سالهاي متمادي در فيزيک ،بر اينکه تئوري چيست ؟

[مهندس حسام سامی]

سالهاي متمادي در فيزيک ،بر اينکه تئوري چيست ؟
سالهاي متمادي است که بحث تئوري همه چيز در فيزيک مطرح شده است. منظور از اين تئوري چيست؟ يک تئوري براي همه چيز به چه سئوالاتي بايد پاسخ دهد؟ اجازه دهيد بحث را با سخنان هاوکينگ دنبال کنيم. هاوکينگ مي گويد نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است با توجه به سخنان هاوکينگ دو نظريه مهم فيزيک و مکانيک کوانتوم، هريک به تنهايي خوب عمل مي کنند، اما با يکديگر ناسازگارند. بنابراين مسئله اصلي اين است که راهي بيابيم تا اين دو نظريه را با يکديگر ترکيب کنيم براي ترکيب اين دو نظريه تلاشهاي زيادي انجام شده است که به چند مورد آنها اشاره مي کنيم ابر گرانش همه ي مواد موجود در طبيعت از دو نوع ذره ي بنيادي به نام فرميون ها و بوزن ها تشکيل شده اند. تفاوت فرميون ها و بوزن ها در اسپين آنها مي باشد به طوري که اسپن فرميون ها نيمه درست و اسپين بوزن ها عددي درست است. همه ي انواع ذرات دست کم از دو خاصيت ذاتي جرم و اسپين برخوردارند. جرم خاصيتي آشنا براي تمام مواد است که به همان صورتي که براي اجسام بزرگ مقياس در نظر گرفته مي شود ، در مورد کوچک ترين اجزا تشکيل دهنده ي ماده نيز کاربرد دارد . اسپين خاصيت ظريف تري است که در اجسام بزرگ مقياس به سادگي قابل شناسايي نيست . اسپين ، در واقع ، خاصيتي است که در قرن بيستم کشف شد تا رفتار بي هنجار الکترون ها را در ميدان مغناطيسي توضيح دهد. هر تقارني که در جست و جوي ارتباط ميان فرميون ها و بوزون ها ، يعني ذراتي با اسپين هاي متفاوت ، باشد ابَرَتقارن ناميده مي شود. و اما ابَرَگرانش ، نظريه اي پيشنهادي در فيزيک بنيادي است که ابرتقارن و گرانش را در هم مي آميزد. اولين نظريه ي ابرگرانش توسط سه فيزيکدان در سال 1976 فرمول بندي شد. لينک مرتبط ابر ريسمان در مطالعات و بررسي هاي مرسوم در فيزيک کوانتومي نسبيتي ، ذرات بنيادي را به صورت نقاط رياضي و بدون گستردگي فضايي در نظر ميگيريم. اين رهيافت موفقيت هاي بسيار چشمگيري داشته است ، ولي در انرژي هاي خيلي خيلي زياد يا فاصله هاي بسيار بسيار کوتاه که بزرگي ميدان گرانشي با بزرگي نيروهاي هسته اي و الکترو مغناطيسي قابل مقايسه مي شود اين رهيافت با شکست رو به رو مي شود. در سال 1974 ژوئل شرک و جان شوارتز به منظور غلبه بر اين مشکل توصيف وحدت يافته اي از ذرات بنيادي را بر اساس منحني هاي يک بعدي بنيادي به نام ريسمان مطرح کردند . به نظر ميرسد که نظريه هاي ريسمان از هر نوع ناسازگاري که در تمام تلاش هاي قبلي دست يابي به نظريه اي وحدت يافته براي توصيف گرانش و ساير نيرو ها ايجاد مزاحمت کرده است ، مبراست . نظريه ابرريسمان که در آنها از نوع خاصي تقارن به نام ابرتقارن ، بهره گيري مي شود ، بيشترين اميدواري را براي ارائه ي نتايج واقع بينانه پديد آورده اند لينک مرتبط بوزون هگز در دهه هاي اخير فيزيکدانان يک مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه کردند تا يک چوب بست نظري براي فهم ذرات بنيادي و نيروهاي طبيعت فراهم آورند. مهمترين ذره در اين مدل، يک ذره ي فرضي موجود در همه ي ميدانهاي کوانتومي است که نشان مي دهد ساير ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. در واقع اين ميدان پاسخ مي دهد که همه ي ذرات در حالت کلي چگونه جرم به دست مي آورند. اين ميدان، ميدان هگز Higgs field خوانده مي شود. نتيجه ي منطقي دوگانگي موجو - ذره اين است که همه ي ميدانهاي کوانتومي داراي يک ذره ي بنيادي باشند که با ميدان در آميخته است. اين ذره که با همه ي ميدانها در آميخته و موجب کسب جرم توسط ساير ذرات مي شود، هگز بوزون Higgs
boson ناميده مي شود
پايان قسمت اول . . .

 

[مهندس حسام سامی]

سالهاي متمادي در فيزيک ،بر اينکه تئوري چيست ؟ قسمت دوم و پايانی .

سالهاي متمادي در فيزيک ،بر اينکه تئوري چيست ؟ قسمت دوم و پايانی .

بخشی از ادامه ی قسمت اول . . .
نتيجه ي منطقي دوگانگي موجو - ذره اين است که همه ي ميدانهاي کوانتومي داراي يک ذره ي بنيادي باشند که با ميدان در آميخته است. اين ذره که با همه ي ميدانها در آميخته و موجب کسب جرم توسط ساير ذرات مي شود، هگز بوزون Higgs boson ناميده مي شود
« آغاز قسمت دوم »
لينک مرتبط جمع بندي حال مطلب بالا را جمع بندي مي کنيم يک - نسبيت عام بايد مکانيک کوانتوم ترکيب شود تا مشکلات موجود در فيزيک نظري بر طرف گردد. طبق نسبيت عام مسير نور در ميدان گرانشي خميده است که آن را تحت عنوان فضا - زمان مطرح مي کنند. مکانيک کوانتوم به ويژگيها و رفتار ذرات زير اتمي مي پردازد و با کوانتومها يا کميتهاي گسسته سروکار دارد. در حاليکه در نسبيت عام فضا - زمان پيوسته است دو - بايد ارتباط بين فرميونها و بوزونها توضيح داده شود. همجنانکه مي دانيم فرميونها شامل ذراتي نظير الکترونها و پروتونها هستند که داراي اسپين نادرست مي باشند و بوزونها داراي اسپين درست هستند سه - هگز بوزونها بايد توضيح داده شوند، يعني اينکه ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. با توجه به رابطه جرم - انرژي مي دانيم هرگاه ذره اي در يک ميدان شتاب بگيرد، انرژي و در نتيجه جرم آن افزايش مي يابد. بنابراين مسئله اين است که اين پديده يعني افزايش جرم را چگونه مي توان توجيه کرد؟ راه حل براي رسيدن به يک راه حل اساسي که بتواند مشکلات عمده ي فيزيک معاصر را بر طرف سازد، راه هاي مختلفي وجود که به نتايج متفاوت و گاهي ناسازگار مي انجامد. نظريه هاي مختلفي که در اين زمينه مطرح شده اند، بخوبي نشان مي دهند که نگرش بانيان آنها بر اساس دو گانگي بين بوزونها و فرميونها شکل گرفته است. سئوال اساسي اين است که آيا حقيقتاً بوزون و فرميون دو موجود کاملاً متفاوت از يکديگرند؟ در نظريه ريسمانها، ريسمان به عنوان يک بسته فوق العاده کوچک انرژي تلقي مي شود و که با پيوستن آنها به يکديگر و با ارتعاشات مختلف آنها ساير ذرات نمود پيدا مي کنند. در نظريه هگر بوزون به دنبال ذره اي هستند که موجب ايجاد يا افزايش جرم مي شود. اگر اين مسئله ي هگز بوزون را با دقت بيشتري بررسي کنيم شايد بتوانيم به نتايج جالب توجه تري برسيم اجازه بدهيد تصورات خود را از بوزون و فرميون يا به عبارت ديگر از جرم - انرژي و نيرو تغيير دهيم. در فيزيک مدرن جرم و انرژي دو تلقي مختلف از يک کميت واحد هستند. جرم هر ذره را مي توان با محتويات انرژي آن اندازه گرفت و همچنين انرژي يک ذره را مي توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فيزيک معاصر ما با دو کميت بيشتر سروکار نداريم، انرژي و نيرو اگر رابطه ي نيرو و انرژي را با ديد متفاوتي مورد بحث قرار دهيم، مي توانيم به نتايج جالب توجهي برسيم. نيرو به عنوان انرژي در واحد طول مطرح مي شود که براي آن رابطهي زير داده شده است F=-dU/dx => du= - Fdx حال ذره اي را در نظر بگيريد که انرژي آن در حال تغيير است. اين تغييرات را از دو جهت مي توان مورد توجه قرار داد. يکي از جهت افزايش و ديگري از جهت کاهش. از نظر افزايش نسبيت براي آن محدوديتي قائل نشده است و طبق رابطه ي جرم نسبيتي، جرم آن بينهايت قابل افزايش است. اما از جهت کاهش طبيعت خود براي آن محدوديت قائل شده و آن اين است که تمام ذره تمام انرژي خود يا به عبارت ديگر، جرم - انرژي خود را از دست بدهد ذره اي را در نظر بگيريد که در يک ميدان داراي شتاب منفي است. اگر فاصله به اندازه ي کافي بزرگ و ميدان بسيار قوي باشد، آيا انرژي آن به صفر خواهد رسيد؟ چنين آزمايشي براي اجسام مثلاً يک فطعه فلز چندان قابل تصور نيست، اما براي يک کوانتوم انرژي( فوتون) به خوبي قابل درک است. زيرا در نسبيت فوتون نمي تواند از يک سياه چاله بگريزد. اين پديده را چگونه مي توان توجيه کرد؟ يکبار ديگر به رابطه نيرو - انرژي بر گرديم F=-dU/dx => du= - Fdx در رابطه ي بالا انرزِ و فاصله تغيير مي کنند، اما نيرو ثابت است. اگر نيرو يعني F يک کميت ثابت و تغيير ناپذير است، چگونه مي توان هگز بوزون را توجيه کرد؟ يعني واقعاً اين کاهش يا افزايش جرم چگونه امکان پذير است. متاسفانه اين ديدگاه از مکانيک کلاسيک به نسبيت تسري يافت و هيچگونه بخثي در اين زمينه مطرح نشد. اگر بخواهيم با همان نگرش کلاسيکي مشکلات فيزيک و ناسازگاري نسبيت و مکانيک کوانتوم را بر طرف سازيم، راه به جايي نخواهيم برد، همچنانکه تا به حال اين چنين بوده است اشکال بعدي که مانع رسيدن به يک نتيجه ي قابل توجه مي شود اين است فيزيکدانان به مشکلات به گونه اي پراکنده برخورد مي کنند. هگز بوزون مسير خود را مي پيمايد، مکانيک کوانتوم مي خواهد مشکلات فيزيک را در چاچوب قوانين کوانتومي حل کند، و مهمتر از همه اينکه مکانيک کلاسيک تقريباً به فراموشي سپرده شده است. همه اينها هر کدام نگرشي خاص به جهان دارند و عموميت ندارند. در حاليکه طبيعت يگانه است و قانون نيز بايستي از يک وحدت برخوردار باشد که هست. ترکيب مکانيک کوانتوم و نسبيت زماني امکان پذير است که نگرش هگز بوزون همراه با مکانيک کلاسيک نيز در اين ترکيب منظور گردد هر کدام از اين تئوري ها قسمتي از قوانين حاکم بر طبيعت را نشان مي دهند. اگر در يک نگرش همه جانبه اين قسمتهاي مختلف را که با تجربه تاييد شده اند توام در نظر بگيريم مي توانيم به يک فيزيک يا يک نظريه براي همه چيز برسيم از کجا شروع کنيم؟ 1 با روند تکامل نظريه ها پيش مي رويم. نخست مکانيک کلاسيک را در نظر مي گيريم و به مورد خاص آن قانون دوم نيوتن توجه مي کنيم، اين قانون را با جرم نسبيتي يعني m=m0/(1-v2/ c2)1/2 , E=mc2 و نظريه هگز بوزون مي توان ترکيب کرد. اگر ذره/جسمي تحت تاثير نيرو جرمش تغيير مي کند، اين تغيير جرم ناشي از اين است که بوزون (نيرو) تبذيل به انرژي مي شود. البته اين روند جهت معکوس نيز دارد، يعني در روند عکس با کاهش سرعت، انرژي به نيرو يا بوزون تبديل مي شود 2 در مورد قضيه کار انرژي W=DE برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت کار آن را با مکانيک کلاسيک مد نظر قرار مي دهند و کار را کميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليکه با انرژي آن برخوردي کوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد کوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد که با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر اين مورد را بکار بنديم مشکل ارتباط فرميونها و بوزونها بر طرف خواهد شد. اين مورد مکمل قسمت پيشين است و حرف تازه اي نيست 3 اگر بپذيريم که کار کوانتومي است، الزاماً به اين نتيجه خواهيم رسيد که نيرو بطور کلي و از جمله گرانش نيز کوانتومي است. مفهوم صريح و در عين حال ساده آن اين است که فضا - زمان کوانتومي است. با نگرش کوانتومي به گرانش يا به تعبير نسبيت فضا - زمان، مکانيک کوانتوم و نسبيت با يکديگر ترکيب خواهند شد. تنها موردي که در اين جا بايد متذکر شد اين است که کوانتومي بودن فضا - زمان مي تواند انحناي آن را نيز نتيجه دهد چنين نگرشي مي تواند به يک نظريه براي همه چيز منتهي شود. نظريه اي که تحت عنوان نظريه سي. پي. اچ. مطرح شده است .
انتهاي مطلب / نويسنده : مهندس حسام / تنظيم : دکتر شايان دوست