مترجم: زهرا هدایت منش
منبع:راسخون
منبع:راسخون
در کشف الکترون به وسیله جی جی تامسون، 120 سال پیش، دو نکته طنز آمیز هست. یکی اینکه این کشف بیشتر یک پیروزی پیش دریافت نظری بوده تا هنرورزی تجربی. وقتی از جی جی تامسون برای استادی فیزیک تجربی در آزمایشگاه کوندیش دعوت شد، شهرتش عمدتاً به دلیل کار ریاضی‌اش بود. یکی از وردست‌هایش در آزمایشگاه کوندیش بعدها بازگو کرد که جی جی در کار با دستهایش خیلی دست و پا چلفتی بود و من دریافته بودم که لازم نیست وی را به کار با دستگاه‌ها تشویق کنم. سنجیدن نسبت جرم به بار ذره‌های سازنده پرتوهای کاتدی به وسیله او در سال 1276/1897 به اندازه سنجش‌های همان موقع والتر کاؤفمان در برلین دقیق نبود. اما تامسون در سنت اتم‌گرایی نیوتون، پروت، و دالتون بزرگ شده بود، و به نظرش طبیعی رسید که از مشاهده اینکه نسبت جرم به بار ذرات پرتوهای کاتدی کوچک و مستقل از جنس کاتدی است که از آن تابیده، نتیجه شود که این ذره سازه اصلی اتم‌ها است، موجودی که عناصر شیمیایی از آن ساخته شده‌اند.
شاید بهترین دستاورد تامسون به عنوان یک تجربه‌گر این باشد که دو سال بعد نشان داد نسبت جرم به بار ذراتی که در پدیده‌های فوتواکتریک و ترموالکتریک از سطح فلزات گسیل می‌شوند همان نسبت جرم به بار ذره پرتوهای کاتدی است. این تأییدی بر این ادعای وی بود که همه این ذره‌ها یکی هستند. تقریباً در این زمان بود که فیزیک‌دان‌ها برای نامیدن این ذره واژه‌ای از نظریه الکترولیز وام گرفتند: الکترون.
تامسون، علاوه بر این، بار الکتریکی الکترون را سنجید. از اینجا فوراً می‌توان بار یون‌ها یعنی اتمی‌هایی که یک یا چند الکترون گرفته‌اند یا از دست داده‌اند را یافت. این، به علاوه نسبت جرم به بار یون‌های مختلف، که پیشتر سنجیده شده بود، اندازه جرم یون‌ها و در نتیجه اتم‌ها را می‌داد. نتیجه با اعدادی که به روش‌های دیگر به دست آمده بود توافق داشت. این نکته طنز آمیز دوم است، که از اولی بزرگتر است: کشف الکترون به اثبات وجود اتم کمک کرد، اما چون می‌توان از اتم الکترون بیرون کشید، این کشف نشان می‌داد که اتم چیزی که همواره تصور می‌شد نیست، اتم‌ها اجزای جدا نشدنی سازنده ماده نیستند. به بیان امروز اتم ذره بنیادی نیست.
پس ذرات بنیادی چیستند؟ وقتی در سال 1290/1911، هسته اتم در آزمایشگاه ارنست رادرفورد کشف شد هسته را بنیادی نمی‌انگاشتند، به دو دلیل: یکی اینکه می‌دانستند که برخی هسته‌های رادیواکتیو الکترون و ذره‌های دیگر می‌گسیلند، و دیگر اینکه بار و جرم هسته‌ها را می‌شد با این فرض که هسته از دو نوع ذره بنیادی ساخته شده است، توضیح داد. این دو ذره عبارت بودند از الکترون سبک با بار منفی و پروتون سنگین با بار مثبت. این باور که تمام مواد فقط از دو نوع ذره بنیادی ساخته شده‌اند، در دهه 1300/1920 چنان فراگیر و قاطع شده بود که فهم آن امروز دشوار است. مثلاً، وقتی در 1311/1932 جیمز چادویک نوترون خنثی را کشف کرد، عمدتاً تصور می‌شد که نوترون متشکل از یک پروتون و یک الکترون است. چادویک در مقاله‌ای که این کشف را اعلام کرد پیشنهاد می‌کند که: البته می‌توان تصور کرد که نوترون ذره‌ای بنیادی است. در حال حاضر، به جز احتمال توصیف آمار هسته‌هایی مثل N14، پشتوانه کمی برای این فرضیه هست این کشف مستقل بودن نیروهای هسته‌ای از بار الکتریکی در 1315/1936 بود که به روشنی نشان داد که نوترون هم باید بنیادی باشد. امروزه، هنگام صحبت از پروتون و نوترون هر دو را نوکلئون می‌نامیم.
این فقط آغاز یک افزایش بزرگ به فهرست ذره‌های به اصطلاح بنیادی بود. اولین ذره جدیدی که کشف شد پوزیترون یعنی پاد ذره الکترون بود. در نظریه پاؤل دیراک پوزیترون به شکل حفره‌ای در دریای الکترون‌های با انرژی منفی طاهر می‌شد، اما امروز این تعبیر کهنه شده و پوزیترون به عنوان ذره‌ای مستقل شناخته می‌شود. میون در 1316/1937 به فهرست افزوده شد پیون‌ها، کائون‌ها و هایپرون‌ها، که ذره‌هایی با بر هم کنش قوی‌اند، در اواخر دهه 1320/1940 کشف شدند. نوترینو، که ذره‌ای است با برهم کنش ضعیف، در 1309/1930 پیشنهاد شد، اما تا 1334/1955 کشف نشد. سپس در اواخر دهه 1950، استفاده از شتاب دهنده‌های ذرات و اتاق‌های ذرات حباب به آشکار شدن دسته وسیعی از ذره‌های با بر هم کنش قوی انجامید؛ از جمله ذره‌هایی مثل قوم و خویشان سنگین‌تر پیون‌ها، کائون‌ها، و هایپرون‌ها.
نظره پردازان بر پایه این اصل که حتی اگر بیش از دو نوع ذره بنیادی وجود داشته باشد، به هر حال تعداد آن‌ها نباید زیاد باشد، حدس می‌زدند که بیشتر این ذره‌ها از تعداد کمی ذره بنیادی ساخته شده‌اند اما چگونه می‌توان گفت که الکترون یا ذره‌ای دیگر جزو این ذره‌های بنیادی است یا نه؟ وقتی این سؤال مطرح شد، روشن شده بود که این پاسخ قدیمی که "ذره‌ای بنیادی است که نتوان چیزی از آن بیرون کشید "نارسا است. در برخورد الکترون‌ها و پوزیترون‌ها با هم یا با اتم‌ها، الکترون و پوزیترون پدید می‌آید؛ از برخورد پیون‌ها هم پروتون و پادپزوتون پدید می‌آید. اینک چه چیزی از چه چیزی ساخته شده؟ در دهه 1950، این مسئله غامض به وسیله برخی از نظریه پردازان تبدیل به اصلی موسوم به دموکراسی هسته‌ای شد. این اصل می‌گوید: هر ذره‌ای را می‌توان حالت مقید هر دسته از ذرات دیگر انگاشت مشروط بر اینکه قوانین پایستگی نقض نشوند. این عقیده چند دهه بعد، در 1975، در سخنرانی ورنر هایزنبرگ در انجمن آلمان خود را نشان می‌دهد: «در آزمایش‌های دهه‌های پنجاه و شصت ... ذره‌های جدید بسیاری با عمرهای کوتاه و بلند کشف شد و دیگر نمی‌شد به این پرسش که این ذره‌ها از چه ساخته شده‌اند پاسخی بی‌ابهام داد. فی‌المثل یک پروتون ممکن است از نوترون و پیون ساخته شده باشد، یا از لامبدا-هایپرون و کائون، یا از دو نوکلئون و یک پادنوکلئون؛ ساده‌ترین راه این است که بگوییم پروتون از ماده پیوسته ساخته شده است، و همه این جمله‌ها به یک اندازه درست یا غلط‌اند. به این ترتیب فرق بین ذره‌های بنیادی و مرکب از پایه از بین رفته و این بی شک مهم‌ترین کشف تجربی 50 سال اخیر است.
