-
بر همكنشها - نيروهاي اساسي
برهمكنش قوي : فيزيكدانان كه هنوز از موفقيت تئوريالكتروضعيف دچار گيجي بودند، توجه خود را به حل نيروي قوي معطوف نمودند. منشا تئوريواكنش قوي به سال 1935 برمي‌گردد وقتي كه فيزيكدان ژاپني «هيدكي يوكاوا» پيشنهادداد كه پروتونها و نوترونها توسط يك نيروي جديد كه توسط مبادله ذراتي به نام «پيمزون» خلق ميشود در هسته اتم با يكديگر نگه داشته مي‌شوند. در دهه‌هاي 1950 و 1960فيزيكدانان از شكننده‌هاي اتم در آزمايشگاهها موفق به كشف صدها نوع از ذرات واكنشقوي كه «هادرون»ها ناميده مي‌شوند شدند(كه شامل هم مزون و هم ديگر ذرات واكنش قويمانند پروتون و نوترون ميباشند. هيچكس نميتوانست بيان نمايد چرا دنيايي كه تا دهه 1930 بوضوح ساده بنظر مي‌رسيد به يكباره اينچنين پيچيده شد. زماني تصور مي‌شد كه كلكائنات از چهار ذره و دو نيرو (الكترون، پروتون، نوترون، نوترينو، نور و گرانش) ساخته شده، اما فيزيكدانان با سيلي از هادرون‌هاي جديد كه در آزمايشگاهها كشف شدندمواجه گرديدند. يك تئوري جديد نياز بود تا به اين هرج و مرج سر و سامان بدهد
درآن زمان «اپنهايمر» به شوخي گفت كه "جايزه نوبل بايد به فيزيكداني داده شود كهامسال يك ذره جديدي را كشف نكرده باشد". تا سال 1984 بيش از دويست ذره جديد كشفشد
فيزيكدانان همانند «مندليف» كه تقريبا در يك قرن پيش قانون‌مندي عناصر طبيعتو تنظيم آنها در «جدول مندليف» را انجام داد، شروع به جستجو براي تقارني كردند كهبا آن بتوان همه هادرونها را طبقه‌بندي كرد. در اوايل دهه 1960 «گل‌مان» نشان دادكه مي‌توان هادرونها را در يك الگوي هشت‌تائي گروه‌بندي كرد. او همانند مندليفتوانست وجود و حتي خواص ذراتي را كه تا آن زمان كشف نشده بودند، پيشگويي كند. امااگر اين الگو، قابل مقايسه با جدول مندليف بود، در آن چه چيزهايي جاي الكترونها وپروتون‌ها را مي‌توانستند بگيرند؟
بعدها كشف شد كه اين الگو به خاطر وجود ذراتزيرهسته‌اي كه به آنها لقب كوارك دادند، بوجود مي‌آيد. در حقيقت با تركيب سه نوعكوارك مي‌توانستند تمام ذراتي كه در آزمايشگاهها توليد مي‌شدند را توصيف كنند
در كل شش نوع كوارك وجود دارد كه دو تا دو تاشناخته مي‌شوند
Up/down , charm/strange, top/bottom
بار الكتريكي كواركها به صورت كسري مي‌باشد، مثلا 3/1 و 3/2 ، هادرونها ازكواركها تشكيل شده اند اگر چه كواركها داراي بارهايالكتريكي كسري ميباشند ولي هادروني كه از تركيب آنها بدست ميايد داراي بار الكتريكيصحيح ايست. كواركها علاوه بر بار الكتريكي حامل يك نوع بار ديگر به نام «بار رنگي» نيز ميباشند. نيروي مابين ذرات داراي بار رنگي خيلي قوي است ؛ به همين دليل است كهاين نيرو نيروي قوي ناميده ميگردد. ذرات حامل اين نيروي قوي كه بين كواركها رد وبدل ميشود، «گلئون»ها نام دارند. بار رنگي نسبت به بارالكترومغناطيسي داراي ماهيتمتفاوتي است، گلوئون‌ها خودشان نيز داراي بار رنگي هستند كه اين امر موجب شگفتيبيشتر آنها ميگردد زيرا برعكس فوتونها كه ذرات حامل نيروي الكترومغناطيسي هستندمي‌باشند، فوتونها با وجود اينكه حامل نيروي الكترومغناطيسي هستند ولي خودشان فاقدبارالكتريكي ميباشند. از طرفي هادرونها كه از كواركها تشكيل مي‌شوند فاقد باررنگي ميباشند و از نظر بار رنگي خنثي هستند، به همين دليل است كه ما اثرات ايننيروي قوي را فقط در بين هادرونها مي‌بينيم. تئوري‌اي كه اين نيرو را توضيح ميداد، «كروموديناميك كوانتوم» نام داشت.
در سال 1974 ، «شلدون گلاشو» و «هوارد جرجي» تئوري‌اي پيشنهاد كردند كه طي آن نيروي قوي با الكتروضعيف متحد مي‌شد و آنرا «تئوريوحدت بزرگ» (گات) ناميدند.
اين تئوري پيشگويي مي‌كند كه كوارك ميتواند تبديل بهالكترون شود. اين همچنين بدان معنا است كه پروتون ميتواند به الكترون تبديل شود. زيرا پروتون از سه كوارك تشكيل شده است
هرچند تئوري گات پيشرفتي قابل توجه را دراتحاد نيروي الكتروضعيف با نيروي قوي عرضه ميكرد ولي از لحاظ تئوري همچنان ناقصبود. بطور مثال اين تئوري نميتواند بيان كند كه چرا سه كپي فاميل‌هاي ذرات (خانواده‌هاي الكترون، ميون و تائو) وجود دارند. بعلاوه ثابتهاي قراردادي زيادي درتئوري وجود داشت
عليرغم مشكلات تئوري گات، فيزيكدانان هنوز معتقدبودند كه ممكن است تئوري‌اي براي وحدت گرانش وجود داشته باشد
الكتروضعيف
در 1971 يك تئوري جديد ميدان كوانتوم وارد صحنه شدكه ميتوانست نيروي هسته‌اي ضعيف و الكترومغناطيس را با هم متحد كند. براي اولينبار از زمان ماكسول يعني تقريبا صد سال، نيروهاي طبيعت قدمي ديگر به طرف وحدتبرداشتند. يكبار ديگر اسرار معما تقارن مقياس بود.
واكنشهاي ضعيف مربوط به رفتارالكترونها و شركاي آنها بنام نوترينوها مي‌باشد. از تمام ذرات كائنات، نوترينو شايدنادرترين آنها باشد، زيرا شديدا فرّار مي‌باشد. نوترينو، بار و احتمالا جرم ندارد وبسيار بسيار سخت آشكار مي‌باشد
در سال 1933 فيزيكدان بزرگ ايتاليايي انريكوفرمي، اولين تئوري جامع از اين ذرات فرّار كه نوترينو (ذرات كوچك خنثي به زبانايتاليايي) ناميد، به طبع رساند
تجارب در ارتباط با نوترينوها بسيار مشكل بودزيرا نوترينوها خيلي نافذند و از حضورشان هيچ ردي به جا نمي‌گذارند. در حقيقت آنهامي‌توانند بسهولت به داخل كره زمين رخنه نمايند و از طرف ديگر زمين خارج شوند. درواقع اگر تمام منظومه شمسي پر از سرب سخت بود، بعضي از نوترينوها قادر بودند حتي بهآن حصار مستحكم نيز رخنه نمايند
وجود نوترينو نهايتا در سال 1953 در يك تجربهبسيار مشكل در حين مطالعه تشعشعات فراوان خلق شده توسط رآكتور هسته‌اي تائيدشد
از زمان كشف، سالها مخترعين سعي نمودند تا به استفاده‌هاي عملي نوترينو فكرنمايند. بيشتر اين افراد جسور مايل بودند تا يك «تلسكوپ نوترينو» بسازند. با اينتلسكوپ ما مي‌توانيم مستقيما در داخل صدها كيلومتر صخره‌هاي سخت جستجو كنيم، هر كساهدافي نظير اين براي تلسكوپ پيش‌بيني ميكرد. ايده تلسكوپ نوترينو مسلما بسيار خوباست، اما يك مانع وجود دارد: از كجا ما مي‌توانيم فيلم عكاسي پيدا نمائيم كه بتواندنوترينو را متوقف كند؟ هر ذره‌اي كه بتواند به تريليونها تن صخره رسوخ نمايد براحتيمي‌تواند به فيلم عكاسي هم نفوذ كند.
پيشنهاد ديگر خلق يك «بمب نوترينو» بود.فيزيكدان هانيز پاجلز مي‌نويسد كه اين يك اسلحه مطلوب صلح‌طلب مي‌باشد. ماننديك بمب كه مي‌توند براحتي جانشين بمب هسته‌اي مرسوم باشد؛ اين بمب با سر و صدامنفجر شده و منطقه مورد هدف را با سيلي عظيم از نوترينوها بمباران مي‌كند، بعد ازاينكه همه را ترساند، نوترينوها بدون هيچ صدمه‌اي از ميان همه چيز عبورمي‌كنند
علاوه بر نوترينو، اسرار واكنشهاي ضعيف با كشف ذرات جديد مانند ميون،عميقتر شد. قبلا در سال 1937 وقتي كه اين ذره در عكسبرداري اشعه كيهاني كشف شد،بنظر درست شبيه الكترون مي‌آمد اما بيش از دويست بار سنگين‌تر از آن بود. براي تماممقاصد آن ذره درست يك الكترون سنگين بود. فيزيكدانان در سال 1962 با استفاده ازشكافنده اتم نشان دادند كه ميون همچنين شريك مجزاي خودش، نوترينوي ميون را دارد. درسال 1978 بار ديگر يك جفت براي الكترون كشف شد ولي اينبار سه‌هزار و پانصدبارسنگين‌تر بود و «تائو» نام گرفت با شريك مجزاي خودش بنام نوترينويتائو
فيزيكدانان حدس زدند كه نيروي بين الكترونها و نوترونها توسط تبادل يكسريجديد ذرات به نام ذرات W به جاي Weak ايجاد ميشود
در اينجا هم تئوري درست با دياگرامهايي شبيهدياگرامهاي فاينمن قابل توصيف بود، به جاي جفت الكترون-پوزيترون، كافيست كهالكترون-نوترينو را جايگزين كنيم و به جاي فوتونها ، ذرات دبليو بگذاريم
مشكلاينجا بود كه تئوري با استفاده از تقارن مقياس قابل بهنجارش نبود و تئوري بابينهايت‌ها درگير بود. تا سالها فيزيكدانان درگير آن بودند
تئوري يانگ-مايلزمحتوي يك تقارن رياضي جديد بود كه به «واينبرگ» و «سالم» اجازه داد تا نيروهاي ضعيفو الكترومغناطيس را به همان وضع با هم متحد كنند
فيزيكدانها بطور قوي باور كردهبودند كه نيروهاي ضعيف بصورت نزديكي به نيروهاي الكترومغناطيسي مربوط هستند،سرانجام آنها كشف كردند كه در فواصل بسياركوتاه ( درحدود 10 به قوه 18- متر ) قدرتبرهمكنش ضعيف قابل برابري با برهمكنش الكترومغناطيسي است، به عبارت ديگر در سيبرابر آن فاصله قدرت برهمكنش ضعيف يك ده‌هزارم ( سه برابر ده به توان منفي هفده) برهمكنش الكترومغناطيسي است، درفواصل مثلا براي كواركهاي داخل يك پروتون يا نوترون ( ده به قوه منفي پانزده ) ، نيرو حتي از آنهم ضعيف‌تر است
فيزيكدانها نتيجهگرفته اند كه درحقيقت نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف اساسا قدرتهاي يكساني دارند , اين به اين دليل است كه قدرت برهمكنش به طور قوي به دوعامل جرم ذرات حامل نيرو وفاصله برهمكنش بستگي دارد ، تفاوت مابين قدرتهاي مشاهده شده آنها از تفاوت بزرگ درجرم ذرات
W و Z كه بسيار پرجرم هستند و فوتونها كه تا آنجاكه ما مي دانيم فاقد جرم هستند ناشي مي گردد
به مجرد اينكه نسبيت خاص بر پايه‌هاي تئوري ومشاهدات استوار شد ، فيزيكدانان دريافتند كه معادله شرودينگر در مكانيك كوانتوميتحت تبديلات لورنتس ناوردا نيست. بنابراين مكانيك كوانتومي كه با موفقيت در دهه 1920 توسعه داده شده بود ، درباره توصيف رفتار ذراتي كه نزديك به سرعت نور حركتمي‌كردند پاسخگو نبود
مشكل آنجا بود كه معادله شرودينگر نسبت به زمان از درجهاول و نسبت به مختصات فضايي از درجه دو بود. معادله كلين-گوردون نسبت به هر دو آنهايعني فضا و زمان از درجه دو بود و راه حلي براي ذرات با اسپين صفربود
ديراك ريشه دوم معادله كلين-گوردون را با استفادهاز ماتريسي به نام "ماتريس گاما" بوجود آورد و راه حلي شد براي ذرات با اسپين½
اما مشكل مكانيك كوانتومي نسبيتي آن بود كه معادلاتديراك و كلين-گوردون در تفسير توليد و نابودي ذرات از فضاي تهي ، خلا ، ناتوانبودند
يافته‌هاي بيشتر با "الكتروديناميك كوانتوم" آغاز شد كه بوسيله فاينمن،شرودينگر و توموناگا در دهه 1940 پايه‌گذاري شد
در تئوري ميدان كوانتوم رفتار وخواص ذرات بنيادين توسط يك سري دياگرامها به نام دياگرامهاي فاينمن قابل محاسبههستند كه به دقت توليد و نابودي ذرات را شرح مي‌دهند. مجموعه دياگرامهاي فاينمنبراي تفرق دو الكترون به مانند شكل زير است.
خطهاي راست سياه نمايانگر الكترونها هستند و خطهايموجي سبز نمايانگر فوتون و هر حلقه نشاندهنده توليد يك الكترون و پوزيترون از يكفوتون مي‌باشد كه يكديگر را نابود ميكنند و يك فوتون خلق ميكنند. محاسبه كاملدامنه تفرق، جمع روي همه حالتهاي ممكن براي فوتونها، الكترونها، پوزيترونها و سايرذرات بود.
محاسبات حلقه‌هاي كوانتومي با يك مشكل بزرگ روبرو بود؛ به منظورمحاسبه درست براي فرايند‌ها در حلقه‌ها، بايد از يكي روي همه مقادير تكانه‌هاي ممكناز صفر تا بينهايت انتگرال گرفته شود، اما اين انتگرالها براي يك ذره با اسپين
j در D بعد تقريبا به شكل زير بود
اگر مقدار4j+D-8
" منفي باشد، انتگرال براي تكانه بينهايت (يا طولموج صفر، بر اساس فرمول دوبروي) خوش رفتار خواهد بود. اگر اين طول مقدار صفر يامثبت باشد، جواب انتگرال بينهايت ميشود و نظريه‌اي كه درست مي‌نمود به نظر غيرقابلدرك مي‌رسيد چون فقط جوابهاي بينهايت به ما ميداد.
جهاني كه ما مي‌بينيم چهاربعد دارد و يك فوتون اسپين 1 دارد، پس در مورد تفرق الكترون-الكترون اين انتگرالهمچنان جواب بينهايت‌مي‌داد، اما جواب انتگرال به كندي به سمت بينهايت ميل ميكرد ودر اين مورد به نظر مي‌رسيد كه تئوري ميتواند بهنجارش شود به صورتي كه بينهايت‌هابه تعداد كمي پارامتر تبديل مي‌شوند، مانند جرم و بار الكترون
الكتروديناميك يكتئوري است كه دو پارامتر دارد، بار و جرم الكترون. معادلات ماكسول علاوه بر نسبيتخاص، تقارن ديگري دارد به نام تقارن مقياس، كه به فاينمن اجازه داد تا سري بزرگي ازدياگرامها را گروه نمايد تا پي برد كه او ميتواند براحتي بار و جرم الكترون رابراي جذب و از بين بردن بينهايتها دوباره معين نمايد
رويهم رفته اين بدان معنابود كه جرم و بار الكترون بطور ضروري جهت شروع، بينهايت فرض مي‌شد. ولي آنهابينهايتهايي را كه از دياگرامها پديدار مي‌شدند را محدود مي‌كردند و به كلام ديگرقانونمند مي‌كردند.
در واقع مي‌خواست كاري شبيه به " بينهايت منهاي بينهايتمساوي صفر " انجام دهد، و تئوري اوتقريبا به خوبي كار ميكرد.
الكتروديناميككوانتوم يك تئوري قابل بهنجارش بود و در دهه 1940 به عنوان راه حل كوانتوم نسبيتيبه آن توجه شد. اما ديگر ذرات شناخته شده كه حامل نيروها بودند مانند هسته‌اي ضعيفكه باعث راديواكتيويته بود، هسته‌اي قوي كه پروتونها و نوترونها را در هسته در كنارهم نگه مي‌داشت و گرانش كه ما را روي زمين نگه مي‌داشت به اين زودي توسط تئوريهايفيزيك تسخير نشدند
در دهه 1960 فيزيك ذرات به منظور توصيف نيروي هسته‌اي قوي بهمفهومي به نام مدل تشديد دوگانه دست يافت. اين مدل هيچگاه در توصيف ذرات آنچنانموفق نبود، ولي در دهه 1970 فهميده شد كه مدل دوگانه در واقع نظريه‌اي كوانتوميبراي ريسمانهاي مرتعش نسبيتي است و رفتارهاي رياضي عجيبي از خود نشان مي‌دهد، درنتيجه مدل دوگانه به عنوان " تئوري ريسمان " ناميده شد
اما نظريه ديگري كه درابتداي قرن بيستم بوجود آمد ، بار ديگر فيزيكدانان را متعجب ساخت و آن ثابت بودنسرعت نور مستقل از هر ناظري بود. اين يك نتيجه مهيج و جالب از آزمايشات " مايكلسون " و " مورلي " بود ؛ اما چگونه مي شد آنرا بوسيله فيزيك توجيه كرد. انيشتين با يكنظريه ساده و قدرتمند به نام نسبيت خاص آنرا حل كرد. انيشتين يك هندسه خيالي ازسيستم مقياس بيان كرد . سيستم مقياس معروفي كه اغلب استفاده مي شد ، از قانونفيثاغورث پيروي ميكردكه در سه بعد به اين شكل بود
اين فرمول خاصيت ويژه اي داشت و آن اينكه تحت دورانناوردا بود. يعني اينكه طول خط با چرخش در فضا تغيير نميكرد . در نسبيت خاص اينمقياس بسط داده شد و زمان را نيز شامل شد ، با يك علامت منفي عجيب كه فضاي چهاربعدي مينكوفسكي
ناميده ميشود
درست مانند سيستم فيثاغورث اين رابطه هم تحت چرخشثابت بود
ولي در اين رابطه جديد يك چيز جالب ديگر نيز وجود داشت و تحت نوعيچرخش فضا-زمان به نام تبديلات لورنتس نيز ناوردا بود. و اين تبديلات به ما ميگويندكه دو ناظر مختلف با سرعتهاي ثابت نسبت به يكديگر ، جهان را چگونه مشاهده ميكنند وهمچنين به ما مي گويد كه سرعت نور هميشه ثابت است
انيشتين بعد از آن به سراغقانون جهاني گرانش نيوتون رفت ؛ در فرمول نيوتون ، نيروي گرانش بين دو جرمm1 , m2
با مجذور فاصله بين آنها رابطه زير را داردGN ثابت نيوتون ناميده ميشودميباشد
قانون نيوتون در تشريح حركت سيارات بهدور خورشيد و ماه به دور زمين موفق بود و بسادگي قابل توسعه در تئوري ميدان كلاسيكدر سيستم هاي پيوسته بود. اگرچه در آن هيچ توضيحي در مورد تغيير يافتن ميدان گرانشدر زمان وجود نداشت. بخصوص كه مفهوم جديدي كه از نسبيت خاص بدست آمده بود يعني " هيچ چيزي نميتواند سريعتر از نور حركت كند " را نميتوانست توجيه كند
انيشتين بايك قدم جسورانه به دركي جديد از شاخه اي از رياضيات به نام " هندسه نااقليدوسي " رسيد كه در آن قانون فيثاغورث تعميم داده شد تا سيستم مقياسي كه وابسته به فضا-زمانبود را با ضريبي در بر مي گرفت
نيشتين نتيجه گرفت كه " براي تدوين قوانين عموميطبيعت همه دستگاههاي مختصات گاوسي اساسا هم ارزند " و آنرا نسبيت عمومي ناميد
دراين تئوري جديد ، فضا-زمان ميتوانست مانند يك توپ خميده شود. خميدگي تابعي از
gab
و مشتق اول و دوم آن است . در معادله انيشتين
خميدگي فضا-زمان ( كه با Rµν و R جايگزين شده ) بوسيله انرژي و تكانه Tµν كل ماده در فضا-زمان مانند سيارات ، ستاره ها
غبار بين ستاره اي ، گازها ، سياه چاله ها و ... تعیین می شود
-
برچسب برای این موضوع
مجوز های ارسال و ویرایش
- شما نمی توانید موضوع جدید ارسال کنید
- شما نمی توانید به پست ها پاسخ دهید
- شما نمی توانید فایل پیوست ضمیمه کنید
- شما نمی توانید پست های خود را ویرایش کنید
-
قوانین انجمن
پاسخ با نقل قول
