد. كوره هاي هسته اي پخت و پز خود را در همان چند د قيقه اوليه انجام دادند. هل دادن عالم قابل ادراك ما به زمان هاي عقب تر، نيازمند دانستن اين است كه ماده در انرژي هاي بالاتر از آنچه كه در رآكتورهاي هسته اي به دست مي آيد، چگونه رفتار مي كند. آزمايشاتي كه بتوانند چنين مقياس انرژي شگفت انگيزي را به درستي بررسي كنند، تنها با يك هزينه بسيار هنگفت قابل حصول هستند. شتاب دهنده هاي ذرات مانند آنهايي كه در سرن (24 )، در ژنو، وجود دارند مي توانند برخي از زواياي آن دوزخ ما قبل تاريخي را بازسازي كنند.
اما هنوز دانش ما راجع به چگونگي رفتار ماده، تحت اين حالات خارق العاده، جسته گريخته و ناقص است و به دوران خيلي زودتر از عصر هسته زايي قابل بسط دادن نيست.
اوايل فيزيكدانان، انفجار بزرگ را مكاني مي ديدند كه در آن مي توانستند نظريه هاي خود را به كارگيرند. اكنون با نظريه هاي مربوط به فيزيك ذرات كه هنوز هيچ جا به طور گسترده مورد آزمايش قرار نگرفته، انفجار بزرگ به يك ميدان آزمايش تبديل شده است. براي اينكه ببينيم چگونه چنين اتفاقي افتاده ابتدا بايد بفهميم كه چه پيشرفت هايي در فيزيك ذرات در 40 سال اخير رخ داده است.

چهار نيروي طبيعت

مجهز شدن به نظريه هاي جديد نسبيت و مكانيك كوانتومي، و در بسياري از مواقع، حركت رو به جلوي اكتشافات جديد، اين امكان را به وجود آورد كه فيزيكدانان اين قرن به كمك پيشرفت هاي تكنولوژي تجربي درصدد گسترش حوزه هاي علم برآيند تا حدي كه بتوانند همه ي جوانب طبيعي جهان را تشريح و تبيين نمايند. تمام

(15) آجرهاي سازنده ماده. مدل استاندارد فيزيک ذرات تعداد نسبتاً کمي از ذرات سازنده اصلي را در بر مي گيرد. کوارک ها در سه رده که هر يک خود شامل دو ذره هستند طبقه بندي مي شوند. ذرات هسته اي سنگين، از اين قبيل کوارک ها ساخته مي شوند. لپتون ها نيز به طور مشابهي طبقه بندي مي شوند. کوارک ها و لپتون ها فرميون هستند، نيروهاي ميان آن ها ( در واقع ) به واسطه بوزون هايي به وجود مي آيد که فوتون، گلوئون و W ضعيف و بوزون هاي Z نام دارند.
پديده هاي طبيعي، قابل استناد و نسبت دادن به تأثير4 نيروي طبيعت است. ذرات بنيادي مختلف كه همه مواد از آنها ساخته مي شوند تحت تأثير همين 4 نيرو با يكديگر بر هم كنش مي كنند.
من دو مورد از اين 4 نيرو را قبلاً توصيف كرده ام: الكترومغناطيس و گرانش.
دو تاي ديگر مربوط به بر هم كنش ميان اجزاء سازنده هسته اتم ها يعني نيروي هسته اي ضعيف و نيروي هسته اي قوي، است. اين 4 نيرو از نظر قدرت ( كه گرانش ضعيف ترين و برهم كنش هسته اي قوي، پرقدرت ترين آنهاست ) و همچنين از لحاظ انواع ذرات بنيادي مؤثر در كنترل آنها، با يكديگر متفاوتند.
همان طور كه مي دانيم نيروي الكترومغناطيسي، الكترون ها را روي مدارهايي به دور هسته اتم نگه مي دارد و لذا مسئول نگه داشتن مواد در كنار يكديگر است. در اوايل قرن بيستم دريافتند كه نظريه ماكسول بايد با نظريات نسبيت و فيزيك كوانتومي ادغام شود تا تمام جزييات مربوط به اتمها را در برگيرد و اين كار تا زمان ريچارد فاينمن(25 ) و سايرين انجام نشد تا اينكه با كارهاي ديراك، كه يك نظريه كامل كوانتومي از الكترومغناطيس، موسوم به الكتروديناميك كوانتومي ساخت، توسعه يافت. در اين نظريه كه معمولاً آن را با QED نشان مي دهند، تابش الكترومغناطيسي به شكل فوتون، حامل بر هم كنش الكترومغناطيسي ميان ذرات با بارهاي مختلف است.
قبل از شرح بيشتر راجع به برهم كنش ها، بد نيست كه به برخي از خواص ذرات بنيادي كه اين نيروها بينشان وجود دارد، اشاره كنيم. اين خواص اصلي مربوط به ذراتي به نام فرميون (26 ) است كه به وسيله ي اسپينشان از حاملين نيرو يعني بوزون ها (27 ) (مثل فوتون ها ) قابل متمايز كردن هستند.
فرميون ها به دو دسته تقسيم مي شوند: لپتون ها (28 ) و كوارك ها(29 ).
هريك از اين دسته ها به سه نسل تقسيم مي شوند و هر نسل خود شامل دو ذره است. لذا جمعاً شش لپتون، ( كه در سه جفت مرتب مي شوند ) وجود دارد. يكي از هر جفت ذره لپتون باردار است ( الكترون يك مثال آن است )، در حالي كه ديگري هيچ باري حمل نمي كند و نوترينو(30 ) ناميده مي شود. در مقايسه با الكترون كه پايدار است دو لپتون باردار ديگر ( به نام هاي ميو (31 ) و تاو (32 ) ) به سرعت نابود مي شوند و در نتيجه به سختي قابل آشكار شدن هستند همه كوارك ها بار دارند و سه خانواده آنها نيز به صورت جفتي مرتب مي شوند. اولين خانواده شامل « بالا » (33 ) و « پايين » (34 ) هستند.
جفت دوم « شگفت » (35 ) و « افسون » (36 ) هستند و سومي شامل« ته » (37 ) و « سر » (38 )است. اگر چه كوارك ها به صورت آزاد قابل مشاهده نيستند اما معمولاً به صورت ذرات مركبي موسوم به هادرون ها (39 ) ديده مي شوند. باريون ها در اين دسته از ذرات قرار دارند كه تركيبي از سه كوارك هستند و آشناترين مثال آنها همان پروتون ها و نوترون ها است. حالت هاي هادروني بسيار زياد ديگري هم وجود دارد اما اغلب آنها بسيار ناپايدارند. ولي در آزمايشات مربوط به شتاب دهنده ها مي توان آنها را توليد كرد. با توجه به دانسته هاي اخير ما، در يك ميليونيم ثانيه بعد از آغاز زمان، به نظر مي رسد كه كوارك ها انرژي كافي براي گسستن به ذرات آزاد خود را داشتند. در زمان هاي زودتر از اين زمان، ذرات آشناي هادروني به شكل « سوپي » از كوارك در هم مي گدازند. ضمناً هر فرميون يك نسخه آينه وار به نام پاد ذره دارد. پادذره ي الكترون، پوزيترون است. ضمناً پادكوارك و پادنوترينو هم وجود دارد.
نظريه QED برهم كنش ميان فرميون هاي باردار را تشريح مي كند. نيروي بعدي كه بايد بدان پرداخت، نيروي هسته اي ضعيف است كه در واقع مسئول واپاشي مواد راديواكتيو است. برهم كنش ضعيف متضمن همه انواع فرميون ها است، از جمله نوترينوهايي كه بدون بار شده اند و نمي توانند بر هم كنش QED را احساس كنند. زيرا در حالت الكترومغناطيسي، نيروي ضعيف ميان ذرات به وسيله ساير ذرات و نه فوتون، بلكه ذرات سنگيني موسوم به W و Z كه بوزون هاي واسطه هستند، برقرار است. اين واقعيت كه اين ذرات جرم دارند ( برخلاف فوتون ) دليلي است بر اينكه نيروي هسته اي ضعيف برد كوتاهي دارد و اثرش به يك مقياس كوچك در اندازه هسته اتم محدود مي شود.
از طرفي در اين زمينه، ذراتZ و W همان نقشي را ايفا مي كنند كه فوتون در QED ايفا مي كند. اين دو فوتون، مثال هاي شناخته شده اي از بوزون هاي پيمانه اي (40 ) هستند.
در هادرون ها اين نظريه برهم كنش قوي است كه مسئول نگه داشتن كوارك ها در كنار يكديگر است كه به كروموديناميك كوانتومي موسوم است (QCD ) و بسيار شبيه به QED بنا شده است. در QCD مجموعه ديگري از بوزون هاي پيمانه اي، براي انتقال نيرو وجود دارد كه به آنها گلوئون مي گويند و هشت تا گلوئون وجود دارد.
به علاوه QCD خاصيتي به نام « رنگ » دارد كه همان نقش بار الكتريكي را در QED ايفا مي كند.

حركت به سوي وحدت

با الهام گرفتن از وحدت بخشي تأثيرگذار ميان الكتريسيته و مغناطيس توسط ماكسول در قرن19، آيا اين امكان وجود دارد كه بتوانيم همه نيروهاي چهارگانهQED، برهم كنش ضعيف و QCD را با هم در يك نظريه منفرد جهان مشمول يكجا گردآوري كنيم؟
نظريه اي كه نيروي الكترومغناطيس را با نيروي هسته اي ضعيف متحد كرد، در حدود سال 1970 توسط گلاشو (41 )، سلام (42 ) و واينبرگ (43 ) ارائه شد كه نظريه الكترو ضعيف نام دارد و نشان مي دهد كه اين دو نيروي مجزا، به عنوان تجلي يك نيروي منفرد با انرژي پايين هستند. وقتي ذرات انرژي پاييني دارند و به كندي حركت مي كنند، طبيعت متفاوتي از نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف احساس مي كنند. فيزيكدانان مي گويند، در انرژي هاي بالا، ميان الكترومغناطيس و برهم كنش ضعيف تقارن وجود دارد: اين دو برهم كنش در انرژي هاي پايين متفاوت ظاهر مي شوند زيرا اين تقارن در آنجا شكسته مي شود.
مدادي را در نظر بگيريد كه روي سمت انتهاييش ايستاده است، وقتي عمودي است از تمام زوايا و جهات يكسان به نظر مي آيد. حركت اتفاقي هوا و يا عبور يك كاميون مي تواند سبب واژگون شدن آن گردد به طوري كه در همه جهات با احتمال يكسان مي افتد. اما زماني كه مي افتد ديگر تنها با يك روش به خصوص و در يك جهت گيري خاص مي افتد. تفاوت ميان نيروهاي الكترومغناطيس و هسته اي ضعيف نيز به همين صورت مي تواند كاملاً اتفاقي باشد، اتفاقي كه نتيجه ي نحوه شكسته شدن تقارن انرژي بالا در دنياي ماست. الكتروضعيف و برهم كنش قوي در كنار هم تركيبي از برهم كنش هاي بنيادي به نام مدل استاندارد مي سازند.
موفقيت جالب توجه اين است كه همه ذرات بنيادي به كمك همين مدل استاندارد كه به تازگي كشف شده، تنها با يك استثناء قابل پيش بيني هستند.
( لازم است كه جرم مربوط به يك بوزون ويژه موسوم به هيگز (44 ) در مدل استاندارد تعريف شود كه البته تاكنون چنين كاري ميسر نشده است ). ولي اين مدل نمي تواند، اين سه برهم كنش را آن گونه كه الكتروضعيف دوتاي آنها را يكپارچه كرده، در يكجا متحد كند. درنهايت فيزيكدانان اميدوارند كه بالاخره بتوانند هر سه نيروي شرح داده شده را در يك نظريه واحد كه به نظريه وحدت بزرگ يا GUT معروف است، بيان كنند.
براي چنين نظريه اي مدعيان بسياري وجود دارد، اما هنوز هيچ نظريه كاملاً درستي شناخته نشده است.
يكي از ايده هاي مربوط به نظريات وحدت، ابرتقارن (45 ) است. طبق اين فرضيه ميان فرميون ها و بوزون ها در خانواده اي كه كاملاً مجزا در مدل استاندارد رفتار مي كنند يك زمينه تقارني وجود دارد. هر فرميون، در نظريات ابرتقارني، يك « شريك » (46 ) بوزوني دارد و بالعكس. شريك هاي بوزوني كوارك ها، S كوارك ها ناميده مي شوند. نوترينوها، S نوترينو دارند و الي آخر. فوتون كه يك بوزون است، يك شريك فرميوني دارد كه فوتينو ناميده مي شود. شريك بوزون هيگز، هيگزينو است و الي آخر. يكي از احتمالات جالب از ابرتقارن اين است كه حداقل يكي از هزاران ذره اي كه انتظار مي رود خودش را در انرژي بسيار بالا آشكار كند، مي تواند پايدار باشد.
آيا ماده تاريكي كه سراسر عالم را فرا گرفته، توسط يكي از همين ذرات توليد مي شود؟

باريون زايي(47 )

آشكار است كه عقيده تقارن در نظريه ذرات نقش مهمي ايفا مي كند. به عنوان مثال، معادلاتي كه برهم كنش هاي الكترومغناطيسي را تشريح مي كنند، وقتي با بار الكتريكي مواجه مي شوند، متقارن هستند. اگر شخصي تمام بارهاي مثبت را به بار منفي تغيير دهد و بالعكس معادلات ماكسول كه ميدان مغناطيسي را تشريح مي كنند هنوز درست خواهند بود. به عبارت ديگر، انتخاب تخصيص بار منفي به الكترون ها و بار مثبت به پروتون ها كاملاً دلخواه خواهد بود و هيچ تفاوتي در نظريه اعمال نمي كند. اين تقارن ترجماني از وجود قانون بقاي بار است. « بار الكتريكي نه توليد مي شود و نه از بين مي رود ». به نظر مي رسد، اين احساس به وجود مي آيد كه عالم ما نمي تواند يك بار الكتريكي خالص داشته باشد و به همان مقدار كه بار مثبت دارد بار منفي هم دارد و لذا پيش بيني مي شود، بار خالص آن صفر است كه به نظر درست هم مي رسد.
به نظر مي رسد كه قوانين فيزيك در تشخيص ماده و ضد ماده هم، دچار مشكل باشند. ولي مي دانيم كه ماده معمولي خيلي عادي تر و آشناتر از ضد ماده است. به خصوص مي دانيم كه تعداد باريون ها ( پروتون و نوترون ) از تعداد پادباريون ها بيشتر است. باريون ها در واقع نوعي« بار » اضافي موسوم به عدد باريوني، B، را حمل مي كنند. عالم حامل يك عدد باريوني خالص است. همانند بار الكتريكي خالص، مي توانيم فكر كنيم كه B هم بايد يك مقدار پايسته داشته باشد. لذا اگر B صفر نباشد، به نظر مي رسد كه اين نتيجه كه هرگز درگذشته هم نمي توانسته صفر بوده باشد، دور از ذهن نيست.
مشكل به وجود آمدن اين عدم تقارن، مسئله باريون زايي، دانشمنداني را كه زمان زيادي روي نظريه انفجار بزرگ كار كرده اند گيج و متحير ساخته است.
فيزيكدان روسي، آندره ساخاروف (48 ) در 1967، اولين كسي بود كه روي حالاتي كه واقعاً مي توانست عدم تقارن باريوني خالص داشته باشد، كار كرد تا نشان دهد كه در واقع لزومي ندارد عدد باريوني يك مقدار پايسته داشته باشد. او توانست مثال هايي بياورد كه در آنها، قوانين فيزيكي، حقيقتاً به لحاظ باريوني متقارن اند و در زمان هاي اوليه عالم هيچ عدد باريوني خالصي نداشتند ولي وقتي عالم به تدريج سرد شد، برتري باريون ها به پادباريون ها پديدار شد.
كار وي به طرز حيرت آوري غيب گويانه بود زيرا خيلي پيش از ارائه هرگونه نظريه وحدتي از فيزيك ذرات، مطرح شد. او توانست مكانيزمي پيشنهاد دهد كه موقعيتي را به وجود آورد كه در عالم اوليه به ازاي هر 1000 ميليون پادباريون، يك هزار ميليون به علاوه يك باريون وجود داشته باشد. وقتي يك باريون و يك پادباريون با هم برخورد مي كنند، در انفجاري از تابش الكترومغناطيسي نابود مي شوند. در مدل ساخاروف، اغلب باريون ها با پادباريون ها برخورد مي كنند و نابود مي شوند.
در نهايت ما مي مانيم و عالمي كه به ازاي هر باريون باقي مانده شامل هزارن ميليون فوتون است. و اين واقعاً همان حالتي است كه در عالم ما صادق است. تابش ريز موج زمينه كيهاني شامل ميلياردها فوتون به ازاي هر باريون است. اين توصيف مثالي خوب و خوشايند از وجه اشتراك ميان فيزيك ذرات و كيهان شناسي است اما به هيچ وجه چشمگيرترين آن نيست.

پي‌نوشت‌ها:

1.Steady State theory
2.BBC Radio
3.Sir Fred Hoyle
4.Gold
5.Bondi
6.Narlikar
7.De sitter
8.C-Field
9.Continuous Creation
10.Martin Ryle
11.Arno Penzias
12.Robert Wilson
13.Dicke
14.Peebles
15.Astrophysical
16.Helium4
17.Deuterium
18.Helium-3
19.Lithium-7
20.Alpher
21.Bethe
22.Gamov
23. Dark ages
24.CERN
25.Richard Feynman
26.Fermion
27.Boson
28.lepton
29.quark
30.neutrino
31.mu
32.tau
33.up
34.down
35.strange
36.charmed
37.bottom
38.top
39.Hadron
40.Gauge bosons
41.Glashow
42.Salaam
43.Weinberg
44.Higgs
45.supersymmetry
46.Partner
47.Baryogenesis
48.Andrei Sakharov