این تئورى از بسیارى جهات توسط آزمایش هاى مختلفى به خصوص در سال هاى اخیر در آزمایشگاه سرن (CERN) بررسى شده است. این کشفیات توانسته اند پایه اى براى تئورى برهمکنش رنگ ها (کرومودینامیک کوانتومى (QCD پى ریزى نمایند.

مدل استاندارد و چهار نیروى بنیادى طبیعت

اولین نیرویى که انسان ها با آن آشنا شدند نیروى گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روى زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حرکت ستاره ها در کهکشان است. به نظر مى رسد که نیروى گرانش نیروى بسیار قوییاى است به عنوان مثال ارسال یک موشک به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژى و سوخت بسیارى دارد. با این حال در جهان ریز (میکرو سکوپیک) در مقایسه با نیروى بین ذراتى از قبیل الکترون و پروتون نیروى گرانش نیروى بسیار ضعیفى است [شکل (1)]. سه نیروى دیگر طبیعت که اثر آنها اغلب در حوزه جهان هاى ریز (میکروسکوپیک) دیده مى شود عبارتند از نیرو هاى برهمکنش.

الکترو مغناطیسى بر همکنش ضعیف و برهمکنش قوى. چگونگى عملکرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده مى شود. این نظریه، نظریه اى بسیار قوى است براى اینکه مى تواند نظریه نسبیت خاص اینشتین و مکانیک کوانتومى را یکجا دربربگیرد. (البته به خاطر مسائل و مشکلات تکنیکى هنوز نمى توان آن را نظریه اى کامل و سازگار دانست.)

مدل استاندارد مى تواند توضیحى براى کوارک ها، لپتون ها و ذراتى که نیروها را حمل مى کنند ارائه کند. کوارک ها به عنوان نمونه سازنده ذراتى مانند پروتون ها نوترون ها هستند.

الکترون ها که سازنده پوشش بیرونى اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تا جایى که مى دانیم الکترون ها خود از ساختار هاى ریزترى تشکیل نشده اند.

7برهمکنش الکترومغناطیسى سازنده نور و چسبندگى مواد

برهمکنش الکترو مغناطیسى مى تواند توصیفى مشترک براى بسیارى از پدیده ها که در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطکاک، مغناطیس و علت اینکه چرا جسمى بر روى میز از درون میز عبور نمى کند، به کمک این نیرو قابل توضیح هستند.نیروى الکترومغناطیسى که در اتم هیدروژن، الکترون و پروتون را به هم پیوند مى دهد به اندازه غیرقابل تصور 1041 بار از نیروى گرانشى بین آ نها قوى تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله کاهش مى یابد با این حال نیروى هاى بلند برد محسوب مى شوند.

هر دوى این نیرو ها یعنى الکترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل که به ترتیب فوتون (ذرات نور) و گراویتون هستند حمل مى شوند. برخلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهى کشف نشده است. دلیل بلندبرد بودن این دو نیرو را مى توان به کمک این واقعیت که ذرات حامل این نیرو ها بدون جرم هستند توضیح داد.فیزیکدانان توانسته اند به کمک تئورى الکترودینامیک کوانتومى QED توصیف مناسبى براى برهمکنش الکترو مغناطیسى ارائه نمایند. این تئورى یکى از موفقیت آمیزترین تئورى هاى فیزیکى است که با دقت یک در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهى توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایزه نوبل فیزیک در سال 1965 را براى این نظریه از آن خود کردند. یکى از دلایل موفقیت این نظریه وجود یک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ با مقدار 137/1 در معادلات است. وجود این ثابت کوچک تر از یک این امکان را فراهم مى سازد که براى محاسبه اثر نیروى الکترو مغناطیس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضى که به آن روش حل اختلالى مى گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت.

یکى از خواص مهم نظریه الکترو دینامیک کوانتومى (QED) این است که ثابت کوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادیر مختلفى دارد. این مقدار با افزایش انرژى افزایش مى یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN مقدار آن به جاى 137/1 ، 128/1 در انرژى حدود 100 بیلیون الکترون ولت اندازه گیرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه این منحنى داراى یک شیب آرام به سمت بالا خواهد بود که فیزیکدانان اصطلاحاً مى گویند شیب منحنى یا تابع بتا مثبت است.

7برهمکنش ضعیف و واپاشى رادیواکتیویته

نیروى برهمکنش ضعیف توسط ذرات بوزونى +- Wو Z0 حمل مى شود که برخلاف فوتون و گراویتون داراى جرم هستند (حدود 100 برابر جرم پروتون!) و این توضیحى است براى اینکه چرا این نیرو یک نیروى کوتاه برد است. این نیرو هم بر روى کوارک ها و هم بر روى لپتون ها اثر مى کند و علت واپاشى رادیواکتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیکى با نیروى الکترو مغناطیس دارد به طورى که فیزیکدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نیروى واحدى به نام برهمکنش الکترو ضعیف وحدت ببخشند (1970). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندى این دو نیرو در یک نظریه واحد جایزه نوبل سال 1999 را از آن خود کردند.





برهمکنش قوى _ بار و رنگ

از دهه 1960 مشخص شده بود که پروتون و نوترون از ذرات بنیادى ترى به اسم کوارک ساخته شده اند. اما نکته عجیب این بود که امکان ساخت ذره کوارک به صورت آزاد وجود نداشت. آنها همیشه محبوس هستند و این خاصیتى بنیادى براى این ذرات است.

تنها جمع کوارک ها به صورت دوتایى و سه تایى مى تواند وجود داشته باشد. بار الکتریکى کوارک ها کسرى از بار الکتریکى پروتون است به صورت یک سوم یا دو سوم بار پروتون و این خاصیتى است عجیب که هنوز توضیحى براى آن یافت نشده است. هر کوارک علاوه برداشتن بار الکتریکى خاصیت ویژه دیگرى نیز دارد که مانند بار الکتریکى کمیتى کوانتنیزه است و تنها مى تواند مقادیر ویژه اى داشته باشد. به این خاصیت بار رنگى گفته مى شود. کوارک ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر کوارک یک پادکوارک نیز وجود دارد مانند پوزیترون که پاد ذره الکترون است. پادکوارک ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى یا پاد سبز هستند. جمع کوارک هایى که در طبیعت مى توانند وجود داشته باشند باید داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور که تشکیل مولکول هاى خنثى (از نظر الکتریکى) به خاطر جاذبه الکتریکى بین اجزاى مثبت و منفى آن است. نیروى بین پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نیروى بین بار هاى رنگى کوارک هاى تشکیل دهنده آنها به وجود مى آید.نیروى بین کوارک ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. این ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همین خصوصیت باعث پیچیدگى توضیح این نیرو و تفاوت آن با نیروى الکترو مغناطیس است.

براى سال ها فیزیکدانان اعتقاد داشتند که نمى توان روشى براى محاسبه برهمکنش قوى میان کوارک ها یافت که شبیه روش محاسبات برهمکنش هاى الکترو مغناطیسى و ضعیف باشد. به این دلیل که ثابت کوپلاژ براى برهمکنش قوى بزرگ تر از یک است و نمى توان روش اختلالى فاینمن (که در بالا توضیح داده شد) را براى محاسبات این نظریه به کار برد. متاسفانه تا به امروز نیز روش رضایت بخشى براى محاسبه برهمکنش قوى یافت نشده است.به نظر مى رسد که شرایط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنکه تابع بتا براى این تئورى مثبت باشد که در نتیجه ثابت کوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزایش مى یابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.کورت زیمانسکى فیزیکدان آلمانى دریافت که تنها راه رسیدن به یک نظریه معقول پیدا کردن یک تابع بتا منفى براى این نظریه است. این رهیافت همچنین مى تواند علت آنکه گاهى اوقات کوارک ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشکار مى سازند توضیح دهد. اثرى که در آزمایش برخورد میان الکترون و پروتون دیده مى شود.

متاسفانه زیمانسکى خود نتوانست به این نظریه دست یابد حتى جرارد هوفت در تابستان 1972 به این کشف نزدیک شده بود ولى فیزیکدانان دیگر ناامید شده بودند زیرا شواهد نشان مى داد که یک نظریه واقعى باید داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه دیگر مشخص شده است که این موضوعى نادرست است زیرا در ژانویه 1973 دو مقاله پى در پى در مجله فیزیکال ریویولترز توسط گراس و ویلچک و دیگرى توسط پولیتزر به چاپ رسیدند که در کمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادیر منفى داشته باشد. آنها زمانى این کشف را انجام دادند که کاملاً جوان بودند در این حد که حتى گراس و ویلچک هنوز دانشجویان تحصیلات تکمیلى بودند.مطابق نظریه آنها حامل هاى نیروى برهمکنش قوى یعنى گلوئون ها داراى خاصیتى غیرمنتظره و ویژه هستند به این صورت که آنها نه تنها با کوارک ها بلکه خودشان نیز برهمکنش مى کنند.طبق این خاصیت هنگامى که کوارک ها به یکدیگر نزدیک مى شوند برهمکنش بار رنگى میان آنها کاهش مى یابد. کوارک ها موقعى به یکدیگر نزدیک مى شوند که انرژى آنها افزایش یافته باشد و طبق این نظریه اندازه برهمکنش در این هنگام کاهش مى یابد. این خاصیت که به آن «آزادى مجانبى» مى گویند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت دیگر برهمکنش با افزایش فاصله افزایش مى یابد که این مى تواند توضیحى براى این باشد که چرا کوارک ها همیشه در نوکلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى این امکان را فراهم مى سازد که بتوان فاصله اى را که در آن کوارک ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى کنند، محاسبه کرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسیار زیاد با یکدیگر مى توان آنها را به اندازه کافى به یکدیگر نزدیک کرد. هنگامى که آزادى مجانبى کشف شد و نظریه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسیار خوبى با نتایج آزمایشگاهى از خود نشان دهند. شکل 27 آبشار ذرات حقیقت را فاش مى کند.

یکى از مهم ترین اثبات هاى نظریه QCD توسط آزمایش برخورد الکترون و پاد ذره آن یعنى پوزیترون در انرژى هاى بالا صورت مى گیرد. در این آزمایش الکترون و پوزیترون یکدیگر را نابود مى کنند و مطابق معادله اینشتین E=mc2 انرژى این ذرات مى تواند به صورت ذرات جدیدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات کوارک. در این فرآیند ذرات کوارک در فواصل بسیار نزدیک به هم آفریده مى شوند و با سرعت بسیار زیادى از یکدیگر دور مى شوند. امروزه مى توان این فرآیند را به کمک مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه کرد.در حقیقت وقتى کوارک ها مى خواهند از یکدیگر دور شوند تحت تاثیر نیروى افزایش یابنده برهمکنش قوى قرار مى گیرند (در بخش قبل توضیح داده شد) که این نیرو باعث تولید زوج ذرات جدید کوارک مى شود و بدین ترتیب آبشارى (رگبارى) از ذرات در جهت کوارک و پادکوارک اولیه تولید مى شود. با این حال این فرآیند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اولیه را در خود نگه مى دارد که مى توان تاثیر آن را بر احتمالات وقایعى که در آبشار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه کرد. نتایج این محاسبات با آزمایش ها توافق زیادى دارد.واقعه بسیار قانع کننده دیگرى که در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر 1970 یافت شد وجود سه آبشار در آ زمایشات بود که این فرآیند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از کوارک _ پادکوارک اولیه به خوبى توضیح داد. (شکل سه)آزادى مجانبى حتى توانست پدیده اى را که قبلاً در شتاب دهنده استانفورد دیده شده بود توجیه نماید. (فریدمن_ کندال و تیلور- جایزه نوبل 1990) اجزاى سازنده پروتون ها که داراى بار الکتریکى هستند (کوارک ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى کنند در این حالت اندازه حرکت کوارک ها تنها نصف اندازه حرکت پروتون ساخته شده از آنها است و بقیه اندازه حرکت پروتون ناشى از اندازه حرکت گلوئون ها است.

آیا مى توان نیروهاى طبیعت را وحدت بخشید





به وجود آمدن امکان توصیف واحد براى نیروهاى طبیعت

QCD یکى از جالب ترین آثار آزادى مجانبى در نظریه است. هنگامى که نمودار مقدار ثابت کوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمکنش هاى الکترومغناطیسى، ضعیف و قوى بررسى مى کنیم، این موضوع آشکار مى شود که این سه نمودار یکدیگر را در یک نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقریبى نه به صورت دقیق) قطع مى کنند و در این نقطه مقدار یکسانى دارند. بدین ترتیب مى توان دید که این سه نیرو با همدیگر یکى شده اند و این یکى از رویاهاى قدیمى فیزیکدانان است که دوست دارند قوانین طبیعت را به ساده ترین زبان ممکن توضیح دهند.با این حال براى آنکه رویاى وحدت نیروها به واقعیت بپیوندد باید اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. یک راه ممکن در نظر گرفتن ذرات جدیدى به اسم ذرات ابرتقارن است که اگر جرمشان به اندازه کافى کم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت LHC در CERN بررسى کرد.اگر ابرتقارن کشف شود مى تواند پشتوانه قویى براى نظریه ابرریسمان ها باشد که آن نیز شاید بتواند نیروى گرانش را با بقیه نیروها وحدت ببخشد. صرف نظر از این پیشرفت ها کشف آزادى مجانبى در QCD تغییرات عمیقى را در فهم ما از نیروهاى بنیادین طبیعت به وجود آورده است.