09-09-2009, 11:20 PM
در قسمت قبل فهميديم كه اگر يك نظريه‌ي بنيادي از تمام برهم‌كنش‌ها نظريه‌ي همه چيز ناميده شود، مدل استاندارد نظريه‌ي 4/3 همه چيز!! است. چون شامل 3 برهم‌كنش از 4 برهم كنش ممكن است و 3 نيرو از 4 نيروي ممكن را توصيف مي‌كند. و نيز گفتيم كه با استفاده از دوگانه‌گي موج_ذره در طبيعت همه‌چيز را و از جمله نور وگرانش را مي‌توان برحسب ذرات توضيح داد. اين ذرات داراي خاصيتي هستند به‌نام اسپين (spin). تمامي ذرات جهان را مي‌توان به دو قسمت تقسيم كرد: ذرات با اسپين نيم صحيح (2/1 و2/3 و...) كه تشكيل‌دهنده‌ي ماده‌اند و ذرات با اسپين صحيح( 0و1و2 و...) كه منشاء نيروهاي بين ذرات ماده‌اند.
اصل طرد پاولي
كوانتم مكانيك به ما آموخته است ذرات مادي از اصل طرد پاولي پيروي مي‌كنند. اين اصل در سال 1925 به‌وسيله‌ي يك فيزيك‌دان اتريشي به‌نام ولفگانگ پاولي كشف شد و جايزه‌ي نوبل فيزيك در 1945 به همين خاطر به او تعلق گرفت. برطبق اين اصل دوذره‌ي همانند، در يك حالت نمي‌توانند وجود داشته باشند. يعني نمي‌توانند در محدوده‌اي كه به‌وسيله‌ي اصل عدم قطعيت مشخص مي شود داراي وضعيت و سرعت يكسان باشند. اصل طرد در پايداري ماده در طبيعت اهميت زيادي دارد و علت فرونپاشيدن ماده زير تأثير نيروهاي ناشي از ذرات با اسپين صفر(فوتون) و يك(گلوئون) ودو(گراويتون) را توضيح مي دهد: اگر ذرات مادي وضعيت‌هاي يكساني داشته باشند، بايد سرعت‌هايشان باهم فرق داشته باشد يعني نمي‌توانند براي مدت زيادي در يك جا قرار بگيرند. اگر اصل طرد پاولي بر جهان حاكم نبود كوارك‌ها، نوترن‌ها و پروتن‌هاي جداگانه و مشخص ومعيني وجود نداشتند واين‌ها هم به‌نوبه‌ي خود به‌همراه الكترون‌ها اتم‌هاي مجزا و مشخصي را ايجاد نمي‌كردند. بلكه همگي فرومي‌پاشيدند و شورباي متراكم و يكنواختي را به‌وجود مي‌آوردند.
تعبير برهم‌كنش ذرات مادي به‌كمك ذرات حامل نيرو
در كوانتم مكانيك فرض براين است كه نيروها يا واكنش‌هاي بين ذرات مادي همگي به‌وسيله‌ي ذرات با اسپين صحيح «0 و 1 و 2» انجام مي‌گيرد. آن‌چه اتفاق مي‌افتد اين است كه يك ذره‌ي مادي- مثل يك الكترون يا كوارك- يك ذره‌ي حامل نيرو را گسيل مي‌كند. پس‌زدن ناشي از اين گسيل سرعت ذره‌ي مادي را تغيير مي‌دهد. ذره‌ي حامل نيرو سپس با يك ذره‌ي مادي ديگر برخورد مي‌كند و جذب مي‌شود. اين برخورد سرعت ذره‌ي دوم را تغيير مي‌دهد (درست مثل آن‌كه بين دو ذره‌ي مادي نيرويي اعمال شده‌است).
ذرات حامل نيرو از اصل طرد پيروي نمي‌كنند...
ويژگي‌ي مهم ذرات حامل نيرو اين است كه از اصل طرد پيروي نمي‌كنند. يعني هيچ محدوديتي براي تعداد ذرات رد و بدل شده وجود ندارد واين خود عامل شكل‌گيري نيروهاي قوي است. اما اگر ذره‌هاي حامل نيرو جرم زيادي داشته باشند، توليد ومبادله‌ي آنها در فاصله‌هاي طولاني دشوار است وبنابراين برد حمل نيروها بسيار كوتاه خواهد شد. ازسوي ديگر چنان‌چه ذرات حامل نيرو هيچ جرمي از خود نداشته باشند، نيروهايي دوربرد خواهيم داشت. گاهي گفته مي‌شود ذرات حامل نيرو كه ميان ذرات مادي رد وبدل مي‌شوند ذراتي غيرحقيقي‌اند. زيرا - برخلاف ذرات حقيقي- آنها را به‌طور مستقيم با يك آشكارساز ذره نمي‌توان نمايان كرد. با اين حال مي‌دانيم آنها وجود دارند زيرا داراي تأثيري سنجش‌پذيرند. آنها نيروها ميان ذرات مادي را ايجاد مي‌كنند. البته ذره‌هاي با اسپين 0 و 1 و 2 در شرايط خاصي مستقيماً آشكار مي‌شوند ولي بايد توجه كرد كه در اين حالت‌ها آنها به‌صورت موج ظاهر مي‌شوند- مثل موج نور-. مثلاًً نيروي الكتريكي رانش ميان دو الكترون ناشي از تبادل فوتون‌هاي غير حقيقي است كه هرگز ديده نمي‌شوند اما مثلاً در حالتي كه الكتروني از كنار الكترون ديگري عبور كند ممكن است فوتون هاي حقيقي خارج شوند كه براي ما به شكل موج نور نمايان مي‌شود.
همان‌طور كه پيش از اين هم گفتيم مي‌توان ذرات حامل نيرو را برحسب شدت نيرويي كه حمل مي‌كنند و ذراتي كه بر آنها متقابلاً تأثير مي‌كنند به چهار دسته تقسيم‌بندي كرد. اين تقسيم‌بندي ساختگي است و براي ساختن نظريه‌هاي پاره‌اي مناسب است وهيچ معناي ژرف‌تري ندارد. فيزيك‌دانان اميدوارند سرانجام نظريه‌ي يك‌پارچه‌اي بيابند كه بتواند هر چهار نيرو را به عنوان نمود‌هاي مختلف يك نيروي واحد توصيف كند.
لطفاً كمي صبور باشيد تنها چند پاراگراف ديگر به موضوع اصلي يعني نظريه‌ي ريسمان باقي مانده است!
گرانش و خواص ويژه‌اش!!
در مورد نيروهاي الكترومغناطيسي، قوي هسته‌اي، و ضعيف هسته‌اي قبلاً به‌طور مختصر چيزهايي ياد گرفتيم و نيز گفتيم گرانش اندكي (در واقع خيلي!) با آنها متفاوت است. حالا مي‌خواهيم ببينيم اين تفاوت از كجا مي‌آيد.
بر هر ذره‌اي متناسب با جرمش (يا بنابر قانون هم‌ارزي جرم و انرژي ، متناسب با انرژي‌اش) نيروي گرانش وارد مي‌شود. گرانش در مقايسه با سه نيروي ديگر به مراتب ضعيف‌تر است به‌طوري كه اگر دو ويژگي‌ي خاص را نداشت از وجود آن چشم‌پوشي مي‌كرديم:
• گرانش دوربرد است يعني مي‌تواند تا فاصله‌هاي دور عمل كند.
• گرانش همواره نيرويي جذب‌كننده است.
به همين دليل است كه مثلاً نيروي ضعيف گرانش ميان تك‌تك ذرات زمين و تك‌تك ذرات خورشيد با هم جمع مي‌شوند و نيرويي بزرگ را پديد مي‌آورند، آن چنان كه باعث گردش زمين به دور خورشيد مي‌شوند. سه نيروي ديگر يا كوتاه‌برد هستند يا اين‌كه گاهي جاذبه وگاهي دافعه‌اند، در نتيجه اغلب اثر خود را به سرعت خنثا مي‌كنند. از ديدگاه كوانتم مكانيك نيروي گرانش ميان دو ذره‌ي مادي به‌وسيله‌ي گراويتون حمل مي‌شود. گراويتون از خود جرمي ندارد و بنابراين نيرويي كه حمل مي‌كند دوربرد است. نيروي گرانش ميان خورشيد وزمين به مبادله گراويتون‌‌ها بين اجزاي تشكيل‌دهنده‌ي اين دو كره نسبت داده مي‌شود. هرچند ذره‌هاي رد و بدل شده غيرحقيقي‌اند، اما تأثيرشان سنجش‌پذير است: آنها زمين را وادار مي‌كنند دور خورشيد بگردد.
البته فيزيك‌دانان اميدوارند روزي گراويتون‌هاي حقيقي را مثل فوتون‌هاي حقيقي به صورت امواج گرانشي ببينند. امواج گرانشي بسيار ضعيف‌اند و به دشواري آشكار مي‌شوند و در واقع كسي تاكنون آنها را مشاهده نكرده است.
برخلاف موفقيت مدل استاندارد در توصيف ويژگي‌ها و رفتار ذرات با اسپين 1 به كمك نظريه‌هاي پيمانه‌اي، تاكنون هرگونه تلاشي براي فرمول‌بندي ذرات با اسپين 2، به‌روش مشابه، به شكست انجاميده است. فرمول‌بندي يك نظريه‌ي كوانتومي از گرانش سال‌ها مهم‌ترين مسئله‌ي فيزيك نظري بوده است.
نيرو برد ذره‌ي حامل اسپين
گرانش دور گراويتون
2
الكترومغناطيس دور فوتون
1
نيروي ضعيف هسته‌اي كوتاه بوزون‌هاي -z , w+, w
1
نيروي قوي هسته‌اي كوتاه گلوئون
1
چالش پيش رو ...
شايد نام نسبيت عام را شنيده باشيد. نسبيت عام نظريه‌اي درباره‌ي گرانش است. گرانش اصولاً زماني اثر معني داري پيدا مي‌كند كه اجرام بزرگ باشند - مثلاً ما از جاذبه‌ي خورشيد و حتا جاذبه‌ي زمين صحبت مي‌كنيم ولي احتمالاً تاكنون چيزي از جاذبه‌ي يك توپ فوتبال نشنيده‌ايم، منظورما جاذبه‌ي گرانشي يك توپ فوتبال است وگرنه خود فوتبال كه خيلي جذاب است!. نسبيت عام ديد ما را نسبت به جهان، حركت سيارات، تحول ستارگان و كهكشان‌ها و.. گسترش داده است.
از سوي ديگر نظريه‌ي كوانتم در مورد چيز‌هاي بسيار بسيار كوچك معني‌دار است. يعني وقتي با اتم‌ها وذرات زير اتمي سروكار داريم و اصولاً در اين حالت‌ها گرانش آن‌چنان ضعيف است كه مي توان از آن چشم پوشيد.
امروزه فيزيك به قلمروهايي وارد مي‌شود كه هردو نظريه هم‌زمان مورد نيازند. قلمروهايي مثل سياهچاله‌ها و مهبانگ (انفجاربزرگ) كه هر دو آنها نمونه‌هايي از مواردي هستند كه انبوهي از ماده در حجمي بسيار كوچك فشرده شده است. بنابراين نمي‌توان نسبيت عام و كوانتم مكانيك را براي هميشه جدا از هم نگه داشت و با خيال آسوده زندگي كرد!! يعني نظريه‌اي نياز است كه بتواند آنها را به شكلي سازگار كنار هم قرار دهد.
در سال‌هاي اخير نظريه‌ي ريسمان پيش‌روترين نظريه براي ارائه‌ي نظريه‌اي ميكروسكپي و خود سازگار براي گرانش است. حتا هدف آن جاه‌طلبانه‌تر از اين است:
نظريه‌ي ريسمان تلاش مي‌كند توصيفي كامل، يك پارچه وخودسازگار از ساختار بنيادين هستي ارائه دهد(به‌همين دليل گاهي نظريه‌ي همه‌چيز ناميده مي‌شود!).
انديشه‌ي نهفته در نظريه‌ي ريسمان اين است كه:
همه‌ي انواع گوناگون ذرات مدل استاندارد تنها نمودهايي از يك شيء بنيادي‌تر هستند :
يك ريسمان!
اما چگونه؟!
(ادامه دارد...)
(roshd.ir)
اصل طرد پاولي
كوانتم مكانيك به ما آموخته است ذرات مادي از اصل طرد پاولي پيروي مي‌كنند. اين اصل در سال 1925 به‌وسيله‌ي يك فيزيك‌دان اتريشي به‌نام ولفگانگ پاولي كشف شد و جايزه‌ي نوبل فيزيك در 1945 به همين خاطر به او تعلق گرفت. برطبق اين اصل دوذره‌ي همانند، در يك حالت نمي‌توانند وجود داشته باشند. يعني نمي‌توانند در محدوده‌اي كه به‌وسيله‌ي اصل عدم قطعيت مشخص مي شود داراي وضعيت و سرعت يكسان باشند. اصل طرد در پايداري ماده در طبيعت اهميت زيادي دارد و علت فرونپاشيدن ماده زير تأثير نيروهاي ناشي از ذرات با اسپين صفر(فوتون) و يك(گلوئون) ودو(گراويتون) را توضيح مي دهد: اگر ذرات مادي وضعيت‌هاي يكساني داشته باشند، بايد سرعت‌هايشان باهم فرق داشته باشد يعني نمي‌توانند براي مدت زيادي در يك جا قرار بگيرند. اگر اصل طرد پاولي بر جهان حاكم نبود كوارك‌ها، نوترن‌ها و پروتن‌هاي جداگانه و مشخص ومعيني وجود نداشتند واين‌ها هم به‌نوبه‌ي خود به‌همراه الكترون‌ها اتم‌هاي مجزا و مشخصي را ايجاد نمي‌كردند. بلكه همگي فرومي‌پاشيدند و شورباي متراكم و يكنواختي را به‌وجود مي‌آوردند.
تعبير برهم‌كنش ذرات مادي به‌كمك ذرات حامل نيرو
در كوانتم مكانيك فرض براين است كه نيروها يا واكنش‌هاي بين ذرات مادي همگي به‌وسيله‌ي ذرات با اسپين صحيح «0 و 1 و 2» انجام مي‌گيرد. آن‌چه اتفاق مي‌افتد اين است كه يك ذره‌ي مادي- مثل يك الكترون يا كوارك- يك ذره‌ي حامل نيرو را گسيل مي‌كند. پس‌زدن ناشي از اين گسيل سرعت ذره‌ي مادي را تغيير مي‌دهد. ذره‌ي حامل نيرو سپس با يك ذره‌ي مادي ديگر برخورد مي‌كند و جذب مي‌شود. اين برخورد سرعت ذره‌ي دوم را تغيير مي‌دهد (درست مثل آن‌كه بين دو ذره‌ي مادي نيرويي اعمال شده‌است).
ذرات حامل نيرو از اصل طرد پيروي نمي‌كنند...
ويژگي‌ي مهم ذرات حامل نيرو اين است كه از اصل طرد پيروي نمي‌كنند. يعني هيچ محدوديتي براي تعداد ذرات رد و بدل شده وجود ندارد واين خود عامل شكل‌گيري نيروهاي قوي است. اما اگر ذره‌هاي حامل نيرو جرم زيادي داشته باشند، توليد ومبادله‌ي آنها در فاصله‌هاي طولاني دشوار است وبنابراين برد حمل نيروها بسيار كوتاه خواهد شد. ازسوي ديگر چنان‌چه ذرات حامل نيرو هيچ جرمي از خود نداشته باشند، نيروهايي دوربرد خواهيم داشت. گاهي گفته مي‌شود ذرات حامل نيرو كه ميان ذرات مادي رد وبدل مي‌شوند ذراتي غيرحقيقي‌اند. زيرا - برخلاف ذرات حقيقي- آنها را به‌طور مستقيم با يك آشكارساز ذره نمي‌توان نمايان كرد. با اين حال مي‌دانيم آنها وجود دارند زيرا داراي تأثيري سنجش‌پذيرند. آنها نيروها ميان ذرات مادي را ايجاد مي‌كنند. البته ذره‌هاي با اسپين 0 و 1 و 2 در شرايط خاصي مستقيماً آشكار مي‌شوند ولي بايد توجه كرد كه در اين حالت‌ها آنها به‌صورت موج ظاهر مي‌شوند- مثل موج نور-. مثلاًً نيروي الكتريكي رانش ميان دو الكترون ناشي از تبادل فوتون‌هاي غير حقيقي است كه هرگز ديده نمي‌شوند اما مثلاً در حالتي كه الكتروني از كنار الكترون ديگري عبور كند ممكن است فوتون هاي حقيقي خارج شوند كه براي ما به شكل موج نور نمايان مي‌شود.
همان‌طور كه پيش از اين هم گفتيم مي‌توان ذرات حامل نيرو را برحسب شدت نيرويي كه حمل مي‌كنند و ذراتي كه بر آنها متقابلاً تأثير مي‌كنند به چهار دسته تقسيم‌بندي كرد. اين تقسيم‌بندي ساختگي است و براي ساختن نظريه‌هاي پاره‌اي مناسب است وهيچ معناي ژرف‌تري ندارد. فيزيك‌دانان اميدوارند سرانجام نظريه‌ي يك‌پارچه‌اي بيابند كه بتواند هر چهار نيرو را به عنوان نمود‌هاي مختلف يك نيروي واحد توصيف كند.
لطفاً كمي صبور باشيد تنها چند پاراگراف ديگر به موضوع اصلي يعني نظريه‌ي ريسمان باقي مانده است!
گرانش و خواص ويژه‌اش!!
در مورد نيروهاي الكترومغناطيسي، قوي هسته‌اي، و ضعيف هسته‌اي قبلاً به‌طور مختصر چيزهايي ياد گرفتيم و نيز گفتيم گرانش اندكي (در واقع خيلي!) با آنها متفاوت است. حالا مي‌خواهيم ببينيم اين تفاوت از كجا مي‌آيد.
بر هر ذره‌اي متناسب با جرمش (يا بنابر قانون هم‌ارزي جرم و انرژي ، متناسب با انرژي‌اش) نيروي گرانش وارد مي‌شود. گرانش در مقايسه با سه نيروي ديگر به مراتب ضعيف‌تر است به‌طوري كه اگر دو ويژگي‌ي خاص را نداشت از وجود آن چشم‌پوشي مي‌كرديم:
• گرانش دوربرد است يعني مي‌تواند تا فاصله‌هاي دور عمل كند.
• گرانش همواره نيرويي جذب‌كننده است.
به همين دليل است كه مثلاً نيروي ضعيف گرانش ميان تك‌تك ذرات زمين و تك‌تك ذرات خورشيد با هم جمع مي‌شوند و نيرويي بزرگ را پديد مي‌آورند، آن چنان كه باعث گردش زمين به دور خورشيد مي‌شوند. سه نيروي ديگر يا كوتاه‌برد هستند يا اين‌كه گاهي جاذبه وگاهي دافعه‌اند، در نتيجه اغلب اثر خود را به سرعت خنثا مي‌كنند. از ديدگاه كوانتم مكانيك نيروي گرانش ميان دو ذره‌ي مادي به‌وسيله‌ي گراويتون حمل مي‌شود. گراويتون از خود جرمي ندارد و بنابراين نيرويي كه حمل مي‌كند دوربرد است. نيروي گرانش ميان خورشيد وزمين به مبادله گراويتون‌‌ها بين اجزاي تشكيل‌دهنده‌ي اين دو كره نسبت داده مي‌شود. هرچند ذره‌هاي رد و بدل شده غيرحقيقي‌اند، اما تأثيرشان سنجش‌پذير است: آنها زمين را وادار مي‌كنند دور خورشيد بگردد.
البته فيزيك‌دانان اميدوارند روزي گراويتون‌هاي حقيقي را مثل فوتون‌هاي حقيقي به صورت امواج گرانشي ببينند. امواج گرانشي بسيار ضعيف‌اند و به دشواري آشكار مي‌شوند و در واقع كسي تاكنون آنها را مشاهده نكرده است.
برخلاف موفقيت مدل استاندارد در توصيف ويژگي‌ها و رفتار ذرات با اسپين 1 به كمك نظريه‌هاي پيمانه‌اي، تاكنون هرگونه تلاشي براي فرمول‌بندي ذرات با اسپين 2، به‌روش مشابه، به شكست انجاميده است. فرمول‌بندي يك نظريه‌ي كوانتومي از گرانش سال‌ها مهم‌ترين مسئله‌ي فيزيك نظري بوده است.
نيرو برد ذره‌ي حامل اسپين
گرانش دور گراويتون
2
الكترومغناطيس دور فوتون
1
نيروي ضعيف هسته‌اي كوتاه بوزون‌هاي -z , w+, w
1
نيروي قوي هسته‌اي كوتاه گلوئون
1
چالش پيش رو ...
شايد نام نسبيت عام را شنيده باشيد. نسبيت عام نظريه‌اي درباره‌ي گرانش است. گرانش اصولاً زماني اثر معني داري پيدا مي‌كند كه اجرام بزرگ باشند - مثلاً ما از جاذبه‌ي خورشيد و حتا جاذبه‌ي زمين صحبت مي‌كنيم ولي احتمالاً تاكنون چيزي از جاذبه‌ي يك توپ فوتبال نشنيده‌ايم، منظورما جاذبه‌ي گرانشي يك توپ فوتبال است وگرنه خود فوتبال كه خيلي جذاب است!. نسبيت عام ديد ما را نسبت به جهان، حركت سيارات، تحول ستارگان و كهكشان‌ها و.. گسترش داده است.
از سوي ديگر نظريه‌ي كوانتم در مورد چيز‌هاي بسيار بسيار كوچك معني‌دار است. يعني وقتي با اتم‌ها وذرات زير اتمي سروكار داريم و اصولاً در اين حالت‌ها گرانش آن‌چنان ضعيف است كه مي توان از آن چشم پوشيد.
امروزه فيزيك به قلمروهايي وارد مي‌شود كه هردو نظريه هم‌زمان مورد نيازند. قلمروهايي مثل سياهچاله‌ها و مهبانگ (انفجاربزرگ) كه هر دو آنها نمونه‌هايي از مواردي هستند كه انبوهي از ماده در حجمي بسيار كوچك فشرده شده است. بنابراين نمي‌توان نسبيت عام و كوانتم مكانيك را براي هميشه جدا از هم نگه داشت و با خيال آسوده زندگي كرد!! يعني نظريه‌اي نياز است كه بتواند آنها را به شكلي سازگار كنار هم قرار دهد.
در سال‌هاي اخير نظريه‌ي ريسمان پيش‌روترين نظريه براي ارائه‌ي نظريه‌اي ميكروسكپي و خود سازگار براي گرانش است. حتا هدف آن جاه‌طلبانه‌تر از اين است:
نظريه‌ي ريسمان تلاش مي‌كند توصيفي كامل، يك پارچه وخودسازگار از ساختار بنيادين هستي ارائه دهد(به‌همين دليل گاهي نظريه‌ي همه‌چيز ناميده مي‌شود!).
انديشه‌ي نهفته در نظريه‌ي ريسمان اين است كه:
همه‌ي انواع گوناگون ذرات مدل استاندارد تنها نمودهايي از يك شيء بنيادي‌تر هستند :
يك ريسمان!
اما چگونه؟!
(ادامه دارد...)
(roshd.ir)