نخستین ذره‌ای که بنیادی تلقی شد - 2

میدان بنیادی
خیلی پیشتر از آنکه هایزنبرگ به چنین قضاوت اغراق آمیزی برسد، تعریف دیگری از ذره بنیادی فراگیر شده بود. از دید نظریه میدان کوانتومی آن طور که هایزنبرگ، پاؤلی، و دیگران در سال‌های 1926-34 آن را بار آوردند، سازه‌های اصلی طبیعت میدان‌ها هستند نه ذرات: فوتون کلافی از انرژی الکترومغناطیسی است؛ الکترون هم کلافی است از میدانی دیگر، به نام میدان الکترون. طبیعی است تعریف کنیم یک ذره بنیادی ذره‌ای است که میدانش در معادله‌های بنیادی میدان ظاهر شود. مهم نیست که ذره سبک است یا سنگین پایدار است یا ناپایدار؛ اگر میدانش در معادله‌های میدان ظاهر شود بنیادی است، اگر نشود، نه.
این تعریف، اگر معادله‌های میدان معلوم باشد، تعریف خوبی است؛ اما جز در مورد الکترودینامیک کوانتومی یعنی نظریه فوتون‌ها، الکترون‌ها و پوزیترون‌ها فیزیکدان‌ها تا مدت‌ها این معادله‌ها را نمی‌دانستند. در دهه‌های 1950 و 1960 کارهای نظری بسیاری شد با این هدف که بدون دانستن نظریه [میدان] مورد نظر، ساز و کارانه معلوم شود کدام ذره‌ها بنیادی‌اند و کدام‌ها مرکب. در نظریه نانسبیتی مکانیک کوانتومی، برخی اوقات این کار شدنی بود؛ فی‌المثل می‌توان نشان داد که هسته دوتریم، بیشتر اوقات حالت مقید یک پروتون و یک نوترون است. این نتیجه تکان دهنده‌ای نبود – همواره همه می‌انگاشتند که دوترون حالتی مقید است – اما ویژگی این اثبات آن بود که بدون هیچ فرضی درباره‌ی نیروی قوی هسته‌ای یا اینکه در انرژی‌های زیاد چه روی می‌دهد، فقط بر پایه مکانیک کوانتومی نانسبیتی و داده‌های پراکندگی کم – انرژی نوترون – پروتون بود.
نبودن یک راه تجربی محض برای تشخیص ذره‌های مرکب از ذره‌های بنیادی به این معنی نیست که این تمایز مفید نیست. تمایز بین ذره‌های بنیادی و مرکب با پذیرش همگانی یک نظریه میدان کوانتومی برای ذرات بنیادی به نام مدل استاندارد در دهه 1970 بسیار روشن‌تر شد. این مدل توصیفی است از میدان کوارک‌ها (یعنی سازه‌های نوکلئون‌ها، هایپرون‌ها، پیون‌ها، و نظایر آن‌ها)؛ میدان لپتون‌ها ( یعنی الکترون، میون، و تائون که نسبتاً جدیداً کشف شده به علاوه نوترینوهای متناظر با این ذره‌ها)؛ و میدان فوتون و 11 ذره مشابه: هشت گلوئون که نیروی قوی هسته‌ای را پدید می‌آورند، و سه ذره W+ ، W- و Z0 که نیروی ضعیف هسته‌ای را پدید می‌آورند. نیروی قوی هسته‌ای کوارک‌ها را در نوکلئون‌ها نگه می‌دارد، و نیروی ضعیف هسته‌ای مسبب پدیده پرتوزایی است، پدیده‌ای که نوترینوهای هم در آن دخیل‌اند.
پس دست کم اکنون ذره‌های بنیادی عبارت‌اند از: کوارک‌ها، لپتون‌ها و فوتون و خواهر – برادرهایش. پروتون و نوترون و صدها ذره با بر هم کنش قوی که پس از جنگ جهانی دوم کشف شدند بنیادی نیستند، بلکه مرکب‌اند از کوارک‌ها و گلوئون‌ها؛ و این نه به آن دلیل است که از درون آن‌ها می‌توان کوارک و گلوئون بیرون کشید، بلکه به آن دلیل است که این شکل در نظریه وارد می‌شوند.
تنها جنبه‌ی نادقیق مدل استاندارد سازوکاری است که ذره‌های بنیادی را جرم‌دار می‌کند. این جرم‌ها در ساده‌ترین سرایش مدل، وابسته به ثابت‌هایی‌اند که قدرت برهم‌کنش ذره‌های مختلف را با میدانی جدید که تمام دنیا را پر کرده مشخص می‌کنند، اما این ثابت‌ها در واقع پارامترهای آزاد نظریه‌اند. برای یک نظریه بهتر، شاید طبیعی باشد انتظار داشته باشیم این ثابت‌ها به تقریب برابر باشند با ثابتی که قدرت برهم‌کنش الکترون و دیگر ذره‌های باردار با میدان الکترومغناطیس را مشخص می‌کند، یعنی بار الکترون در این صورت جرم همه ذره‌های بنیادی یا صفر است، یا به تقریب همان جرم ذره‌های W+ ، W- و Z0 است. اما این خیلی با واقعیت فاصله دارد. تقریباً تمام ذره‌های بنیادی بسیار سبکتر از W+ ، W- و Z0 اند؛ به خصوص الکترون، که سبک‌ترین ذره بنیادی جرم‌دار است، 180000 بار سبک‌تر از Z0 است. هیچ کس نمی‌داند عددی به این بزرگی از کجا می‌آید. از این نظر، الکترون عجیب‌ترین ذره بنیادی است.
بعد از این همه کشفیات الکترون هنوز بنیادی بودن خود را حفظ کرده است، اما اکنون می‌دانیم که الکترون فقط یکی از 3 لپتون باردار است. اینکه الکترون در زندگی روزمره مهم است اما میون و تائون نه، نشان‌دهنده‌ی این است که الکترون سبک‌ترین این 3 ذره، و در نتیجه پایدار است. مازاد انرژی موجود در جرم میون و تائون می‌تواند هنگام واپاشی به الکترون و نوترینو آزاد شود، پس اینها وامی‌پاشند و بنابراین در ماده اطراف ما وجود ندارند، در خالی که واپاشی الکترون به میون یا تائون پایستگی انرژی را نقض می‌کند. اما علی‌الاصول، با کوبیدن نوترینوهای پر انرژی مناسب، می‌توانیم الکترون را به میون یا تائون تبدیل کنیم. چیزی نیست که بگوید در قوانین فیزیک الکترون نقشی بنیادتر از لپتون‌های دیگر یا کوارک‌ها دارد.
موفقیت نظریه میدان‌های کوانتومی و مدل استاندارد، برخی از مفاهیم قدیمی‌تر الکترون را به طرز جالبی روشن کرد. دیراک در کار معروف 1928 خود درباره‌ی مکانیک کوانتومی نسبیتی نتیجه گرفته بود که الکترون باید اسپین یا تکانه زاویه‌ای خاصی برابر با یک – دوم داشته باشد. اینکه اسپین الکترون یک – دوم است چند سالی پیشتر کشف شده بود و هنوز شگفت‌انگیز می‌نمود. بنابراین پیش بینی موفقیتی بزرگ قلمداد شد. حتی امروزه هم معمولاً توجه نمی‌شود که با آنکه نظریه دیراک در شناخت الکترون گام بزرگی به پیش بود، استدلال او درباره‌ی اسپین الکترون درست نبود. تحلیل دیراک به هیچ‌یک از ویژگی‌های خاص الکترون مبتنی نیست، بلکه فقط بر اساس این فرض است که الکترون بنیادی است. از نظر دیراک، این به طور ضمنی یعنی اینکه الکترون باید با تعمیمی نسبیتی از معادله موج نانسبیتی شرودینگر توصیف شود.
همان‌طور که دیراک یادآور می‌شود، اگر اسپین ذره بنیادی چیزی جز یک – دوم باشد، این نظریه به دشواری‌های احتمال منفی خواهد انجامید، پس استدلال دیراک به اینجا می‌رسد که همه ذره‌های بنیادی باید اسپین یک-دوم داشته باشند. اما اکنون می‌دانیم که ذره‌های دیگری مثل W+ ، W- و Z0 که درست مثل الکترون بنیادی‌اند، اسپینی جز یک – دوم دارند. (اشکال استدلال دیراک این است که لازم نیست مکانیک کوانتومی نسبیتی تعمیمی نسبیتی از مکانیک موجی باشد نظریه میدان‌های کوانتومی، که ذره‌های بنیادی با هر اسپینی را اجازه می‌دهد، رهیافت کلی‌تری پیشنهاد می‌کند.