طبق فرضیه تازه ای مهم ترین معماهای فیزیک در دهه گذشته، یعنی جرم نوترینوها و آهنگ فزاینده انبساط جهان به ذرات زیر اتمی ای به نام اکسلرون مربوط می شود. شاید بتوان دو دستاورد بزرگ فیزیک در دهه ی گذشته را مربوط به کیهان شناسی دانست، یکی اینکه نوترینوها (ذرات زیراتمی بسیار کوچک) جرم ناچیزی دارند که البته هنوز اندازه گیری نشده است و دیگری اینکه سرعت انبساط عالم در حال حاضر در حال افزایش است. سه فیزیکدان در دانشگاه واشنگتن معتقدند که این دو کشف هر دو به گونه ای به ناشناخته ترین پدیده ی کنونی در عالم، یعنی انرژی تاریک مرتبط است - ما هنوز به درستی آن را نمی شناسیم، تنها می دانیم عاملی است که بر ضد گرانش، سبب سرعت بخشیدن به انبساط عالم می شود- آنها معتقدند همه چیز زیر سر ذره زیراتمی دیگری است که تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است و آن را " اکسلرون (Acceleron)" (شتابگر) نامیده اند. انرژی تاریک در عالم اولیه چندان قابل توحه نبوده است اما در حال حاضر 70درصد عالم را اشغال کرده است. شناخت انرژی تاریک به ما کمک می کند تا بدانیم چرا در زمان دوری در آینده عالم آن چنان وسعت پیدا می کند که دیگر هیچ کهکشانی در آسمان شب دیده نشود و آیا این انبساط تا ابد و بی نهایت ادامه خواهد داشت؟ در نظریه ی جدید مطرح شده نوترینوها تحت تأثیر نیروی جدیدی که از برهمکنش آنها با اَکسِلِرون ها ناشی می شود قرار می گیرند این- نیرو سبب می شود که نوترینوها از هم فاصله بگیرند. درست مثل اینکه یک تکه کش را از دو طرف بکشیم، هر چقدر بیشتر کشیده شود، انرژی بیشتری را در خود ذخیره می کند- در هر ثانیه تریلیونها نوترینو در کوره ی هسته ای ستاره ها از جمله خورشید ما ساخته می شوند.آنها در همه جای عالم جریان پیدا می کنند و میلیاردها نوترینو از هر نوع ماده ای، حتی بدن شما بدون هیچ برهمکنشی عبور می کنند. نوترینوها بار الکتریکی ندارند و جرم آنها هم آن قدر ناچیز است که هنوز اندازه گیری نشده است. آن نیلسون یکی از ارائه دهندگان نظریه ی جدید معتقد است برهمکنش میان اکسلرونها و ذرات دیگر از این هم ضعیف تر است، برای همین این ذرات تاکنون آشکار نشده اند. البتّه نیرویی که این ذرات بر نوترینوها وارد می کنند، آنها را تحت تأثیر قرار می دهد و به این ترتیب باید بتوان وجود چنین نیرویی را در آشکارسازهای نوترینوی فعلی که در نقاط مختلف کره ی زمین وجود دارد نشان داد. مدلهای مختلفی برای انرژی تاریک ارائه شده است، اما آزمودن آنها محدود به اندازه گیریهای دقیق در تغییر سرعت انبساط عالم است. این امر تنها با رصد اجرام بسیار دوردست امکان پذیر است، اما اندازه گیریهای دقیق در چنین فاصله هایی بسیار مشکل است. به گفته ی نلسون این تنها روشی است که ما می توانیم با به کارگیری آشکارسازهای فعلی در کره ی زمین به نیرویی که سبب افزایش انرژی تاریک در عالم می شود پی ببریم. محققان معتقدند جرم نوترینو در عبور از محیطهای مختلف، تغییر می کند، همان طور که عبور نور از هوا، آب یا یک منشور متفاوت است. در نتیجه آشکارسازهای مختلف بسته به اینکه در چه مکانی نصب شده اند، نتایج متفاوتی به دست خواهند آورد. اما اگر بپذیریم که نوترینوها نیز بخشی از انرژی تاریک هستند، وجود نیروی جدیدی می تواند این افت و خیزها را توضیح دهید. به عقیده ی نلسون این برهمکنش میان نوترینوها و اکسلرونها می تواند تا ابد انرژی لازم برای انبساط عالم را تأمین کند. تا پیش از این اخترشناسان به دنبال اطلاعاتی بودند که سرانجام تعیین کنند آیا عالم ما تا ابد منبسط خواهد شد، یا زمانی دوباره در یک " رُمبش بزرگ" منقبض شده و روی خودش بسته می شود. اما حالا باید به دنبال این باشیم که آیا سرعت انبساط عالم همچنان افزایش خواهد یافت یا در جایی ثابت خواهد ماند

.براساس نظریه ی جدید، هنگامی که فاصله ی نوترینوها بسیار زیاد شود، جرم آنها نیز آن قدر افزایش پیدا می کند که دیگر انرژی تاریک بر آنها اثری نخواهد داشت، در نتیجه شتاب انبساط عالم کم کم از بین می رود. و از آن پس عالم همچنان به انبساط خود ادامه خواهد داد، اما با سرعتی که دائماً در حال کاهش است

 

زمانی بود که وقتی از پایان جهان صحبت به میان می آمد، همان طور که «رابرت فراست» هم می گوید، میان دو گزینه آتش و یخ مجبور به انتخاب یکی بودید، یا دنیا آتش می گیرد و پایان می یابد یا یخ می زند و به انتها می رسد. اما ارزیابی های تعجب آور جدید از ستارگان دوردست که توسط تلسکوپ فضایی هابل صورت گرفته است نشان می دهد، یک انرژی تاریک ناشناخته رفته رفته و با قدرت زیاد در حال متلاشی کردن گیتی است. انیشتین این انرژی را که منشأ آن هنوز ناشناخته است پیش بینی کرده بود. با این حال بعدها او آن را بزرگترین اشتباه خود خواند. انیشتین گفته بود یک نوع نیروی جاذبه در حال فروپاشاندن گیتی است. قدرت این نیرو چنان زیاد است که طی میلیاردها سال عمر دنیا تغییری نکرده است.

نظریه پردازانی که در تلاش برای توضیح این نیروی مرموز هستند، می گویند این نیرو در طول زمان می تواند نیرومندترین یا ضعیفتر شود. این نیرو یا سرانجام دنیا را در یک لحظه و از هم می پاشاند یا در آینده دور رفته رفته آن را خاموش می کند؛ این آینده دور ده ها میلیارد سال با زمان حال فاصله دارد. اگر این نیرو خود به خود از میان برود، جاذبه بار دیگر بر گیتی مستولی می شود و جهان خود به خود فرو می پاشد.

چندی پیش دکتر «آدام ریس» از مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور(آمریکا) نخستین تصاویر قابل مشاهده و گستردهای را نشان داد که قدرت این نیروی ضد جاذبه را در طول زمان تحلیل می کرد. او گفت: داده های موجود نشان می دهد که کیهان رفته رفته توسعه می یابد، سرد و تاریک می شود و رفته رفته از بین می رود نه این که در یک لحظه و در یک واقعه ناگهانی نابود شود.دکتر «ریس» و تیم او که شامل چند استاد دانشگاه کالیفرنیا هستند از هابل برای جستجو و مطالعه ستارگان و ابرنواختران استفاده می کند. آنها 42 ابرنواختر جدید کشف کرده اند که شش یا هفت عدد از آنها از دورترین ابرنواختران شناخته شده اند.یافته های پژوهش های چند ساله آنها نشان می دهد، از میان نظریه هایی که درباره پایان دنیا وجود دارد نظریه انیشتین از همه بیشتر با اطلاعات موجود همخوانی دارد. دکتر «ریس» می گوید: آنچه ما یافته ایم نشان می دهد این نیرو یک انرژی تاریک نیمه دائم است و به نظر می رسد که مدت هاست با ماست و اگر تغییری می کند، این تغییر بسیار کند و آرام است. در گذشته که این اطلاعات را نداشتیم با نظریه انیشتین احساس نزدیکی نمی کردیم. اما اکنون فرق می کند.

دکتر «مایکل ترنر» کیهان شناس دانشگاه شیکاگو می گوید: «این بزرگترین راز همه تاریخ علم است، چه این انرژی تاریک در طول زمان تغییر بکند و چه نکند در ماهیت این راز تغییری ایجاد نمی شود. اطلاعاتی که به تازگی به دست آمده پیشرفت بزرگی است. این نخستین اطلاعات از این نوع است.اگرچه این نتایج جدید، پیش بینی یک قرن پیش انیشتین را تأیید میکند اما دکتر «ترنر» می گوید: «نمی توان با استناد به این نتایج جدید نظریه های دیگر را رد کرد. اطلاعات مزبور همچنان این احتمال را که نیروی ضد جاذبه ناگهان قدرت بگیرد و سیارات، ستارگان و حتی اتمها را متلاشی کند، تقویت می کند.»

ارزیابی های آینده ممکن است در گشودن راز این انرژی تاریک مؤثر باشند. اما دکتر «ریس» می گوید: نتایج تحقیقات و اطلاعات کنونی نشان می دهد، هر گونه تحول تسریع کننده که به قدرتمند شدن این انرژی تاریک منجر شود تا 30 میلیارد سال دیگر روی نخواهد داد. بسیاری از فیزیکدانان می گویند، این تخمین ها چندان مطمئن نیستند اما یافته های جدید ممکن است به ارزیابی دوباره مدل هایی منجر شود که حجم و تحولات این انرژی در فضا را پیش بینی می کنند. این مدل ها فعلاً چندان خوب نیستند. دانشمندان مؤسسه علوم فضایی هابل اخیراً در یک کنفرانس خبری آخرین نتایج یافته های خود را درباره موجود سیاه یا انرژی تاریک در دنیا اعلام کرده اند.

نخستین بار شش سال پیش دو گروه از منجمان از وجود یک نیروی مرموز به نام انرژی تاریک خبر دادند و اعلام کردند که این نیرو در حال متلاشی کردن دنیاست.

کیهان شناسان یک قرن است که فکر می کردند این نیرو در اثر جاذبه کیهانی کند و آرام شده است اما این دو گروه دریافتند که از 5 میلیارد سال پیش کهکشان ها در اثر این نیرو سرعت گرفته اند.در آن زمان وجود انرژی تاریک و حرف زدن درباره آن چندان جدی نبود، اما در سال های بعد یافته های جدید این موضوع را تقویت کرد و اکنون همه باور دارند که در جایی دور در آسمان ها، اتفاقاتی در حال روی دادن است. هیچ کس به راستی نمی داند این انرژی تاریک چیست.

اکنون صدها و هزاران ستاره شناس برای یافتن پرسشی برای این سؤال بزرگ شب ها با مجهزترین تلسکوپ ها و تجهیزات رو به آسمان قرار می گیرند. بعضی از آنها در پیروی از کار دو گروهی که شش سال پیش نخستین نشانه ها را دریافت کردند، در جستجوی نوعی ستاره در حال انفجار هستند به نام «ابرنواختر نوع اول.»

این ستارگان در فضا کاملاً مشخص هستند و دانشمندان را قادر می سازند تا درباره اندازه دنیا و میزان و چگونگی رشد آن در طول زمان اطلاعات مفیدی به دست آورند. گروه های دیگر تحقیقات خود را بر روی چگونگی تأثیر نیروی ضد جاذبه این انرژی تاریک بر رشد کهکشان ها متمرکز کرده اند. بعضی دیگر از ستاره شناسان و به ویژه گروهی از دانشگاه شیکاگو در حال ساخت مجموعه ای از رادیو تلسکوپ ها در قطب جنوب هستند تا به وسیله آن تحولات کهکشان ها را مطالعه کنند.یافته های جدید و ماجرای جذاب انرژی تاریک، تصمیم سازمان ناسا برای از بین بردن تلسکوپ فضایی هابل در فضا را زیر سؤال برده است.ناسا طراحی را در دست دارد که در آن مرگ تدریجی هابل در فضا پیش بینی شده است. کارشناسان ناسا می گویند بعد از حادثه پیش آمده برای فضاپیمای کلمبیا، اعزام یک هیأت جدید با یک فضاپیمای جدید به فضا بسیار خطرناک است.

دکتر «ریس» می گوید که با این تصمیم مخالف است و توقف کار هابل به معنای توقف تحقیقات بسیار مهم در سال های آینده است.همکاران این دانشمندان نیز که سال هاست در جستجوی یافته های جدید درباره ماجرای انرژی تاریک هستند. با نظر او موافقند. آنها از این که ناسا در حال بررسی چنین تصمیمی است حیرت زده شده اند و تأکید می کنند که هابل باید به عمر خود ادامه دهد.اخیراً پیشنهاد ارسال ماهواره ای به فضا مطرح شده که نام اختصاری آنSNAP است و برای مشاهده و مطالعه هزاران ستاره در حال انفجار از درون فضا طراحی می شود.

فیزیکدانان دانشگاه برکلی مسئول طراحی و ساخت این ماهواره هستند. انیشتین در سال 1917 در جستجو برای یافتن پاسخی به این سؤال که چرا گیتی به خودی خود متلاشی نشده است، نظریه انرژی تاریک را مطرح کرد. در سال 1929 «ادوین هابل» ستاره شناسی که تلسکوپ هابل به نام او نامگذاری شده است کشف کرد که دنیا و کیهان در حال توسعه است. در این تحلیل چنین تصور شده که نیروی جاذبه، این گسترش و توسعه را کند می کند و شاید روند آن را در طول زمان عکس کند. اما همان طور که گفته شد شش سال پیش دو گروه ستاره شناس دریافتند که این روند گسترش به جای تسریع در حال کند شدن است.جدیدترین یافته ها نشان می دهد که چیزی شبیه انرژی تاریک انیشتین در فضا در حال فعالیت است. در نظریه انیشتین توضیح داده نشده که چرا این انرژی از ابتدا به وجود آمده است. انرژی تاریک هیچگاه مستقیماً دیده نشده است. این موضوع شبیه یک داستان علمی تخیلی به نظر می رسد اما همه دانشمندان از گذشته تا به حال به وجود چنین نیروی ناشناخته ای معترف بوده اند.

برخی محاسبات دانشمندان درباره قدرت این انرژی به یک عدد واحد رسیده است که نام آن را «>W گذاشته اند. این عدد در حقیقت نسبت میان فشار و تراکم این انرژی تاریک است. شناختن این عدد و چگونگی تغییر آن در طول زمان ممکن است به شناسایی ماهیت این انرژی کمک کند.هدف دانشمندان از تحقیقات آینده ارزیابی عدد « >W با دقت 5 درصد است. اما حتی این ارزیابی ها هم می تواند به پایان کابوس انرژی تاریک منجر شود.با از بین رفتن تلسکوپ هابل کار صیادان انرژی تاریک پیچیده تر می شود. اما آنها از فعالیت باز نمی ایستند. با ادامه کار دانشمندان شاید زمانی در آینده نزدیک هیجان انگیزترین راز علم حل شود.

لبرت اینشتین، پل دیراک و دیگر فیزیکدانان در گذشته براى نوشتن جزئیات فرضیه هایشان در مورد نسبیت و مکانیک کوانتومى از مداد استفاده مى کردند. اکنون وارثان مدرن آنها براى اثبات آن تئورى ها از نوک مداد به شیوه اى دیگر استفاده مى کنند، شیوه بالقوه اى که ممکن است راه را به سمت نوع کاملاً جدیدى از الکترونیک نشان دهد.در واقع نوک مداد از جنس گرافیت است: یک کانى کربن دار که وقتى بر روى کاغذ کشیده مى شود نوشته را از خود بر جاى مى گذارد. این نوشته به دلیل آن است که لایه هاى اتمى به سادگى جدا مى شوند. این امر همچنین بدین معنى است که گرافیت هادى بسیار خوبى براى جریان برق است. سال گذشته، «آندره گیم» از دانشگاه منچستر انگلیس با استفاده از نوار چسب به برداشتن لایه هاى گرافیت پرداخت تا آن را به لایه اى که فقط یک اتم ضخامت داشت تبدیل کرد. آنها این لایه بسیار نازک گرافیتى را «گرافین» نامگذارى کردند. این ماده دوبعدى هنوز قابلیت هدایت برق را داشت که دلیل آن هم الکترون هاى شناور در ساختار لانه زنبورى اتم هاى کربن است. اما این الکترون ها برخى خواص غیرمعمول را نشان مى دادند. گروه گیم مشاهده کرد که حرکت این الکترون ها حتى در دماى بسیار پائین کند نمى شد. در اصل، الکترون ها به گونه اى رفتار مى کردند مثل اینکه فاقد جرم و یا به عبارت دقیق تر «جرم سکون» (Rest Mass) بودند. جرم سکون عبارتى است که در نسبیت خاص به کار برده مى شود. این موضوع همچنین بدین معنى است که گرافیت _یا حداقل نوع دوبعدى آن _ عمل هدایت جریان را هیچگاه متوقف نمى کند. محققین این ذرات نسبیت کاذبى (pseudo-relativistic) را «فرمیون هاى بدون جرم دیراک» نامگذارى کردند. آنها ثابت کردند که این ذرات در مقایسه با الکترون هاى موجود در سایر نیمه هادى ها به مراتب سریع تر حرکت مى کنند. بدین ترتیب این ذرات با معادله معروف E=Emc2 مطابقت داشته و از آن پیروى مى کنند (با سرعت واقعى شان یعنى ??? بار کمتر از سرعت نور جایگزین C مى شوند). فیزیکدانان دانشگاه کلمبیا به سرپرستى «فیلیپ کیم» این یافته ها را به طور مستقل تائید کرده و همچنین دریافتند که الکترون هاى بى جرم پیش بینى هاى اثر Hall را تائید مى کنند. (ادوین هال در سال ???? ثابت کرد که اگر یک میدان مغناطیسى در زاویه قائمه به یک ماده هادى اعمال شود، ولتاژى ایجاد مى شود که عمود بر جریان عادى موجود در آن ماده است.) این اثر در سطح کوانتومى نیز قابل اعمال است. بر اساس مطالعات هر دو گروه، این دقیقاً چگونگى عملکرد و رفتار الکترون هاى بى جرم در گرافین است. نهایتاً «کیم» مى نویسد هر چند که تحقیقات بیشترى نیاز است ولى این یافته ها ممکن است به کاربردهاى جدیدى در دستگاه هاى الکترونیک کربنى و الکرونیک-مغناطیسى منتهى شوند. همچنین این بدان معنى است که مى توان از گرافیت بر جاى مانده از یک مداد که به یک لایه به ضخامت یک اتم چسبانده شده براى اثبات فرضیه هایى که فیزیکدانان گذشته با خط بد نوشتند استفاده کرد.

انشمندانى که امیدوارند از نقاط کوانتومى به عنوان واحدهاى ساختمانى نسل جدید رایانه ها استفاده کنند، روشى براى ایجاد ارتباط بین آنها پیدا کرده اند.دانشجوى دکتراى دانشگاه «اوهایو» که به همراه پروفسور «سرجیو اولوآ» یافته هاى مربوط به این تحقیق را در مجله Applied Physics Letters به چاپ رسانده است، مى گوید: «اساساً نقاط کوانتومى با همدیگر صحبت مى کنند.» این نقاط بلورهاى کروى مهندسى شده اى با قطر حدود ? نانومتر هستند. اگر بخواهیم مقایسه اى انجام دهیم، مى توانیم بگوییم که قطر متوسط یک سلول حدود ???? نانومتر است.
محققان بر این باورند که نقاط کوانتومى مى توانند در توسعه فناورى نانو بسیار سودمند باشند، زیرا این نقاط تطبیق پذیر و یک شکل هستند و این امر باعث مى شود تا تغییرات و معایب احتمالى مواد حذف شوند. محققان در تحقیق اخیر براى اولین بار از یک مدل تئورى استفاده کرده و نشان دادند تابش انرژى نورى بر روى نقاط کوانتومى باعث مى شود آنها بلافاصله به صورت منسجم انرژى را منتقل کنند. آنها دریافتند اگر نقاط کوانتومى را در یک فاصله مشخص نسبت به همدیگر (بزرگ تر از شعاع نقاط) قرار دهیم، امواج نور میان این نانوبلورها با یک الگوى ثابت حرکت مى کنند.
در تحقیق قبلى هنگام انتقال امواج میان این ذرات، طول موج آنها تغییر کرده و یا مبادله انرژى به صورت نامنظم صورت مى گرفت و این امر موجب ایجاد اختلال در ارتباط میان نقاط کوانتومى مى شد. نتایج این تحقیق نشان مى دهد که مى توان راهى براى انتقال داده ها از طریق امواج نورى پیدا کرد که این امر زمینه را براى تولید رایانه کوانتومى نورى فراهم مى کند. در رایانه هاى معمولى موجود، انتقال اطلاعات توسط بار الکتریکى صورت مى گیرد ولى در رایانه هاى کوانتومى نورى این کار با استفاده از نور انجام خواهد شد.این فناورى جدید مبتنى بر نقاط کوانتومى مى تواند در تصویربردارى پزشکى نیز مورد استفاده قرار گیرد. نقاط کوانتومى را مى توان به بیمار تزریق کرد و سپس از ابزارى که داراى نقاط کوانتومى بیشترى است، براى تشخیص موقعیت آنها در زیر پوست بهره برد.بنا بر اظهار «اولوآ» در تحقیقات زیستى که بر روى موش ها صورت گرفته است، موفقیت زیادى با این روش تصویربردارى حاصل شده است. این نقاط کوانتومى، نسبت به مواد شیمیایى موجود که براى افزایش وضوح تصویربردارى استفاده مى شوند، اثرات جانبى کمترى داشته و در نهایت مى توانند جایگزین این مواد شوند.

اکتشافى که جایزه نوبل فیزیک امسال را از آن خود کرد اهمیتى اساسى در فهم ما از چگونگى کارکرد یکى از نیرو هاى بنیادین طبیعت داشته است. نیرویى که کوچک ترین ذرات ماده یعنى کوارک ها را به یکدیگر مى چسباند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک توانستند با کار هاى تئوریک خود مدل استاندارد ذرات بنیادى را کامل کنند. مدلى که کوچک ترین ذرات طبیعت و برهمکنش بین آنها را توضیح مى دهد.

نیروى برهمکنش قوى

نیروى برهمکنش قوى که اغلب به آن برهمکنش رنگى نیز مى گویند یکى از چهار نیروى بنیادین طبیعت است. این نیرو بین کوارک ها که ذرات بنیادى سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوکلئون ها هستند عمل مى کند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک خاصیتى از نیروى برهمکنش قوى را کشف کردند که به کمک آن مى توان توضیح داد به چه علت رفتار کوارک ها تنها در انرژى هاى بسیار زیاد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالى که بقیه ذرات بنیادى در انرژى هاى معمول نیز چنین رفتارى را از خود بروز مى دهند. به عبارت دیگر کوارک ها در انرژى هاى پایین همیشه در دل ذرات که از دو یا سه کوارک ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژى هاى پایین همیشه به صورت ترکیب شده باکوارک هاى دیگر دیده مى شوند.

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. تاجایى 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.نیروىالکترومغناطیسى 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 برروى 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 دیگرمشخص 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.   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.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.

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 انرژىبالا (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