آمار بازدید کنندگان

mod_vvisit_counterامروز113
mod_vvisit_counterدیروز185
mod_vvisit_counterاین هفته113
mod_vvisit_counterهفته قبل1627
mod_vvisit_counterاین ماه5449
mod_vvisit_counterماه گذشته9180
mod_vvisit_counterکل بازدیدها542154

بازدیدکننده جاری : 3

پيشرفت و ركود فيزيك از زاویه «متحد سازى» (Unification)

مسعود ناصری

 

قبل از اينكه بتوان وارد اين بحث شد لازم است كه اصطلاح "اتحاد" (unification) را در فیزیک جا بیاندازیم. طبق تعریف، در يك سيستم "متحد" (unified) همه اعضا يا اجزاء ويژگى خاصى را كه به آن سيستم مربوط مى شود را دارند. مثلا سه پسر سارا خانم همگى "برادر" هستند. تا آنجائى كه به تعريف يا ويژگى "برادرى" مربوط مى شود، هيچيك از پسرها تفاوتى با ديگرى ندارد و وقتی می گوئیم «پسر سارا»، این واژه به هر سه پسر بطور یکسان صدق می کند. اصطلاحا مى گوئيم اين پسرها از نظر "برادرى" يك سيستم متحد یا يكپارچه هستند. حال اگر روزى ما مردى را بيابيم و ثابت كنيم كه ايشان برادر گمشده اين سه نفر هست، آنگاه اين مرد را به سيستم "يكپارچه" سه پسر سارا اضافه کردیه ایم و وى را با بقيه يكپارچه كرده ايم  حالا مى دانيم كه اين مرد با سه مرد قبلى عين هم هستند (البته فقط از نظر برادرى). اين تلاش ما در جهت اثبات برادری این مرد جدید اصطلاحا "يكپارچه سازى" (unification) ناميده مى شود. يك مثال ديگر: انسان يك موجود زنده است. حيوان نيز يك موجود زنده است. روزی كشف مى كنيم كه باكترى هم يك موجود زنده است. با اين حساب، تا آنجائى كه به ويژگى "زنده بودن" مربوط مى شود، انسان، حيوان و باكترى "يكپارچه" مى باشند و اين بدان معنى است که هيچ تفاوتى بين آنها نيست. حال اگر روزى در كره مريخ چيزى پيدا كنيم و ثابت كنيم كه موجود زنده است، آن موجود را با بقيه موجودات زنده يكپارچه كرده ايم.

 

در مقاله اى که در مورد "تقارن" (symmetry)، مبحث اصلی تئورى گروه و تئورى ميدان كوانتومى که کلاس‌های خاص خود را در آکادمی دارند، صحبت خواهیم کرد "يكپارچه" بودن را به نوع خاصى از تقارن که به نام «تقارن داخلی» (internal symmetry) ارتباط خواهیم دید. به عنوان مثال، همین الان من متوجه شدم که لوستر اتاق من دارای دو نوع تقارن است. «تقارن خارجی» (external symmetry) ناشی از این واقعیت که این لوستر 3 شاخه دارد که با فاصله های مساوی از هم قرار دارند (هر 120 درجه یک شاخه) و هر شاخه لامپی را نگاه می‌دارد. بنابراین با چرخش 120 درجه‌ای لوستر در ظاهر آن هیچ تغغیری اتفاق نخواهد افتاد. به عبارت دیگر، اگر شما به آن نگاه کنید و بعد از اتاق خارج شوید و در نبودن شما من 120 درجه لوستر را بچرخانم، در برگشت تان به اتاق قادر به تشخیص چرخش اتفاق افتاده نخواهید بود. همچنین یک تقارن داخلی (internal symmetry) نیز به این لوستر من حاکم است که مستقل از داشتن یا نداشتن تقارن خارجی آنست و آن اینکه اگر جای لامپ ها را باهم عوض کنیم هیچ‌کس متوجه نخواهد شد. ملاحظه مو کنیم که تشابه زيادى بين «تقارن داخلی» و «يكپارچگى» وجود دارد فعلا به همين اشاره مختصر اكتفا می كنيم تا در وقت مناسبی آنرا بيشتر بررسى كنيم.

 

با اين مقدمه، برگردیم به بحث خودمان. مهمترين تحول بنيادى در شناخت بشر از جهان و نیز اولين تفكر «اتحاد» در فيزيك توسط كپرنيك ارائه شد كه نظريه بطلميوسى مبنى بر "زمين بى حركت و در مركز جهان واقع بودن آن" را منسوخ كرده نشان داد كه زمين مانند ديگر سياره هاى شناخته شده تا أن زمان (حدود ٤) به دور خورشيد در حركت است. بدينوسيله، زمين هيچ تفاوتى با سيارات ديگر ندارد و همه باهم يك سيستم يكپارچه اى را در منظومه خورشيدى تشكيل مى دهند: زمين سياره است و هر سياره مثل زمين.  

 

همچنين، اينكه خورشيد نسبت به سيارات خود ساكن است، آنرا مشابه ستارگان ديگر مى كند. به عبارت ديگر، هر ستاره اى يك خورشيد و هر خورشيدى يك ستاره است  اين نتيجه گيرى از نظريه كپرنيك دومين تلاش در تفكر يكپارچه سازى یا اتحاد در فيزيك است: خورشيد ما ستاره ايست در مجموعه ستارگان و ستاره چيزى نيستند مگر خورشيد

 

اصل نسبيتى گاليله مبنى بر اينكه حركت مطلق وجود ندارد و هر حركتى را بايد نسبى در نظر گرفت، يكى بودن حركت (با سرعت ثابت) و سكون را اثبات كرد. به عنوان مثال، مسافرى در هواپيما مشغول كتاب خواندن است. كتاب وى نسبت به او ساكن ولى نسبت به من كه بر روى زمين هستم با سرعت ثابتى (سرعت هواپيما) در حركت است.  ميز كار من نسبت به كره زمين ساكن ولى نسبت به خورشيد با سرعتى حدود ١٠٠ هزار كيلومتر در ساعت در حركت است (چون زمين با چنان سرعتى دور خورشيد مى گردد- البته از تغيير سرعت زمين در قسمت هائى از مدارش صرفنظر كرده ايم). بنابراين، بسته به اينكه ناظر كجا باشد، ميز كار من يا كتاب آن مسافر هواپیما را مى توان بطور هم زمان هم ساكن و هم در حركت (با سرعت ثابت) تعبير كرد (نسبت به من ساكن ولى نسبت به ناظرى در فضاى بيرون كره زمين متحرك است). پس طبق اصل نسبيتى گاليله، سكون همان حركت (با سرعت ثابت) است و تنها فرقى كه دارد اين است كه سرعت آن برابر با صفر است. نتيجه مهم اين بحث این است كه اصل نسبيتى گاليله "سكون" و "حركت با سرعت ثابت" را يكپارچه مى كند: سكون همان حركت با سرعت ثابت است

 

اتحاد بعدى توسط نيوتون انجام مى گيرد كه نشان مى دهد نيروى جاذبه (گرانشى) در زمين (كه من و شما را روى زمين نگاه مى دارد) با نيروئى كه زمين را در مدار خورشيد نگاه مى دارد و مجبور مى كند كه زمين دور خورشيد بگردد، همان نيروئى كه باعث سقوط جسم بر روى زمين مى شود، همان نيروئى كه براى خنثى كردن آن بايد موشك و سفينه ما از موتور استفاده كند، همه  يكى است

  

اتحاد الكتريسيته و مغناطيس توسط ماكسول را شايد بتوان مهمترين يكپارچه سازى تا آن زمان دانست چون بطور بنيادى نه تنها شناخت ما از جهان را تغيير داد بلكه در بلند مدت زندگى ما بر كره زمين را از نظر مهندسي و به خصوص صنعت الكترونيك، رادار، ليزر، راديو، ... متحول ساخت. ماكسول اين اتحاد را در قالب الكترومغناطيس بر اساس نتايج حاصل از آزمايش هاى غالبا فاراده ممكن ساخت و نشان داد كه تفاوت بين الكتريسته و مغناطيس ناشى از حركت ناظر است و بس. نه تنها ميدانهاى الكتريكى و مغناطيسى دو چهره يك پديده هستند بلكه اگر ناظري پديده اى را الكتريكى تعبير مي كند، ناظرى ديگر كه نسبت به قبلى در حركت است همان پديده را مغناطيسى تعبير خواهد كرد

 

نتيجه ديگر اتحاد الكتريسيته و مغناطيس، اتحاد نور با امواج الكترومغناطيس بود و اينكه نور همان امواج الكترومغناطيس است و امواج الكترومغناطيس همان نور (تنها تفاوت بر مى گردد به حس بينائى انسان و اينكه آنچه انسان نور تعبیر می‌کند تنها محدوده خاص و کوچکی از طیف فرکانسی امواج الكترومغناطيس است كه براى مكانيزم چشم انسان قابل درك است). 

 

شايان دكر است كه يك نتيجه بسيار مهم كار ماكسول وارد كردن موضوع "ميدان" (field) به فيزيك است كه تحولى عميق در شكل گيرى تئورى هاى فيزيك ايجاد كرد

 

گام بسيار بزرگ فيزيك در "اتحاد" توسط اينشتين واقعيت يافت كه با استفاده از اتحاد حركت و سكون گاليله و اتحاد الكتريسيته و مغناطيس و نيز اتحاد نور و امواج الكترومغناطيس ماكسول، تئورى نسبيت خاص (Special relativity) خود را شكل داد كه علاوه بر دگرگون كردن بنيادى نگرش ما به جهان (كه مهترين كشف علمى بشر لقب گرفته است) اتحاد "فضا" و "زمان" را در چارچوب "فضازمان" يكپارچه کرد. در حقيقت، كار اينشتين يك فرآيند يكپارچه سازى عظيم است چرا كه تئورى نسبيت خاص توانست چندین اتحاد پراکنده را در يك قالب واحد به نام تئوری نسبیت خاص یک‌جا جمع کند.

 

اینجا لازم است اندكى موضوع "ميدان" را بشکافیم. تا اواخر قرن نوزدهم اعتقاد بر اين بود كه فضا از ماده خاصى به نام اتر (ether) پر شده است و همانگونه كه صوت در هوا حركت مى كند و هوا حامل صوت است، اتر نيز حامل نوری است كه از خورشيد و ستارگان به ما مى رسد. حتى بعد از ارائه تئورى ماكسول هم كه نشان مى داد نور همان امواج الكترومغناطيس هست باز تصور چنين بود كه اتر حامل اين امواج مى باشد تا اينكه در يك سرى آزمايشهائى كه توسط ميكلسون و مورلى (Michelson, Morely) بين سال هاى 1863 و 1868 انجام گرفت هيچ نشانى از اتر يافت نشد و فرضيه اتر به فراموشى سپرده شد و به عبارتى چون وجود اتر ثابت نشد فيزيك قبول كرد كه وجود ندارد. بعدا هم كه تئورى نسبيت خاص شکل گرفت نيازى به وجود اتر نداشت. با توجه به اينكه اتر در فيزيك به عنوان ماده تعريف مى شود و نظر به اينكه ميدان الكترومغناطيسى كاملا جا افتاده بود وحتى لرد كلوين (Kelvin)، فيزيكدان مهم آن دوران نظريه اى ارائه كرده بود مبنى بر اينكه ماده حاصل تنش در ميدان است و انواع اتم ها را گره هاى خطوط ميدان تعبیر می کرد، بنابراين نتيجه گيرى شد كه ميدان بر ماده اولويت دارد (بنيادى تر از ماده است).

 

از اين به بعد تمركز فيزيك بر روى ميدان بيشتر مى شود و كم كم تلاش به "يكپارچه سازى ميدان ها" (unification of fields) آغاز و روز به روز شتاب بيشترى مي گيرد. اتحاد ميدانهاي الكتريكى و مغناطيسى نیز انگیزه بیشتری به این حرکت می‌داد و طبيعى بود كه اين پرسش مطرح شود كه چرا ميدان گرانشى (gravitational field) را با ميدان الكترومغناطيسى متحد نكنيم؟ از كجا معلوم كه اين دو ميدان نمودهاى متفاوت يك ميدان واحدى نباشند؟ اين برخورد موجب شد که ایده "ميدان واحد"  (unified field) وارد فيزيك گردد.

 

بعد از نسبيت خاص كه هم الكترومغناطيس را در خود داشت و هم به خاطر بكارگيرى اصل نسبيتى گاليله اتحاد حركت با سكون را، انيشتين تصميم مى گيرد با دستكارى در تئورى نيوتون (كه به خوبى نيروى گرانشى را توصيف مى كرد) آنرا با نسبيت خاص ادغام كند. در نهايت بعد از ده سال تلاش توانست با متحد کردن هندسه فضازمان با نيروى گرانشى و همچنين با كشف "اصل معادل" (principle of equivalence) كه حركت شتابدار را از نيروى گرانشى غير قابل تمييز مى کند، توانست هر نوع حركتى (چه با سرعت ثابت و چه متغير) را با سكون متحد كند. به اين ترتيب، تئورى جديدى به نام نسبيت عام (general relativity) را در سال ١٩١٦ تكميل نمود كه اتحاد ميدان الكترومغناطيس و ميدان گرانشى بود.

 

بر طبق اين تئورى جديد، زمان در نزديكى ميدان گرانشى كند مى شود و هرقدر شدت ميدان گرانشى بزرگتر شود، زمان كندتر می گردد و با میل کردن شدت میدان گرانشی به بینهایت زمان به صفر میل می‌کند (زمان متوقف می گردد). مثلا در يك سياه چاله كيهانى (cosmic black hole) ميدان گرانشى به بينهايت ميل مى كند و زمان متوقف مى شود. یکی پیش‌بینی مهم اين تئورى انحراف اشعه نور از مسیر مستقیم خود در گذر از ميدان گرانشى است. ميدان گرانشى مترادف با وجود ماده در فضازمان است و بنابراين اگر نور در ميدان گرانشى دچار انحنا مى شود به اين معنى است كه نور در گذر از كنار ماده انحنا مى يابد. از آنجائى كه طبق تئورى ماكسول امواج الكترومغناطيس هميشه در مسير مستقيم حركت مى كنند پس انحناى نور مترادف است با انحنای فضازمان و نتيجه زيباى اين بحث اين مى شود كه ماده موجب انحناى فضازمان مى شود. بنابراين، با توجه به وجود پراكندگی اين همه سياره و ستاره و سنگهاى آسمانى و .... فضا دارى كلى برآمدگى و فرورفتگى مى باشد و چون اين اجرام فضائى در حركتند پس امواجى ناشى از اين حركت در فضا شكل مى گيرند و حركت مى كننند كه به امواج گرانشى (gravitational waves) شهرت دارند:يكى از مهمترين دستاوردهاى نسبيت عام.

 

در تئورى نسبيت خاص فقط حركت يكنواخت (سرعت ثابت يا حركت بدون شتاب) را مى توان مورد بحث و مطالعه قرار داد و چون فضازمان دچار هيچ انحنائى نمى شود بنابراين هندسه اقليدسي دوران دبیرستان كاملا مناسب اين تئورى است. آشكار است كه فضازمان خميده و انحنادار را ديگر نمى توان با هندسه اقليدسى مطالعه كرد و نياز به یک هندسه غيراقليدسى داريم، مثلا هندسه ريمانى كه بهترين ابزار ما براى نسبيت عام مى باشد. مى بينيم كه شكل فضا (يا درست تر بگويىم، فضازمان) مترادف با نيروى گرانشى است. مشاهده مى شود كه نسبيت عام علاوه بر در بر گرفتن اتحاد حركت و سكون، اتحاد الكترومغناطيس و گرانش، اتحاد فضا و زمان، اتحاد گرانش و شتاب، اتحاد هندسه (یا شکل) فضازمان با گرانش را نیز ممکن می سازد.

 

گفتنى است كه تنها اينشتين نبود كه به دنبال اين اتحاد بود و افراد ديگرى هم در اين راستا تلاش مى كردند و اتفاقا يكى از اينها كاریست استثنائى و انقلابى توسط فيزيكدان فنلاندى گونار نورداشتروم (G. Nordström) كه اتفاقاً دو سال قبل از نسبيت عام ايتشتين وارد فيزيك شد و بسيارى از فيزيكدان هاى آن زمان كار نورداشتروم را به خاطر سادگی ریاضی به کار گرفته در آن به نسبيت عام ترجيح مى دادند. استثنائى بودن کار نورداشتروم در اين بود كه فضا را به جاى سه بعد رايج، چهار بعدى در تظر مى گرفت و اين اولين بار بود كه انديشه فضاى بيش از سه بعد بطور جدى وارد فيزيك مى شد. نورداشتروم معادلات الكترومغناطيس را كه ماكسول در فضاى سه بعدى نوشته بود در فضاى چهار بعدى نوشت و بطور شگفت انگيزى نيروى جاذبه از ميان محاسبات او بيرون آمد. نه تنها اين تئورى اتحاد ميدان هاى گرانشى و الكترومغناطيس را ممكن مى كند بلكه در بسیاری از موارد با نسبيت عام هم سازگار است

 

بر طبق تئورى نورداشتروم نور هميشه مسير مستقيم را مى پيمايد و برخلاف تئورى نسبيت عام وجود ميدان گرانشى تاثيرى بر مسير نور نمى گذارد. به عبارت ديگر، با خيال راحت همان هندسه اقليدسى در تئورى ايشان بكار گرفته می شود. لیکن دوران برای مدت طولانی بر وفق مراد نورداشتروم نگشت چون وقتی که در سال ١٩١٩ تدينگتون (Teddington) انحراف نور در گذر از کنار خورشید را طى يك كسوف در آفريقا مشاهده و اندازه گيرى كرد اولاً معلوم شد نور انحراف می‌یابد و مهمتر اینکه مقدار انحراف کاملاً با پيش بينى نسبيت عام سازگار بود. تئورى نورد اشتروم مردود شد. اين خود درس مهمى است براى ما كه صرف درست بودن رياضيات يك نظريه دليل واقع بين بودن آن نيست. يك مشخصه مهم هر تئورى اين است كه علاوه بر بى ايراد بودن آن در قالب رياضى بايد بتواند پيش بينى هائى نيز بكند و تنها بعد از مشاهده و تائيد آن پيش بينى هاست كه تئورى مزبور قابل قبول مى شود

 

حدود سال ١٩٢٠، یک فيزيكدان آلمانى به نام كالوزا (Kaluza) روش ديگرى را براى اتحاد الكترومغناطيس با ميدان گرانشى پيشنهاد داد كه همانند نورداشتروم فضا را چهار بعدى فرض مى كرد ولى با اين تفاوت كه نسبيت عام را در فضازمان 5 بعدى نوشت و الكترومغناطيس از محاسبات بيرون آمد. نكته مهم اين تئورى در اينست كه همانطور كه نيروى گرانش به هندسه فضازمان ٤ بعدى ارتباط داده شد، در فضازمان 5 بعدى نیز گرانش به همان ٤ بعد سابق مربوط می‌شد ولی الكترومغناطيس به بعد پنجم ارتباط داده مى شد. اين بدان معنى است كه هر دو ميدان گرانشی و الکترومغناطیسی به هندسه فضازمان ربط داده مى شوند كه تا آنجا كه به اتحاد ميدان ها مربوط مى شود دستاورد بسيار مهمى براى فيزيك بود

 

چندان طول نکشید که كلاين (Kline) فيزيكدان سوئدى كار كالوزا را تكميل و در نهايت تئورى زيبايى كه به تئورى كالوزا-كلاين (Kaluza-Kline) شهرت دارد را ارائه کند كه تنها با اضافه شدن يك بعد به فضا و اعمال معادلات انيشتين به فضازمان 5 بعدى، معادلات ماكسول را به دست مى داد. انيشتين و ديگر فيزيكدان ها در موارد مختلف به تائيد و تشويق اين تئورى پرداختند ليكن اين تئورى يك مشكل اساسى داشت (و دارد) و آن اينكه بايد نه تنها بعد پنجم يك منحنى بسته (دایره) باشد و نیز فوق العاده كوچك كه قابل رؤيت نباشد بلكه اندازه قطر اين دايره نيز بايد ثابت نگهداشته شود. مثلا طول و عرض و ارتفاع مى توانند در زمان تغيير يابند ولى اندازه و شكل دايره مربوط به این بعد اضافى (یعنی بعد چهارم فضا) نبايد در زمان تغيير كند. آشکار است که اين شرط ناخوشايندى نیست چرا كه بر طبق نسبيت عام فضازمان موجودى ديناميكى می باشد كه مدام در تغيير است و اينكه براى درست از آب درآمدن پيش بينى يك تئورى، باید يكى از چهار بعد فضا را مستثنى كنيم و مجبورش كنيم که به دلخواه ما تغيير كند برخوردى علمى نيست. در توضيح اين مورد اضافه كنيم كه اگر اجازه دهيم اندازه بعد چهارم فضا در زمان تغيير كند، حل معادلات منجر به بينهايت جواب می شود. همچنين، از مشکلات دیگر اینکه گاه با تغيير كوچكى در اندازه اين بعد اضافى، كل سيستم ناپايدار مى شود و محاسبات دلالت بر توقف زمان مى کنند (singularity) و گاه اين بعد آنقدر بزرگ مى شود كه قابل ديدن مى گردد و پيش بينى هاى ديگر تئورى را به هم مى ريزد

 

مشكل ديگر تئورى هاى از نوع كالوزا-كلاين اين است كه دليل ندارد ابعاد اضافى به شكل دايره باشند چون هر منحنى بسته اى را مى توان در نظر گرفت و اين یعنی بينهايت شكل منحنى بسته و در نتيجه بينهايت نسخه از يك تئورى كه هر كدام دنياى فيزيكى خاص خود را توصيف مى كند. گرفتارى در اين است كه هيچكس نمى داند كداميك از آن بينهايت نسخه مناسب توصیف دنياى فيزيكى ماست. همچنین، نكته ديگر اينكه هرچه تعداد ابعاد اضافى زياد مى شود مساله ناپايدارى كه در بالا به آن اشاره كرديم بدتر و بدتر مى گردد.

 

به خاطر همين مشكلات، خیلی‌ها و از جمله اينشتين علاقه خود را به تئورى هائى از نوع كالوزا-كلاين كه قائل به بعد اضافى فضا بودند را از دست دادند. ليكن در دهه سوم قرن بيست ميلادى دو نيروى ديگر طبيعت به نام هاى نيروى هسته اى ضعيف (كه اجزاى هسته اتم را در كنار هم قرار مى دهند) و نيروى هسته اى ضعيف (كه مسؤول تجزيه راديواكتيو است) هم كشف شدند كه اتحاد ميدان هاى اين دو نيرو با دو نيروى شناخته شده قبلى را الزامى مى كرد. بقيه عمر اينشتين صرف پيدا كردن اين تئورى «ميدان واحد» مى شود ولی به نتيجه نمى رسد.

 

هرچند علاقمندى به اين موضوع ديگر مثل سابق نبود ولى بودند افرادى كه روش كالوزا-كلاين را ادامه دادند و با اعمال معادلات انيشتين به فضازمان هاى با تعداد ابعاد بيش از چهار توانستند تئورى هاى جديدى ارائه كنند كه مهمترين آنها در قالب معادلات يانگ-ميلز (Yang-Mills) معرفی می شوند ولى باز همان ايراد وجود دلشت: اين ابعاد نه تنها بايد در حد غيرقابل ديده شدن كوچك باشند بلكه اندازه آنها نيز بايد ثابت باقى بماند.  در راستاى اين فعاليت، فيزيكدان های دهه ٧٠ ميلادى متوجه شده بودند كه معادلات يانگ-ميلز دو نيروى هسته اى ضعيف و قوى را هم توصيف مى كنند.

 

شکست های پی در پی و عدم موفقيت فيزيك در اتحاد نيروى گرانشى با سه نيروى ديگر از يك طرف و ناچيز بودن نسبى شدت نيروی گرانشی در مقايسه با سه نيروى ديگر از طرف ديگر، فيزيكدان ها را تشويق مى كرد تا از خير نيروى گرانشى بگذرند و آنرا از مدل هائی که ارائه می‌کنند حذف نمایند. این یک عقب نشينى بزرگ برای فيزيك بود و برگشتى تحقيرآميز از فضازمان نسبيت عام با هندسه ريمانى به فضازمان نسبيت خاص با هندسه اقليدسى. در هر حال اين اتفاق افتاد و از اين مرحله به بعد هست كه تمركز فيزيك بر روى سه محور متمرکز شد: اتحاد سه نيرو (بدون گرانش)، اتحاد تئورى نسبيت با كوانتوم و مطالعه فيزيك ذرات بنيادى و شتاب دهنده ها.

 

كار بر روى اتحاد ميدان الكترومغناطيسی با تئورى كوانتوم آغاز شد و از آنجائى كه نسبيت خاص الكترومغناطيس را در فرمالیسم خود دارد مناسب ترين قدم این بود که به دنبال اتحاد تئوری‌های كوانتوم با نسبيت خاص بروند و از آنجائی که الكترومغناطيس يك ميدان است عنوان اين تئورى جديد "تئورى ميدان كوانتومى" (quantum field theory) شد. گفتنى است كه تئورى كوانتوم به خودى خود اثرات نسبيتى را در فرمولاسيون خود ندارد حال آنكه سرعت ذرات بنيادى به سرعت نور نزديك است و چشم پوشى از اثرات نسبيتى مى تواند ما را از توصیف درست واقعيت دور كند. لیکن در تئورى ميدان كوانتومى، به خاطر حضور تئوری نسبیت خاص، اين مشكل حل مى شود.

 

در اين راستا، ابتدا تئورى موفق الكتروديناميك كوانتومى (quantum electrodynamics, QED) بطور مستقل توسط توموناگا (Tomonaga) در ژاپن و فاينمن (Feynman) و شوينگر (Schwinger) در آمريكا شكل گرفت و تلاش بر تعميم تئورى ميدان كوانتومى به نيروهاى هسته اى ضعيف و قوى نيز آغاز شد كه تقريبا تا دو دهه بدون نتيجه باقی ماند تا اینکه دو كشف بنيادى بسيار مهمى صورت گرفت: اصل گيج (gauge principle) و شكست ناگهانى تقارن (spontaneous symmetry breaking, SSB).

 

به باور من اين دو نظريه اگر مهمتر از اصل نسبيتى گاليله و ثابت بودن سرعت امواج الكترومغناطيس نباشد كمتر هم نيستند. به نظر می‌آید که اگر دو نظريه بالا در نهايت موجب شكل گيرى تئوری نسبيت شدند، دو نظريه اخير تحول مهم فيزيك قرن ٢١ را رقم خواهند زد. بطور خلاصه، اصل گيج بيان مى كند كه سه نيروى الكترومغناطيس، هسته اى قوى و هسته ای ضعيف متحد هستند و شكست تقارن بيان مى كند كه چرا عيلرغم اتحاد، خود را در سه شكل متفاوت (با شدت های متفاوت) بروز مى دهند.

 

در اوايل دهه ٦٠ ايده تركيب گيج تئورى با شكست تقارن توسط سه نفر، انگلبرت (Englert)، براوت (Brout) و هيگز (Higgs) واقعيت يافت كه به پديده هيگز (Higg phenomenon) معروف گشت و به فاصله چند سال واينبرگ (Weinberg) و عبدالسلام (Abdus Salam) توانستند به كمك پديده هيگز نيروى الكترومغناطيسی و هسته اى ضعيف را متحد كنند، كه تئورى الكترويك (electroweak) نام گرفت و نشان دادند كه مشابه الكترومغناطيس كه توسط فوتون منتقل مى شود، نيروى هسته اى ضعيف نيز توسط ذراتى شبيه فوتون (ولى ٣ ذره) منتقل مى شود كه +w و -w و z نام دارند و مدت چندانى نگذشت كه هر سه ذره در شتابدهنده مشاهده شدند.

 

ادغام اصل "شكست ناگهانى تقارن" در تئورى های بنيادى فيزيك مهترين كشف بشر بعد از تئورى هاى نسبيت و كوانتوم مى باشد و شايد مبالغه نباشد كه بگوئيم اساسی ترين كشف علمى بشر در مورد جهان و قوانين حاكم بر آن است. در فرآيند شكست تقارن، يك كميت فيزيكى به نام ميدان هيگز (Higgs field) تعريف مى شود كه مقدار آن مشخص می‌کند آيا تقارن شكسته است يا نه و در صورت شکسته شدن چگونه. تا قبل از ظهور چنين تئورى اى تفكر اجزانگرى ناشى از ديدگاه مكانيكى نيوتون باعث شده بود كه خواص ذرات بنيادى را محصول قوانين ازلى بدانيم. ليكن بعد از اين تئورى هاست که مى دانيم خواص ذرات بنيادى به چگونگى شكست تقارن مربوط مى شود و چگونگى شکست را پارامترها و عواملى مانند دانسيته و دما تعين مى کنند

 

مدل واينبرگ-عبدالسلام، قائل به وجود ميدان هيگز و بوزون خاص آن با نام «بوزون هیگز» (Higgs boson) که گاه «ذره خدا» نیز نامیده می‌شود می باشد. این بوزون مسؤول نيروى ميدان هيگز است (مانند فوتون كه بوزون ميدان الكترومغناطيسى است). ليكن مشكل مدل فوق اين است كه نمی تواند جرم دقیق اين بوزون را که مقدار آن يكى از ضرايب ثابت مدل است تعيين كند. در حقيقت، دست فيزيكدان ها را در تعيين مقدار آن باز می‌گذارد (كه اين خود ايرادى اساسى براى مدل فوق می باشد). پيشنهاد شده است جرم بوزون هيگز حدود ١٢٠ برابر جرم پروتون باشد. اخيرا وجود چنان ذره اى در شتابدهنده HCL مورد تائيد قرار گرفت و هفته قبل جايزه نوبل فيزيك امسال به هيگز و انگلرت داده شد (براوت چند سال قبل فوت كرد).

 

با توجه به بحث بالا حالا دیگر اين تنها معادلات نيستند كه خواص ذرات بنيادى جهان را تعيين مى كنند بلكه شرايطى كه آن معادلات را حل مى كنيم نيز نقش عمده اى در تعيين خواص ذرات دارند. بنابراين، خواص ذرات بسته به اينكه شكست تقارن در كدام قسمت جهان و در چه دوره اى از تكامل آن اتفاق افتاده باشد مى تواند متفاوت باشند.

 

در اوايل دهه ٧٠ "اصل گيج" به نيروى هسته اى قوى تعمیم داده شد و ملاحظه شد كه ميدان خاصى نيز به اين نيرو صدق مى كند. تئورى حاصل به كروموديناميك كوانتومى (quantum chromodynamics) شهرت يافت که از ابزار هاى تئوريك موفق فيزيك است و به همراه مدل واينبرگ-عبداسلام اساس مدل مشهور استاندارد (standard model) را تشكيل مى دهند كه حدود ١٩٧٣ تكميل شد. مدل استاندارد به عنوان مهمترين ابزار مطالعه فيزيك ذرات بنيادى به شمار مى رود و اکثر فیزیکدان ها آنرا فخر فیزیک می‌دانند و به چنان دستاوردی مباهات می‌کنند چرا که همه ذرات بنيادى شناخته شده تا امروز و (منهای نیروی جاذبه) سه نيروى طبيعت را شامل مى شود. بعد از كشف اخیر نیز كه نوترينوها هم جرم دارند (هرچند فوق العاده كم و حدود يك بيليونیوم جرم پروتون)، تنظيمات مختصرى در اين مدل داده شد.حالا نه تنها شتاب دهنده ها به كمك اين مدل طراحى و ساخته می‌شوند بلكه آزمايش هايى هم كه بناست در آنها انجام گیرند باز به كمك همين مدل طراحى و اجرا مى شوند.

 

كشف مدل استاندارد و در کنار آن درك اين نكته كه بر طبق اصل گيج سه نيروى طبيعت نمود متفاوت يك نيروى واحد می باشند، مهمترين دستاورد فيزيك به شمار مى آيند، دستاوردى كه نتيجه تلاش فكرى هزاران فيزيكدان مهم جهان است.

 

پرسش بعدی این بود که اگر توانسته ایم سه نيرو را متحد كنيم چرا نبايد فكر كنيم كه ذرات بنيادى نيز ممكن است اتحاد خاص خود را داشته باشند؟ مى توان "اصل گيج" را به تقارن «خاصى» كه همه ذرات بنيادى فيزيك را شامل شود اعمال كرد. اين تقارن بايد بگونه اى باشد كه كوارك ها را به لپتونها تبديل كند و بنابراين همه كوارك ها و لپتون ها در قالب يك ذره واحد و يك ميدان واحد متحد خواهند شد كه كوارك ها و لپتون ها با شكست ناگهانى اين تقارن متولد می شوند. تلاش سختی آغاز شد که سرانجام به بار نشست. ساده ترين تقارنى كه كشف شد تقارن (SU(5 نام گرفت (عدد 5 نشاندهنده 5 ذره، يعنى سه كوارك و دو لپتون است) که اتحاد نیروها را نیز ذر خود داشت. اين تقارن جديد نه تنها تمام پيش بينى هاى مدل استاندارد را توجيه مى كند بلكه تواناتر از آن است چرا که پيش بينى هاى جديدى مانند امکان تجزيه كوارك به الكترون ها و نوترينوها را ارائه مى كند. بر اساس این پیش بینی، يك پروتون كه شامل سه كوارك می باشد بايد در اثر تجزيه مثلا يكى از كوارك هايش به موجود ساده ترى تبديل شود. لازم به گفتن است که تا آنروز پروتون ها ذرات پايدارى فرض مى شدند ولی معلوم شد كه چنين نيست هرچند تجزيه آن طبق محاسبات حدود 10^33 سال طول می كشد (شکر! چون اگر اين عدد كوچكى بود امروز اتمى در جهان وجود نداشت و من و شما هم نبودیم). 

 

بنابراين، اگر تئورى. (SU(5 درست باشد مهمترين شرط درستی آن اين خواهد بود كه تجزيه يك پروتون را در آزمايشگاه تائيد كنيم. خوشبختانه اجراى چنان آزمايشى كار چندان مشكلى نيست. البته اگر بنا باشد فقط يك پروتون تنها را زير نظر بگيريم لازم خواهد بود حدود 33^10 سال منتظر بمانيم. بنابراين، يك مخزن بزرگ آب فوقالعاده خالص را كه هزاران ليتر آب داشته باشد در نظر مى گيريم. چون هر هسته هيدروژن و اكسيژن آن پروتونن دارد، تعداد بسيار زيادى پروتون در مخزن خواهيم داشت و با تنها يك يا دو سال انتظار خواهیم توانست تجزيه حداقل چند پروتون را شاهد باشيم. تنها شرط اجراى موفقيت آميز چنین آزمایشی عبارت خواهد بود از محافظت مخزن از تسعشعات كيهانى، كه مدام ما را بمباران مى كنند، چون مى توانند با برخورد با پروتون آنرا متلاشى كنند. در حقيقت، اين آزمايش حدود سه دهه پيش با قرار دادن مخزنى با ٥٠ ميليون لیتر آب خالص در يك معدن در عمق هزار مترى بك كوه در ژاپن پياده شد.

 

امروز، بعد از سه دهه، هنوز منتظريم تا تجزيه حتى يك پروتون اتفاق بيافتد. اينكه مهمترين پيش بينى تئورى زيباى (SU(5  درست از آب درنيامده است جامعه فيزيك و بخصوص فيزيك ذرات بنيادى را سخت به هم ريخته است و موجب دلسردى شديدى گشته است در حدى كه ديگر آن شوق و شور دهه ٨٠ از بين جامعه فيزيك ذرات بنيادى رخت بربسته و تمركز آنها و دانشجويان دوره دكترا از جستجو براى اتحاد نيروها و ذرات جهان به پروژه هاى كاربردى مانند ابررسانا، ليزر، کامپيوتر كوانتومى و ... منتقل شده است كه هم زود نتيجه مى دهند و هم زود قابل انتشار به شكل مقاله که پروفسور شدن به تاخير نمى افتد و هم با وارد كردن نتايج حاصله به صنعت، درآمد مالى خوبى نصيب دانشگاه يا موسسه تحقيقاتى و خود محقق مى شود.(جالب است بدانيد كه امروزه تقريبا همه دانشگاه هاى رده بالاى دنيا هر كدام يك شركت تجارى نيز به ثبت رسانده اند و نتيجه تحقيقات حاصل از پروژه هاى دكترا و گاه كارشناسى ارشد را در قالب اختراع مى فروشند و اساتيد و محققين تحت فشارند كه درآمد دانشگاه/موسسه بالا برود وگرنه نبايد به دوام شغلشان اميدوار باشند). ديگر كمتر كسى است كه با رفتن به دنبال پروژه هاى بنيادى فيزيك بخواهند آينده شغلى خود را در رقابت با همكاران به خطر اندازد! به عنوان مثال، من حدود 16 سال است که از شغل آکادمیک خودم دست شسته ام تا وقت کافی یرای نظریه خاصی (فیزیک سیستم‌های پیچیده) که بر روی آن کار می‌کنم داشته باشم. آشکار است که در این مدت از قافله عقب افتاده‌ام و علاوه بر اینکه درآمدی از آنهمه تحصیلات نداشته‌ام اگر تا یکی دو سال آینده به نتیجه برسم عمر بیست ساله را صرف یک تئوری بنیادی کرده‌ام و اگر نرسم به کل فراموش خواهم شد و کار و تلاش بیست ساله بی نتیجه خواهد شد. این ریسک بزرگی است که نه تنها خود محقق بلکه زندگی خانواده وی را به خطر می اندازد.

 

در دورانى كه فيزيك در انتظار تائيد تئورى (SU(5 چشم به معدن نهفته در دل آن كوه در ژاپن دوخته بود، عده اى (بخصوص در كشور شوروى آن زمان) اصرار به ادامه راه داشتند ولى اين بار به دنبال تقارنى بسبار وسيع تر بودند، ابرتقارنى كه هم سه نيرو و هم ذرات بنيادى را يكجا در بر مى گرفت. در سالهاى ١٩٧١ و ١٩٧٢ چهار فيزيكدان روس (likhtmann, Golfand, Akulov, Volko) موفق به يافتن چنان تقارنى شدند كه بعدها "ابرتقارن"(supersymmetry) نام گرفت. همچنین، مشابه همين تقارن توسط Weis و Zumino در سال ١٩٧٣ در غرب معرفى شد كه ظاهرا بى خبر از كار روس ها بودند. نظر به اينكه هر نيروئى مترادف با ميدان خاص خود هست و بوزون هاى خاص خود را دارد، برطبق این ابرتقارن بايد تقارنى بين بوزون ها و فرميون ها موجود باشد كه به ازاى هر فرميونى بايد بوزونى به همان جرم و بار الكتريكى وجود داشته باشد. مثلا، فرميونى به نام الكترون ایجاب می‌کند که بوزون مترادفى با همان جرم الكترون و بار منفى كه سلكترون (selectron) نامگذارى شده است وجود داشته باشد. يادآورى مى شود كه فرميون ها همان ذرات سازنده ماده جهان (ذرات با اسپین ½) يعنى كوارك ها و لپتون هاست و بوزوها همان ذرات حامل نيرو.

 

احتمالا الان متوجه اولين مشكل ايده ابرتقارن شده باشيد. بر طبق اصل Pauli's exclusion principle چند بوزون مى توانند همه باهم دارای يك حالت كوانتومى (quantum state) واحد باشند در حالى كه فرميون ها مجاز نيستند. اگر از اين مشكل هم چشم پوشى كنيم، در همان آغاز کار ایراد دیگری نیز خود را نشان داد: با توجه به اينكه جرم الكترون بسيار كم است به راحتى در شتابدهنده هاى معمولى هم قابل مشاهده می باشد. پس بايد به همان راحتى نیز بتوان سلكترون را كه جرمی برابر با جرم الكترون دارد مشاهده كرد. متاسفانه تا امروز چنان ذره اى مشاهده نشده است. براى رفع اين ایراد، بنيانگزاران تئورى در صدد برآمدند تا اصل "شكست ناگهانى تقارن" را به ایده ابرتقارن تعمیم دهند تا به این وسیله سلكترون بتواند جرمى چند برابر جرم الكترون داشته باشد و مثلا بتوانند جرم سلكترون را طورى انتخاب كنند كه بسيار زيادتر از جرم الكترون باشد. نتیجه اینکه در آن صورت نبايد انتظار داشت شتابدهنده هاى موجود بتوانند سلکترون را تولید کنند.

 

متاسفانه اين همان سياستى بود كه در مدل استاندارد و مدل (SU(5 دنبال می شد (و هنوز مى شود) كه هر وقت پيش بينى خاصى واقعيت نمى يابد، با دستكارى در مقدار ضرايب ثابت اين مدل ها (كه هر دو شامل تعداد زيادى از اين ضرايب می باشند) هدف را دورتر قرار دهند تا دست نيافتن به آنرا به گردن توان كم شتابدهنده موجود بياندازند. مثال مشابهى مى توان آورد. فرض كنيد تئورى خاصى با ضرايب ثابتى داشته باشيم كه پيش بينى كند در صد كيلومترى اينجا یک معدن الماس وجود دارد. لیکن بعد از كلى تلاش و سرمايه گذارى براى رسيدن به محل مزبور، اثرى از معدن نمى يابيم. حال براى اينكه تئورى مورد نظر را به دور نريزيم با تعيير در مقادير ضرايب ثابت آن كارى مى كنبم كه محاسبات جديد نشان دهد که معدن در هزار كيلومترى هست چرا كه مى دانيم به اين زودى ها امكان رسيدن به حتى ٢٠٠ كيلومترى هم نيست چه برسد به ١٠٠٠ كيلومترى. متاسفانه، اين بازى موش و گربه همان كاريست كه فيزيك اواخر قرن بيستم تا امروز داشته است.

 

اکنون، با توجه به بحث بالا، به نظر شما فيزيك در سى سال گذشته در جا نزده است؟ عده زيادى از فيزيكدان های ىسرشناس دنيا اعتقاد دارند كه فيزيك با ناديده گرفتن نيروى جاذبه در تئوری هائی از نوع آنچه در بالا معرفی کردیم، نسبيت عام را با نسبيت خاص، هندسه ريمانى را با هندسه اقليدسى، و فضازمان ديناميك اینشتینی را با فضازمان استاتيك نیوتونی جايگزين كرده است و این را غیر از عفب گرد چیز دیگری نمی‌توان تعبیر کرد.

 

در مقاله هائى كه به دنبال اين بحث خواهيم داشت در مورد ابرتقارن و بخصوص نقش آن در تئورى ابرريسمان (superstring) و ابرگرانش (supergravity) صحبت خواهيم كرد و حركت فیزیک به سوى گرانش كوانتومى (quantum gravity) را كه آينده اميدوار كننده اى را نويد مى دهد مورد مطالعه قرار خواهيم داد.

 

همچنین، این بحث‌ها ما را متقاعد خواهد کرد که باید به فکر چارچوب کاملاً متفاوتی از آنچه تا امروز داشته‌ایم باشیم.

 

نظرات   

 
#3 امینامین روزبهانی 1395-06-05 21:29
با تشکر از شما استاد گرامی
 
 
#2 مقاله unificationنوشین تقی زاده خوئی 1394-01-17 09:25
استاد ارجمند سلام
این مقاله را بعد از جلسه 12 زبان ریاضی کوانتوم همان طور که فرمودید دوباره خواندم فکر می کنم خواندن این متون هر بار پیامی جدید دارد خصوصا این بار که مفهوم تقارن و یکپارچه سازی در جلسه 12 به تفضیل بیان شد اما زیبای آنها در این است که با یادگیری هر یک از مباحث که در این مقاله هم ذکر شده مانند اصل معادل، تئوری ریسمان و.... درک جدیدی از متن حاصل می شود
بسیار ممنون
 
 
+1 #1 قدردانیسیده صاحبه نبوی 1393-05-02 20:39
سلام
خیلی ممنون از مقاله خوبتون. خیلی جالب بود. البته باید چند بار دیگه با تعمق بیشتری بخونم تا ابهاماتم برطرف بشه.
یك اشکال تایپی هم این قسمت هست:
"دو نيروى ديگر طبيعت به نام هاى نيروى هسته اى ضعيف (كه اجزاى هسته اتم را در كنار هم قرار مى دهند) و نيروى هسته اى ضعيف (كه مسؤول تجزيه راديواكتيو است) هم كشف شدند"
که یکی از نیروها باید به هسته ای قوی تغییر پیدا کنه. مرسی

ناصرى:
با سلام و تشكر، در عبارت بالا اولى بايد به هسته اى قوى تغيير يابد كه در متن مقاله نيز اصلاح خواهيم كرد.
 

شما اجازه ارسال نظر ندارید. لطفا ابتدا عضو شوید