جهان از چه چيزي ساخته شده است ؟ (نظريه‌ي ريسمان)

[MOHAMMAD REZA]

نظريه‌ي ريسمان

جهان از چه چيزي ساخته شده است ؟
اين پرسش چه‌قدر براي شما آشناست ؟ تا کنون چه‌قدر به اين موضوع فکر کرده ايد؟
شايد باور نکنيد اين پرسش ظاهراً ساده بيش ترين زمان ها و خلاق ترين ذهن ها را در طول تاريخ به خود مشغول کرده است .
نظريه ريسمان آخرين تلاش انسان براي يافتن پاسخ اين پرسش ساده است.
پيش از آن‌که ببينيم اين نظريه چيست و چه ادعايي دارد خوب است اطلاعاتمان را درمورد ماده مرور کنيم:
علوم راهنمايي يادتان هست؟ آن جا ياد گرفتيم ماده از اتم ساخته شده است .و اتم يعني تجزيه ناپذير. حتماً يادتان هست که دموکريتوس فيلسوف يوناني اين نظريه را نخستين بار ارائه کرده بود. وقتي بزرگ تر شديم در فيزيک دبيرستان آموختيم که اتم نيز به نوبه خود از سه جزء اصلي تشکيل شده است : پروتون ، نوترون و الکترون .
نوترون ها و پروتون ها در هسته اند ، در حالي که الکترون ها به دور هسته مي چرخند. اما اين روند تا کجا ادامه خواهد داشت؟
آيا الکترون ها ، پروتون ها و نوترون ها نيز خود از ذرات کوچک تري تشکيل شده اند؟
دانش کنوني ما درباره ي ترکيب زير اتمي جهان در نظريه اي به نام مدل استاندارد ذرات مادي (standard model) خلاصه مي شود.
اين مدل هم اجزاي بنيادي ماده که جهان از آن ها ساخته شده را توصيف مي کند و هم نيروهايي که از طريق آن ها اين ذرات با يکديگر بر هم کنش دارند.

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

بر طبق اين مدل الکترون واقعاً يک ذره ي بنيادي است . يعني يکي از ذراتي است که سنگ بناي آفرينش است و خود از اجزاي کوچک تري تشکيل نشده است . اما نوترن ها و پروتن ها ذرات بنيادي نيستند و از ذرات کوچکتري به نام کوارک تشکيل شده اند. تا جايي که مي دانيم کوارک ها ذرات بنيادي هستند. در واقع طبق مدل استاندارد ذرات مادي 12 ذره بنيادي در طبيعت وجود دارند. يعني 12 نوع ذره که سنگ بناي آفرينش اند. و ماده در طبيعت از آن ها ساخته شده است . 6 تا از اين ذرات بنيادي کوارک هستند . اين کوارک ها نام هاي جالبي دارند:

بالا(up)، پايين(down) ، عجيب(strange)، عفريت(charm) ، سر(top) و ته(bottom).
براي مثال يک پروتون از 2 کوارک بالا و يک کوارک پايين تشکيل شده است . 6 ذره ي بنيادي ديگر لپتون‌ها هستند. لپتون ها شامل الکترون و دو هم خانواده ي سنگين تر او يعني ميوئون (muon) و تاون (taun) و نيز 3 نوترينو(nutrinos) با طعم هاي مختلف هستند .
اگر‌چه نور ازامواج تشكيل شده است فرضيه‌ي كوانتم پلانك مي‌گويد كه از جهات معيني رفتار نور چنان است كه گويي مجموعه اي از ذرات است: نور تنها به‌صورت بسته‌هاي خاص يا كوانتم‌ گسيل يا جذب مي‌شود. از سوي ديگر، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ متضمن آن است كه ذرات از پاره‌اي جهات چونان امواج رفتار مي‌كنند: آن‌ها وضعيت معيني ندارند بلكه با توزيع احتمال معيني در فضا پخش مي‌شوند. نظريه‌ي كوانتم مكانيك برنوع كاملاً جديدي از رياضيات استوار است كه ديگر جهان را به فراخور نياز با مدل مناسب توصيف مي‌كند. بنا براين ميان توصيف يك شي‌ء اعم از نور يا ماده برمبناي مدل ذره‌اي وتوصيف آن برمبناي مدل موجي يك دوگانگي وجود دارد. به اين توصيف دوگانه، دوگانگي موج- ذره گفته مي‌شود.

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

در طبيعت 4 نيروي بنيادي وجود دارد: گرانش ، الکترومغناطيسي، نيروي ضعيف هسته اي و نيروي قوي هسته‌اي
گرانش و الکترو مغناطيس دور برد هستند و به همين دليل است که اين دو نيرو مدت ها است شناخته شده‌اند. دو نيروي هسته اي کوتاه برد هستند و بنابر اين در مقياس فاصله هايي كه در زندگي روزمره با آن سر وكار داريم عموماً مشاهده نمي شوند.
نيروهاي هسته اي صرفاً در اين قرن شناخته شده اند . نيروي قوي هسته اي همان نيرويي است كه مسئول به هم بستن پروتن ها و نوترن ها براي ساخت هسته اتم است. اما نيروي ضعيف هسته اي نيرويي کاملاً متمايز است و تنها در پديده هايي همچون واپاشي پرتوزا پديدار مي شود. اين نيرو تنها نيرويي است که از قانون تقارن راست و چپ يا پاريته (هم پايه گي ) پيروي نمي‌كند.
مدل استاندارد ادعا مي کند که براي انتقال اين نيرو ها، ذراتي به نام حامل هاي نيرو بايد وجود داشته باشد . مثلاً آشناترين اين ذرات فوتون ، ذره اي از نور است که واسط نيروي الکترومغناطيسي است. اين يعني اين که مثلاً يک آهنربا ، يک ميخ آهني را به اين خاطر جذب مي کند که بين آن ها فوتون رد و بدل مي شود. به همين ترتيب گراويتون ذره اي است که نيروي گرانش را حمل مي کند. گراويتون ذره‌اي است كه تا کنون مشاهده نشده ولي برخي از فيزيکدانان به وجود آن چنان معتقدند که به وجود فوتون.
نيروي قوي را ذراتي به نام گلوئون(glouns) جابه‌جا مي‌كنند و بالاخره نيروي ضعيف توسط 3 ذره به نام هايz و w+ و w-منتقل مي‌شوند. براي وجودگلوئون‌ها گواه قانع‌كننده‌اي وجود دارد، ذرات w و z نيز در شتاب دهنده ها مستقيما ردگيري شده اند( در واقع مدل استاندارد وجود بوزون هاي w,zرا پيش از آنکه يافته شوند پيش بيني کرد ).
هم‌چنين اين نظريه وجود ذره اي به نام بوزون هيگز(Higgs Boson) را پيش بيني کرد‌ه است که هنوز براي کشف آن تلاش مي شود.

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

تا اين جا همه چيز خوب است اما در واقع دو مشکل اساسي وجود دارد :

يکي از اين مشکلات ظاهراً زيبايي شناختي است و ديگري فني.
مشکل زيبايي شناختي حتي براي افراد غير متخصص هم آزاردهنده است . چرا بايد تعداد نيروها و ذرات بنيادي اين قدر زياد باشد؟ مشکل زيبايي شناختي حتي براي افراد غير متخصص هم آزاردهنده است . چرا بايد تعداد نيروها و ذرات بنيادي اين قدر زياد باشد؟ فهرست نام ذرات بنيادي و نيروهايي که در بالا نام برديم را مرور کنيد . الکترون ،ميوئون ، نوترينو ، کوارک ، بوزون w ، گلوئون ، گراويتون ، و ...
حتماً قبول داريد که اين فهرست نسبتاََ بلند است. مجموعه‌ي‌آن‌ها کم کم شبيه يک باغ وحش به نظر مي رسد . باغ وحشي از ذرات !!!
اما دليل فني :
مدل استاندارد رفتار همه ذرات و نيروهاي بنيادي را بدون کم وکاست توصيف مي کند . ولي اين توصيف يک استثناي خيلي مهم دارد : گرانش .
به دلايل فني نيروي گرانش که آشناترين نيرويي است که با آن سر و کار داريم به سختي به طور ميکروسکوپي قابل آزمايش شدن است .
اما چه رازي در گرانش و ذره هم‌بسته‌ي آن گراويتون وجود دارد که آن را از ساير نيروها و ذرات بنيادي متمايز مي‌کند آن‌چنان‌که مدل استاندارد با همه قدرتش از توضيح و توصيف رفتار آن ناتوان است؟ !

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

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؟!

در قسمتهای 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 فرقداشته 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!

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

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.

ادامه دارد...

[MOHAMMAD REZA]

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!).


ادامه دارد...