نخستین ذره‌ای که بنیادی تلقی شد - 3

پاسخ نهایی
موفقیت مدل استاندارد می‌توانست پایان داستان تعیین ذره‌های بنیادی باشد، اما از اواخر دهه 1970 دانش ما از میدان‌های کوانتومی بار دیگر دگرگون شده است. به این فهم رسیده‌ایم که در انرژی‌های نسبتاً کم، ذره‌های بنیادی را می‌توان با میدان‌هایی که در نظریه میدان‌های کوانتومی به اصطلاح مؤثر ظارهر می‌شوند، توصیف کرد؛ چه این ذره‌ها واقعاً بنیادی باشند، چه نباشند. مثلاً، با آنکه میدان نوکلئون و پیون در مدل استاندارد ظاهر نمی‌شود، برای محاسبه آهنگ فرایندهای شامل پیون‌ها و نوکلئون‌های کم – انرژی، می‌توان به جای میدان کوارک‌ها و گلوئون‌ها از یک نظریه میدان کوانتومی مؤثر برای پیون و نوکلئون استفاده کرد. در این نظریه میدان کوانتومی، پیون و گلوئون مثل ذره‌های بنیادی ظاهر می‌شوند، در حالی که هسته‌ها نه. وقتی از یک نظریه میدان به این نحو استفاده می‌کنیم، در واقع فرضی برای ساختارهای بنیادی فیزیک نمی‌کنیم، فقط به اصول عام نظریه‌های کوانتومی نسبیتی و هر تقارن مرتبطی متوسل می‌شویم.
از این دید، فقط می‌توانیم بگوییم گواگ‌ها، گلوئون‌ها، فوتون، W+ ، W- و Z0 ، و الکترون و دیگر لپتون‌ها بنیادی‌تر از پیون‌ها و نوکلئون‌ها هستند؛ چرا که میدان آن‌ها در نظریه‌ای وارد می‌شود که در گستره بیشتری از انرژی‌ها کاربرد دارد (مدل استاندارد) تا نظریه میدان مؤثری که نوکلئون‌ها و پیون‌ها را در انرژی‌های کم توصیف می‌کند. نمی‌توانیم به نتیجه‌گیری نهایی‌تری درباره بنیادی بودن کوارک‌ها و گلوئون‌ها و حتی خود الکترون‌ها برسیم. شاید خود مدل استاندارد هم یک نظریه میدان کوانتومی مؤثر، و تقریبی از نظریه‌ای بنیادی‌تر باشد که جزئیاتش در انرژی‌هایی خیلی بیشتر از آنچه شتاب‌دهنده‌های مدرن فراهم آورده‌اند آشکار شود؛ نظریه‌ای که ممکن است اصلاً شامل کوارک و لپتون نباشد.
مثلاً ممکن است کوارک و الکترون و ذره‌های دیگر مدل استاندارد، خودشان از ذره‌هایی بنیادی‌تر ساخته شده باشند یک راه برای فهمیدن نگاه کردن به اندازه این ذره‌هاست؛ مثلاً با سنجش میدان مغناطیسیی که به خاطر اسپینشان می‌سازند. ناصفر بودن اندازه، به خودی خود نشان مرکب بودن ذره نیست. مثلاً الکترون در الکترودینامیک کوانتومی (که امروزه بخشی از مدل استاندارد است) به صورت ذره‌ای بنیادی ظاهر می‌شود و با این حال با ابر کم عمری از فوتون و زوج‌های الکترون – پوزیترون احاطه شده است، چیزی که به الکترون گسترده‌ای متناهی می‌دهد مهم این است که آیا آثار سنجش‌پذیر داشتن اندازه متناهی با آنچه در الکترودینامیک کوانتومی محاسبه می‌شود برابر است یا نه. تا اینجا به نظر می‌رسد که هست. آزمایش‌های مختلف نشان داده‌اند که میدان مغناطیسی الکترون در واحدهای طبیعی اتمی برابر است با 001159652188/1، در حالی که الکترودینامیک کوانتومی می‌دهد 00115965214/1، این هم‌خوانی خیره کننده نشان می‌دهد که اگر الکترون ذره‌ای مرکب باشد. انرژی بسنگی سازه‌های آن باید خیلی بیشتر از تمام انرژی‌هایی باشذ که در آزمایشگاه‌های فیزیک انرژی‌های زیاد امروزه کاویده شده است.
ممکن است تا زمانی که نظریه‌ای نهایی برای ماده و نیرو نیافته‌ایم، نتوانیم پاسخی به این پرسش که کدام ذره‌ها بنیادی‌اند بدهیم. ممکن است وقتی چنین نظریه‌ای یافتیم، ببینیم که ساختارهای بنیادی فیزیک اصلاً ذره نیستند. بسیاری از نظریه‌پردازان می‌اندیشند که نظریه بنیادی چیزی شبیه به یک نظریه ابرریسمان است؛ نظریه‌ای که در آن الکترون، کوارک‌ها، و نظایر آن‌ها فقط وجه‌های لرزشی کم انرژی مختلف ریسمان‌ها هستند. در نظریه ریسمان، میدان‌هایی مثل میدان الکترومغناطیس و میدان الکترون بنیادی نیستند، بلکه تنها در توصیفی تقریبی از پدیده‌‌ها ظاهر می‌شوند؛ چیزی که فقط در انرژی‌هایی معتبر است که آن‌قدر کم‌اند که وجه‌های بالاتر ریسمان را بر نمی‌انگیزند. علی‌الاصول به نظر نمی‌رسد بتوان یک دسته از ریسمان‌ها را حقیقتاً بنیادی انگاشت؛ زیرا همان‌طور که اخیراً فهمیده‌ایم، بسیاری از نظریه‌های ریسمان مختلف؛ شامل انواع مختلفی از ریسمان‌ها؛ هم‌ارزند.
درسی در تمام این‌ها است. کار فیزیک پاسخ دادن به پرسش‌هایی ثابت درباره طبیعت نیست؛ پرسش‌هایی مثل اینکه کدام ذره‌ها بنیادی‌اند. پیشاپیش، و اغلب تا هنگامی که به پاسخ نزدیک نشده‌ایم، نمی‌دانیم پرسش‌های درست کدام‌اند.