نخستین نظریه ای که هم ارزی نیرو و انرژی را مطرح کرد

به نام و یاد آفریدگار مهربان

دانشمندان علوم انسانی با پژوهش های تجربی و آماری نشان داده اند که سپاس گزاری از خدمات دیگران زمینه ی بالندگی و پیشرفت جامعه را فراهم می سازد و ویژگیهای شخصیت جمعی را ارتقا می بخشد. قدردانی از خدمات دیگران زمینه ساز ارزیابی منصفانه در سطوح خرد و کلان مدیریتی در کشور است. شناخت و ارزیابی خدمات بر دو عنصر دانش و بیطرفی استوار است. این امر بخش مهمی از رسالت پاسداری از فرهنگ سپاس گزاری را به جامعه ی دانشگاهیان محول کرده است. چنین رسالتی، دانشگاهیان ایران را وادشت تا همراه با سایر ملل، سال ۲۰۰۵ را به یاد و برای بزرگداشت اینشتین، سال فیزیک بنامند. همایش امروز نیز که در دانشگاه محترم لرستان تشکیل شده، یکی از نتایج ارزشمند فرهنگ بالای قدرشناسی دانشگاهیان ایران است. ضمن سپاس گزاری از برگزارکنندگان این همایش ارزشمند لازم می دانم سپاس گزار تلاش های استاد محمود حسابی، پدر فیزیک ایران و همه ی آموزگاران، دبیران و استادان بزرگوار ایران باشم. همچنین جا دارد از تلاش مسئولین محترم وزارت علوم برای مشارکت ایران در مرکز تحقیقاتی سرن قدردانی کنم
ضمن تشکر از حضار محترم که وقت خود را با شنیدن سخنان من صرف می کنند، مطمئن هستم که در میان شما عزیران، صاحب نظرانى تشریف دارند، که در هریک از زمینه هاى مورد گفتگو در این همایش، اطلاعاتى جامع تر و عمیق تر از من دارند. امیدوارم که در بحث آزاد بتوانیم بیشتر از نظرات یکدیگر آگاه شویم . دیگر اینکه متن این سخنرانی را در اختیار مسئولین همایش قرار داده ام و در سایت سی. پی. اچ. تئوری نیز منتشر خواهم کرد تا امکان دست رسی برای علاقثمندان فراهم باشد
در سال ۱۹۰۵ چه اتفاقی افتاد که سازمان ملل یکصدمین سال آن را سال چهانی فیزیک نامید؟
در سال ۱۹۰۵ اینشتین با ارائه نسبیت خاص که شامل دو اصل، با بیانی ساده و مفاهیمی انقلابی بود، بینش بیشریت را نسبت به جهان بینی فیزیکی و شناخت جهان مادی دگرگون ساخت. این دگرگونی تاثیر عمیقی بر ذهنیت انسان داشت و حتی درک آدمی را نسبت به مسائل ماورای جهان فیزیکی متاثر ساخت
امروز که ما از فاصله ی یکصد ساله به آن می نگریم، خوب است که دو مورد مهم را مد نظر قرار دهیم تا به برداشتی نوین و متفاوت دست یابیم. مورد اول توجه به شرایط و دیدگاه های فیزیکی در سال ۱۹۰۵ است و مورد دوم مسائلی است که کنجکاوی فیزیکدانان را در سال ۲۰۰۵ بر می انیگزاند و تلاش آتی ایشان را جهت می دهد. با چنین دیدگاهی تلاش خواهم کرد برداشت خود را که متکی بر شواهد تجربی و دیدگاه های نظری فیزیک معاصر است، بیان کنم

یک- فیزیک در سال ۱۹۰۵
در آنزمان افق دید کیهان شناخی در بالاترین حد رشد و نگاه جسورانه، به کهکشان راه شیری محدود می شد و هیچ تصوری از ورای این کهکشان اظهار نمی شد
این کیهان شناختی با دانش اتم شناسی و الکترومغناطیس کلاسیک هماهنگ بود و همه بر مبنای مطلق گرایی فیزیک نیوتنی توجیه می شد. هرچند ۵ سال قبل از آن مکانییک کوانتومی توسط ماکس پلانک مطرح شده بود و تبدیلات لورنتس تلاش مهمی برای رفع مشکلات برآمده از آزمایشهای تاریخ ساز مایکلسون-مورلی بود، اما همه آنها بر اساس مطلق گرایی شکل گرفته و جهت تلاش را با انگیزه ی حفظ چارچوب مطلق اتر هماهنگ می کرد
هرچند پلانک نگرش کوانتومی به انرژی را مطرح کرده بود، اما این نگرش با دیدگاه کوانتومی به نور فاصله بسیار داشت. اینشتین با توجیه پدیده ی فتوالکریک این فاصله را از میان برداشت. در آنزمان مدل اتمی کیک کشمشی تامسون تنها نگاه موجود به ساختار اتم بود. اثر کامپتون مطرح نشده بود. ذرات زیر اتمی نظیر پروتون و نوترون و صدها ذره ی دیگر که امروزه می شناسیم هنوز کشف نشده بود. فیزیکدانان هیچ شناختی از اسپین الکترون و بسته های انرژی موجود در نور که بعدها فوتون نامیده شد، نداشتند. قوانین بقای ماده و انرژی دو مفهوم کاملاً جدای از هم بودند و هیچ وابستگی بین ماده و انرژی تصور نمی شد. علاوه بر آن هیچ تصوری از پاد ماده وجود نداشت
در چنین فضای فکری بسته ای که بر جهان فیزیک حاکم بود، اینشتین با مطرح کردن نسبیت خاص نشان داد که سرعت نور در فضای تهی نسبت به همه ی دستگاه های لخت ثابت است. علاوه بر آن قوانین فیزیک در تمام دستگاه های لخت یکسان است و هیچ دستگاه لخت مطلقی وجود ندارد
با آنکه دیدگاه های کوانتومی و نسبیتی جداگانه و توسط دو نفر (پلانک و اینشتین) که هیچ ارتباطی با هم نداشتند ارائه شد با این وجود فیزیکدانان نشان دادند که این دو با هم سازگارند و مکانیک کوانتوم-نسبیتی بخوبی می تواند رفتار ذرات را در سرعتهای بالا توجیه کند

دو- فیزیک در سال ۲۰۰۵
در یک قرن گذشته افق دید فیزیکدانان نسبت به کیهان بسیار گسترش یافته، کهکشان راه شیری تنها به عنوان یک کهکشان معمولی در جهان قابل مشاهده، مطرح است. افزون بر آن مشاهدات تجربی نشان داد که جهان در حال انبساط است. کهکشانها با سرعت های قابل مقایسه با سرعت نور در حال گریز از یکدیگرند و این توده های انبوه مادی دارای شتابی هستند که منشاء آن هنوز ناشناخته است
علاوه بر آن گروه های کهکشانی با سرعت‌های تقریباً یکنواخت به دور یکدیگر دوران می نمایند. این نکته نیز براساس قوانین شناخته شده قابل توجیه نیست، زیرا قانون گرانش نیوتن این اجازه را به کهکشان های بیرونی‌تر نمی دهد که با سرعتی مساوی یا بیشتر از سرعت چرخش کهکشان های درونی‌تر حول مرکز جرم، چرخش نمایند مگر اینکه ماده عظیمی در بین کهکشانها وجود داشته باشد که جاذبه گرانشی آن باعث کنار هم نگه داشتن این اجتماع کهکشانی و همچنین توجیه کننده سرعت دوران غیر عادی کهکشان های بیرونی تر باشد
از طرف دیگر تعداد نیروهای بنیادی شناخته شده در طول قرن گذشته از دو نیروی الکترومغناطیسی و گرانشی به چهار نیرو افزایش یافته است. همچنین از زمان اینشتین تلاشی جدی برای یکسان سازی نیروها آغاز شده که هنوز به نتیجه نرسیده است
این تلاشها نشان داده است که باید یک نظریه گرانش کوانتومی در اختیار داشته باشیم. با داشتن چنین نظریه ای دو هدف مد نظر است

یک- رسیدن به نظریه وحدت یافته در طبیعت که شامل گرانش و سایر نیروهای بنیادی باشد
دو- ترکیب نسبیت عام با مکانیک کوانتوم یعنی به دست آوردن نظریه ای شبیه مکانیک کوانتوم-نسبیتی که در مورد نسبیت خاص انجام شد. یک مشکل در مورد گسترش نظریه هایی از این نوع وجود دارد که ناشی از تفاوت عظیم بین مفاهیم بنیادی نسبیت عام و مکانیک کوانتومی است
در نسبیت عام، گرانش ناشی از فرایندی است که ذاتاً هندسی و پیوسته می باشد، در حالیکه وحدت بزرگ مستلزم این است که ما کلیه نیروها را بشکلی در نظر بگیریم که در نتیجه تبادل ذرات ایجاد می شوند. در این زمینه تلاشهای بسیاری انجام شده است که مهمترین آنها عبارتند از

ابر گرانش

همه ی مواد موجود در طبیعت از دو نوع ذره ی بنیادی به نام فرمیون ها و بوزن ها تشکیل شده اند. تفاوت فرمیون ها و بوزن ها در اسپین آنها می باشد. به طوری که اسپن فرمیون ها نیمه درست و اسپین بوزن ها عددی درست است. همه ی انواع ذرات دست کم از دو خاصیت ذاتی جرم و اسپین برخوردارند. جرم خاصیتی آشنا برای تمام مواد است که به همان صورتی که برای اجسام بزرگ مقیاس در نظر گرفته می شود ، در مورد کوچک ترین اجزای تشکیل دهنده ی ماده نیز کاربرد دارد . اسپین خاصیت ظریف تری است که در اجسام بزرگ مقیاس به سادگی قابل شناسایی نیست . اسپین ، در واقع خاصیتی کوانتومی است که در قرن بیستم کشف شد تا رفتار بی هنجار الکترون ها را در میدانهای مغناطیسی توضیح دهد.

هر تقارنی که در جست و جوی ارتباط میان فرمیون ها و بوزون ها ، یعنی ذراتی با اسپین های متفاوت، باشد ابَرَتقارن نامیده می شود. و اما ابَرَگرانش ، نظریه ای پیشنهادی در فیزیک بنیادی است که ابرتقارن و گرانش را در هم می آمیزد. اولین نظریه ی ابرگرانش توسط سه فیزیکدان در سال ۱۹۷۶ فرمول بندی شد.

ابر ریسمان

در مطالعات و بررسی های مرسوم در فیزیک کوانتوم- نسبیتی ، ذرات بنیادی را به صورت نقاط ریاضی و بدون گستردگی فضایی در نظر میگیرند. این رهیافت موفقیت های بسیار چشمگیری داشته است. ولی در انرژی های خیلی زیاد یا فاصله های بسیار کوتاه که بزرگی میدان گرانشی با بزرگی نیروهای هسته ای و الکترو مغناطیسی قابل مقایسه می شود این رهیافت با شکست رو به رو می شود. در سال ۱۹۷۴ ژوئل شرک و جان شوارتز به منظور غلبه بر این مشکل توصیف وحدت یافته ای از ذرات بنیادی را بر اساس منحنی های یک بعدی بنیادی به نام ریسمان مطرح کردند . به نظر میرسد که نظریه های ریسمان از هر نوع ناسازگاری که در تمام تلاش های قبلی دست یابی به نظریه ای وحدت یافته برای توصیف گرانش و سایر نیرو ها ایجاد مزاحمت کرده است ، مبراست . نظریه ابرریسمان که در آنها از نوع خاصی تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گیری می شود ، بیشترین امیدواری را برای ارائه ی نتایج واقع بینانه پدید آورده اند

بوزون هیگز

در دهه های اخیر فیزیکدانان یک مدل تحت عنوان مدل استاندارد ارائه کردند تا یک چوب بست نظری برای فهم ذرات بنیادی و نیروهای طبیعت فراهم آورند. مهمترین ذره در این مدل، یک ذره ی فرضی موجود در همه ی میدانهای کوانتومی است که نشان می دهد سایر ذرات چگونه جرم به دست می آورند. در واقع این میدان پاسخ می دهد که همه ی ذرات در حالت کلی چگونه جرم به دست می آورند.

این میدان که میدان هیگز
Higgs field
خوانده می شود. نتیجه ی منطقی دوگانگی موج – ذره این است که همه ی میدانهای کوانتومی دارای یک ذره ی بنیادی باشند که با میدان در آمیخته است. این ذره که با همه ی میدانها در آمیخته و موجب کسب جرم توسط سایر ذرات می شود،

هیگز بوزون

Higgs boson
نامیده می شود

جمع بندی

یک – نسبیت عام باید با مکانیک کوانتوم ترکیب شود تا مشکلات موجود در فیزیک نظری بر طرف گردد. طبق نسبیت عام مسیر نور در میدان گرانشی خمیده است که آن را تحت عنوان فضا – زمان مطرح می کنند. این خمیدگی فضا ناشی از انرژی موجود در فضا است. هر نظریه وحدت بخشی که ارائه می شود ضمن توجیه کمیتهای گسسته و رفتار ذرات در مکانیک کوانتوم باید پاسخگوی انحنای فضا-زمان باشد

دو – باید ارتباط بین فرمیونها و بوزونها توضیح داده شود. همجنانکه می دانیم فرمیونها دارای اسپین نادرست می باشند و بوزونها دارای اسپین درست هستند

سه – هیگز بوزون باید توضیح داده شود، یعنی اینکه ذرات چگونه جرم به دست می آورند یا در میدانها بر جرمشان افزوده می شود. با توجه به رابطه جرم – انرژی می دانیم هرگاه ذره ای در یک میدان شتاب بگیرد، انرژی و در نتیجه جرم آن افزایش می یابد. بنابراین مسئله این است که این پدیده یعنی افزایش جرم را چگونه می توان توجیه کرد؟

راه حل

برای رسیدن به یک راه حل اساسی که بتواند مشکلات عمده ی فیزیک معاصر را بر طرف سازد، راه های مختلفی وجود که به نتایج متفاوت و گاهی ناسازگار می انجامد. نظریه های مختلفی که در این زمینه مطرح شده اند، بخوبی نشان می دهند که نگرش بانیان آنها بر اساس دو گانگی بین بوزونها و فرمیونها شکل گرفته است. سئوال اساسی این است که آیا حقیقتاً بوزون و فرمیون دو موجود کاملاً متفاوت از یکدیگرند؟ در نظریه ریسمانها، ریسمان به عنوان یک بسته فوق العاده کوچک انرژی تلقی می شود که با پیوستن آنها به یکدیگر و با ارتعاشات مختلف آنها سایر ذرات نمود پیدا می کنند. در نظریه هیگز بوزون به دنبال ذره ای هستند که موجب ایجاد یا افزایش جرم می شود. اگر این مسئله ی هگز بوزون را با دقت بیشتری بررسی کنیم شاید بتوانیم به نتایج جالب توجه تری برسیم

اجازه بدهید تصورات خود را از بوزون و فرمیون یا به عبارت دیگر از جرم – انرژی و نیرو تغییر دهیم. در فیزیک مدرن جرم و انرژی دو تلقی مختلف از یک کمیت واحد هستند. جرم هر ذره را می توان با محتویات انرژی آن اندازه گرفت و همچنین انرژی یک ذره را می توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فیزیک معاصر ما با دو کمیت بیشتر سروکار نداریم، انرژی و نیرو

اگر رابطه ی نیرو و انرژی را با دید متفاوتی مورد بحث قرار دهیم، می توانیم به نتایج جالب توجهی برسیم. نیرو به عنوان انرژی بر واحد طول مطرح می شود که برای آن رابطه ی زیر داده شده است

F=-dU/dx => du= – Fdx

حال ذره ای را در نظر بگیرید که انرژی آن در حال تغییر است. این تغییرات را از دو جهت می توان مورد توجه قرار داد. یکی از جهت افزایش و دیگری از جهت کاهش. از نظر افزایش نسبیت برای آن محدودیتی قائل نشده است و طبق رابطه ی جرم نسبیتی، جرم آن تا بینهایت قابل افزایش است. اما از جهت کاهش طبیعت خود برای آن محدودیت قائل شده و آن این است که ذره تمام انرژی خود یا به عبارت دیگر، جرم – انرژی خود را از دست بدهد

ذره ای را در نظر بگیرید که از یک میدان در حال فرار است. اگر فاصله به اندازه ی کافی بزرگ و میدان بسیار قوی باشد، آیا انرژی آن به صفر خواهد رسید؟ چنین آزمایشی برای اجسام مثلاً یک فطعه فلز چندان قابل تصور نیست، اما برای یک کوانتوم انرژی( فوتون) به خوبی قابل درک است. زیرا در نسبیت فوتون نمی تواند از یک سیاه چاله بگریزد. این پدیده را چگونه می توان توجیه کرد؟ یکبار دیگر به رابطه نیرو – انرژی بر گردیم

F=-dU/dx => du= – Fdx

در رابطه ی بالا انرزِی و فاصله تغییر می کنند، اما اگر از تغییر شدت میدان بر اثر فاصله صرف نظر کنیم، نیرو ثابت است. اگر نیرو یعنی

F

یک کمیت ثابت و تغییر ناپذیر است، چگونه می توان وجود هیگز بوزون را توجیه کرد؟ یعنی واقعاً این کاهش یا افزایش جرم چگونه امکان پذیر است. متاسفانه این دیدگاه از مکانیک کلاسیک به نسبیت و مکانیک کوانتوم تسری یافت و هیچگونه بخثی در این زمینه مطرح نشد. اگر بخواهیم با همان نگرش کلاسیکی مشکلات فیزیک و ناسازگاری نسبیت و مکانیک کوانتوم را بر طرف سازیم، راه به جایی نخواهیم برد، همچنانکه تا به حال این چنین بوده است

اشکال بعدی که مانع رسیدن به یک نتیجه ی قابل توجه می شود این است که فیزیکدانان به مشکلات به گونه ای پراکنده برخورد می کنند. هیگز بوزون مسیر خود را می پیماید، مکانیک کوانتوم می خواهد مشکلات فیزیک را در چاچوب قوانین کوانتومی حل کند، و مهمتر از همه اینکه مکانیک کلاسیک تقریباً به فراموشی سپرده شده است. همه اینها هر کدام نگرشی خاص به جهان دارند و عمومیت ندارند. در حالیکه طبیعت یگانه است و قانون نیز بایستی از یک وحدت برخوردار باشد که هست. ترکیب مکانیک کوانتوم و نسبیت زمانی امکان پذیر است که نگرش هیگز بوزون همراه با مکانیک کلاسیک نیز در این ترکیب سازی منظور گردد

هر کدام از این تئوری ها قسمتی از قوانین حاکم بر طبیعت را نشان می دهند. اگر در یک نگرش همه جانبه، این قسمتهای مختلف را که با تجربه تایید شده اند تواما در نظر بگیریم می توانیم به نتایج بسیار مهمی برسیم

ادامه ی این مقاله متاسفانه از دست رفته است…