نویسنده: محمد ارزنده نیا
ذرات بنیادی و مواد جهان به وسیله دست کم چهار نیروی بنیادی با یکدیگر کنش متقابل دارند. نیروی گرانشی، که برای مثال زمین را به دور خورشید نگه می دارد؛ نیروی قوی هسته ای که پروتون ها و نوترون ها را در هسته اتم کنار هم محکم نگه می دارد و انسجام هسته را تضمین می کند؛ نیروی ضعیف هسته ای که باعث تلاشی نوترون هاست و به نام تباهی بتا(1) معروف می باشد، و نیروی الکترومغناطیسی که الکترون ها را در اطراف هسته اتم نگاه می دارد.
هر گاه شدت نیروی قوی هسته ای را برحسب واحدی برابر با یک اختیار کنیم، قدرت نسبی این چهار نیرو به ترتیب زیر خواهد بود.
1ـ گرانشی: شدت در حدود
2ـ ضعیف هسته ای یا نیروی رادیواکتیو: شدت در حدود
3ـ الکترومغناطیسی: شدت در حدود
4ـ قوی هسته ای: شدت برابر با 1
نیروی الکتریکی میان الکترون های منفی و هسته مثبت موجد تمامی علم شیمی است. این نیرو، الکترون ها را به اتم پیوند می دهد. از پیوند اتم ها نیز ابتدا، مولکول ها و سپس دیگر اجسام طبیعت بوجود می آید.
گرانش در مقیاس ذرات کوچک اتم بسیار ناچیز است. نیروی گرانش میان الکترون و هسته، در اتم هیدروژن بیش از ده به توان 39 بار از نیروی الکتریکی ضعیفتر است، و تاکنون آثار گرانش در فیزیک اتمی، مولکولی و فیزیک حالت جامد مشاهده نشده است. اما نیروی گرانش نیز به طریقی جمع و انباشته می شود که برای نیروی الکترومغناطیسی ممکن نیست، زیرا بارهای گرانشی مثبت و منفی ندارند تا یکدیگر را خنثی سازند. بنابراین، در مقیاس های بزرگ، گرانش، نیروی مسلط می شود. گرانش از اجرامی که قطرشان در حدود یک صد کیلومتر است، یعنی سیارک های بزرگ به بعد اهمیت می یابد. این نیرو موجب قوام و دوام ماه، زمین، منظومه شمسی، ستارگان، خوشه های ستاره ای درون کهکشان ها و خود کهکشان هاست.
در سال 1925 به نظر می رسید که الکترومغناطیس و گرانش بر کل جهان چیره اند. در نتیجه چه چیزی طبیعی تر از آن بود که فیزیکدانان از جمله آینشتاین بکوشند این دو نیرو را در یک نظریه میدان وحدت یافته ادغام کنند؟ اما این کوشش دچار شکست شد. زیرا که بعدها معلوم شد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی تنها نیروهای حاکم بر جهان نیستند.
در سال 1932 می دانستیم که هسته اتم از پروتون مثبت و نوترون خنثی تشکیل شده است، اما چه چیزی تمام این پروتون ها را در هسته، این چنین نزدیک به هم نگه می دارد؟ نیروی گرانشی که بسیار ضعیف تر از آن است که پروتون ها را کنار هم نگهدارد. نیروی الکترومغناطیسی از قدرت کافی برخوردار است ولی می تواند خود را همچون نیروی کششی یا رانشی نشان دهد. در نتیجه، تنها اثر این نیرو باعث دفع پروتون ها از یکدیگر می شود. اما در هسته اتم، پروتون ها سخت به یکدیگر فشرده اند. نوترون ها نیز در هسته حضور دارند اما به نظر نمی رسد که کمکی به این وضعیت کنند، زیرا که فاقد بار الکتریکی می باشند. عاقبت در سال 1935 این یوکاوا بود که تئوری نیروی هسته ای را اعلام کرد.
نیروی قوی ای در هسته وجود دارد که با الکترومغناطیس و گرانش تفاوت بسیار دارد، و بسی نیرومندتر از آنهاست. این نیرو که در حدود صد بار نیرومندتر از الکترومغناطیس می باشد، می تواند هسته هایی با یک صد پروتون را به هم بسته نگه دارد. مثال برجسته تری از شدت کنش های متقابل قوی، آن است که یک واکنش هسته ای به ازای هر اتم یک میلیون مرتبه بیشتر از یک واکنش شیمیایی انرژی رها می سازد.
کنش های متقابل ضعیف همزمان با کشف رادیواکتیویته در سال 1896 مشاهده شدند. زیرا که اشعه بکرل محصول استحاله ای هسته ای بود که «تلاشی بتایی» نام دارد. به عنوان مثالی از تلاشی بتایی؛ هسته تریتیوم را درنظر می گیریم که دارای یک پروتون و دو نوترون است. در جریان این تلاشی یکی از نوترون ها به پروتون تبدیل شده و هسته ای از نوع دیگر را بوجود می آورد که ایزوتوپ سبک هلیوم است. برای آنکه بار دو طرف واکنش متعادل بماند، یک الکترون و یک نوترینو نیز آزاد می گردد. در ابتدا این ذرات در هسته نبودند. ولی آنها ضمن عمل تلاشی، به وسیله نیرویی که کنش متقابل ضعیف نام دارد، ایجاد می شوند.
نیروی ضعیف، قبل از وقوع تلاشی، چندان اثری در ساختمان هسته ندارد. بلکه مانند شکافی ریز در یک ناقوس چدنی است که اثری در طنین ناقوس ندارد، ولی سرانجام موجب شکستن و تکه تکه شدن آن می گردد. کنش متقابل ضعیف در حقیقت نخستین مرحله اصلی در واکنش هایی به شمار می رود که گرمای خورشید را تأمین می کنند. خورشید به طور عمده، متشکل از هیدروژن است. دو هسته هیدروژن به هم می چسبند، یکی از آنها به نوترون تبدیل می شود، و برای آنکه موازنه بار در کل فرایند برقرار باشد یک پوزیترون و یک نوترینو نیز آزاد می شوند.
نوترینوها می توانند از قالبی سربی به ضخامت چندین سال نوری عبور کنند بی آنکه متوقف و یا پخش شوند. خورشید پیوسته نوترینو تشعشع می کند و حتی در شب نیز که خورشید بر نیمه دیگر کره زمین می تابد، نوترینوها از زمین می گذرند و به ما می رسند.
هر ذره در عالم، منبع یک یا چند تا از نیروهای بنیادی است. از این چهار نیرو دو نیروی هسته ای و ضعیف تا حدود
سانتیمتر یا کمتر از آن نمود پیدا می کنند. این فاصله در حدود پهنای هسته کوچکی است که در مرکز هر اتمی وجود دارد. به این دلیل واژه نیروی هسته ای گاهی به هر دوی آنها اطلاق می شود و به نیروی هسته ای قوی و ضعیف تفکیک می گردند. ذراتی که نیروی هسته ای قوی را به وجود می آورند و به آن پاسخ می دهند هادرون ها(2) نامیده می شوند. این نام از واژه ای یونانی به معنای قوی گرفته شده، چرا که از میان چهار نیروی بنیادی، نیروی هسته ای قوی از همه قوی تر است. در نتیجه می توان گفت که پروتون ها و نوترون ها در گروه هادرون ها هستند.فیزیکدانان نوع واکنش ها را با عدد خاصی به نام ضریب اتصال واکنش نشان می دهند که برابر است با:
در واکنش های قوی که به علت میدان مزون های پی پدید می آید این عدد حدود 15 است که با تبادل مزون پی، پروتون ها و نوترون های هسته به طور پیوسته تبدیل به یکدیگر می شوند. ارتباط میان پروتون ها از یک طرف و نوترون ها از طرف دیگر نیز با پی مزون خنثی تأمین می گردد.
در واکنش های الکترومغناطیسی که عاملش کوانتای این میدان است، این عدد بسیار کم و در حدود
است.در واکنش های هسته ای ضعیف که ناشی از میدان الکترون ها یا نوترینوهاست (که به طور معمول در تجزیه بتاهای مثبت و منفی پدید می آید)، این عدد در حدود
است.و سرانجام در واکنش های جاذبه که با بار جاذبه
مشخص می شود ( m جرم جسم و x ضریب عمومی است) حتی برای سنگینترین ذره بنیادی شناخته شده، این عدد از
تجاوز نمی کند. «نیوتن کشف کرد که هر جسمی که بتواند میدان گرانشی بوجود آورد، چنانچه در میدان گرانشی زمین قرار گیرد، به سوی مرکز آن حرکت خواهد کرد؛ یعنی سقوط می کند. زمین نیز به سهم خود به سوی مرکز آن جسم حرکت خواهد کرد. اما از آنجا که زمین بسیار بزرگتر از جسم سقوط کننده است، سرعت حرکت آن به طور نسبی، آن قدر کم است که در واقع غیر قابل اندازه گیری است».(3) نیوتن نیروی جاذبه (گرانشی) میان دو جسم را با کمک فرمول
نمایش داد که در آن G ضریب گرانش، m و
جرم های دو جسم و d فاصله آن دو از هم است.دلیل آشنایی ما با نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی، و ناآشنایی ما با نیروهای قوی و ضعیف، فقط به خاطر برد آنهاست. دو نیروی اول دارای برد بسیار زیاد و برعکس دو نیروی دیگر دارای برد بسیار کوتاهی هستند. ولی با این وجود، این نیروها نیز به همان اندازه بنیادی اند. فقط این تصادف که مقیاس زندگی ما به جای یک فرمی (هر سانتیمتر برابر با ده تریلیون فرمی است)، در ردیف یک متر می باشد؛ نیروهای گرانشی و الکترومغناطیس را درنظر ما بنیادی تر نشان می دهد.
اواخر دهه 1920 و اوایل دهه 1930 مکانیک کوانتومی با نسبیت وحدت یافت و فرمالیسمی ریاضی به نام نظریه میدان کوانتومی پدید آمد که بنابر آن کنش های متقابل ذرات بنیادی از طریق مبادله خود ذرات بنیادی صورت می پذیرد. بنابر مکانیک کوانتومی، برد هر نیرو به طور معکوس با جرم ذره مبادله شده متناسب است. پس الکترومغناطیس و گرانش، که بردشان نامتناهی به نظر می رسد از مبادله ذراتی که جرمشان صفر است یعنی فوتون آشنا و گراویتون فرضی ناشی می شوند. وقتی که به فرض در برخورد یک فوتون با الکترون، الکترونی مبادله می شود، برد در حدود 386 فرمی است. چون برد کنش های متقابل قوی در حدود یک فرمی است با استفاده از قاعده تناسب، جرم ذره مبادله شده باید چند صد برابر جرم الکترون باشد. که جرم گروهی از ذرات با کنش متقابل قوی چون پوترون، نوترون و مزون است.
«یکی از نخستین تلاش ها در مورد وحدت بخشیدن به چهار نیروی بنیادی جهان، در دهه 1960 مطرح شد، که بر مبنای وحدت بخشیدن به کنش های متقابل الکترومغناطیسی و ضعیف استوار بود. در دهه 1980 نیز به طور تجربی در شتاب دهنده غول آسای سازمان اروپایی برای پژوهش اتمی (CERN) در ژنو به اثبات رسید. و این با کشف ذراتی بود به نام های ساده W و Z که نیروی ضعیف را حمل می کنند.»(4)
در دهه 1960، شلدان گلاشو،(5) استیون واینبرگ(6) و محمد عبدالسلام فیزیکدان پاکستانی، بسط اندیشه وحدت نیروهای بنیادی را پیش کشیدند. واینبرگ در سال 1967 موفق شد که میان نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی وحدتی پدید آورد. کاری که در همان سال عبدالسلام نیز مستقل از وی، به آن توفیق یافت.
«از نظر عبدالسلام وحدت کوارک ـ لپتونی در مقیاس انرژی ای در حدود
بلیون الکترون ولت تحقق خواهد یافت. بنابراین نظریه در فاصله
تا ، پدیده های جدید، که لایه های تازه ای از وحدت را آشکار می سازند در مراحل متوالی متجلی می شوند. و در انرژی
است که وحدت سه نیرو ظاهر می گردد.»(7)مدل های دیگر که اساس آنها همان اندیشه وحدت نیروهاست، سناریوی دیگری را مطرح می سازند. زیرا که جزئیات ساخت واره های درونی آنها با جزئیات مدل عبدالسلام متفاوت است. به طور مثال مدلی از هوارد جیورجی(8) و شلدان گلاشو از دانشگاه هاروارد پیش بینی می کند که وحدت کوارک ـ لپتونی و نیز وحدت سه نیروی بنیادی تنها در فاصله
تحقق می یابد.
برحسب این نظریه ها تقارنی ژرف میان نیروهای طبیعت وجود دارد. به این معنی که در واقع همه یکی هستند و تنها علتی که در زندگی روزمره با تفاوت هایی چنین فاحش میان نیروهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی روبرو می شویم، آن است که برحسب تصادف در دمای
درجه زندگی نمی کنیم.«می دانیم که خوشه های کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند و در همین حال فضای بین آنها گسترش می یابد و این بدان معناست که در حدود 15 هزار میلیون سال پیش کهکشان ها به یکدیگر نزدیکتر بودند، و سپس همه ماده و انرژی کیهان از فوران و انفجار حادثه بزرگ(10) بوجود آمد.»(11)
برحسب نظریه حادثه بزرگ، کیهان بسیار آغازین (برای مثال در
ثانیه پس از وقوع حادثه بزرگ) بسیار داغ بود و دمای آن به بالاتر از
درجه کلوین می رسید. در این دماها ذرات از انرژی کافی برای کنش متقابل در فواصل بسیار کم مثل
سانتیمتر برخوردارند. بدین گونه کیهان بسیار آغازین همچون یک شتاب دهنده ذره ای عظیم عمل می کرد.برخی خصوصیات نظریات وحدت بزرگ در مورد یگانگی نیروهای بنیادی ارتباط زیادی به کیهان اولیه دارد. یکی از هیجان انگیزترین نتایج نظریات وحدت بزرگ آن است که این نظریات حاکی از بی ثباتی ماده اند. در حالی که پیش از پیدایش نظریات وحدت بزرگ، پروتون ها و در حقیقت ماده به طور مطلق با ثبات و تغییر ناپذیر تلقی می شدند، کنش های متقابل قوی برحسب این نظریه ها دال بر تباهی پروتون هستند. درست همان طور که کنش های متقابل ضعیف تباهی نوترون را سبب می شوند. سرانجام به نظر می رسد که همه ماده کیهان چنانکه ما آن را می شناسیم، نابود خواهد شد.
«در حالی که عمر نوترون آزاد در حدود 15 دقیقه است، عمر پروتون بیش از
سال است. ولی با توجه به اینکه سن کنونی کیهان تنها
سال است، برای نخستین بار، برای ابدیت مقیاس کمی از رسته
سال تعیین شده است.»(12)بنابر نظریات وحدت بزرگ(13) در نخستین لحظه آتشین حادثه بزرگ، کیهان خیلی داغ و خیلی چگال بود، و تابع یک نیروی یگانه واحد بود. ولی وقتی گسترش یافت به سردی گرایید، چگالی اش کاهش یافت و در فرایندی به نام تجزیه تقارن نیروی یگانه واحد شروع به تجزیه شدن کرد. این تجزیه نیروها هنگامی رخ داد که کیهان در حدود
ثانیه عمر داشت و دارای دمای
درجه کلوین بود.این دوره ای است که کیهان با سرعتی بسیار گسترش می یافت. مزیت این سناریوی باد شدگی، آن است که این دوره ناگهانی، کوتاه و سریع کیهان راه حلی برای این مسئله عرضه می دارد که چگونه اجزای کیهان (که در غیر این صورت دورتر از آن بود که ارتباط علیتی با یکدیگر داشته باشند) دماهای مشابهی پیدا می کنند. کیهان بزرگ ما بسیار یکنواخت است، زیرا از یک بذر یکنواخت ریز تورم یافته است.
مدل تورمی همچنین برای مسئله حساس دیگری پاسخ لازم را فراهم می کند، به این معنی که چگونه است که ماده بیش از ضد ماده از حادثه بزرگ تولید شد؟ نظریات وحدت بزرگ، در دماهای بسیار بالا وجود مراحل بسیار آغازین را برای ذرات ایکس فوق سنگین پیش بینی می کنند. این ذرات سپس به ذراتی با جرم کمتر تباهی می یابند و در این کار می توانند آمیزه یکسانی از ماده (باریون ها) و ضد ماده (ضد باریون ها) را تولید کنند. در زمانی دقیقاً
ثانیه پس از حادثه بزرگ دما به سطحی تنزل می کند که در آن دیگر ذرات ایکس نمی توانند ساخته شوند، و عدم تقارن ناچیزی (یک باریون جفت نشده در هزار میلیون جفت باریون ـ ضد باریون) برای همیشه در کیهان گسترش یابنده وارد می شود و در آن می ماند.«هر مواجهه یک پروتون و یک ضد پروتون به نابودی هر دو می انجامد و تنها پروتون های اضافی (یکی در هزار میلیون) باقی می مانند. ما همه کهکشان ها، ستارگان، سیارگان و موجودات زنده کیهان را به این عدم توازن ناچیز مرهون هستیم.»(14) (از
ثانیه پس از حادثه بزرگ تا زمان حال). جالب توجه است که همان نیروهایی که باعث تشکیل جهان هستند (عدم تقارن ماده ـ‌ضد ماده) آن را به انقراض می رانند (تباهی پروتون و از آنجا بی ثباتی ماده).برحسب نظریات وحدت بزرگ، اگر انرژی انفجار بزرگ از انرژی جاذبه کل عالم بیشتر و یا با آن مساوی باشد، عالم به انبساط خود تا ابد ادامه می دهد. اگر انرژی جاذبه بر انرژی انفجار بزرگ فزونی داشته باشد، ماده و عالم، قابل انقباض اند. و تراکم مجدد، آن را به مرحله اولیه می رساند تا شاید با انفجار بزرگ دیگری، عالم دیگری پدید آید. شگفت آور این است که در برآورد کل جرم تقریبی کیهان، این جرم را در حدی تخمین می زنند که در منطقه بحرانی بین این دو امکان قرار دارد. یعنی در ظاهر سرنوشت کیهان به مویی بسته است.
پی نوشت ها :
1ـ Beta Decay
2ـ Hadron
3ـ سرانجام عالم، سرگذشت سیاهچاله ها اثر ایساک آسیموف، ترجمه بهرام معلمی، انتشارات جیران، صفحه 4
4ـ مجله پیام یونسکو، ویژه نامه کیهان، مهر 65، صفحه های 8 و 9
5ـ Sheldon Glashow
6ـ Steven Weinberg
7ـ کوارک ها و لپتون ها، اثر جرالد فاینبرگ و...، ترجمه م ـ حیدری خواجه پور، انتشارات گستره، صفحه های 101 و 102
8ـ Howard Georgi
9ـ Gauge Field Theories
10ـ Big Bang
11ـ مجله پیام یونسکو، ویژه نامه داستان کیهان، مهر 65، صفحه 5
12ـ مجله پیام یونسکو، ویژه نامه داستان کیهان، مهر 65، صفحه 9
13ـ Grand Unified Gauge Theories (GUTS)
14ـ مجله پیام یونسکو، ویژه نامه داستان کیهان، مهر 65، صفحه 10
ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم
