این مطلب برای کسانی است که تازه به فیزیک علاقه مند شده اند ...
این مطلب برای کسانی است که تازه به فیزیک علاقه مند شده اند و در مورد مباحثی است که باید پیش از


ورود به فیزیک مدرن بخوانند:

مکانیک


و پیش نیاز های اساسی فیزیک  مباحثی از از هندسه است که برای درک بهتر از فیزیک به آنها نیازمندیم. در آینده

با مطالب پایه ی فیزیک خواهم آمد.

نوشته شده توسط پژوهشگران جوان فیزیک نوین در سه شنبه بیست و پنجم تیر 1387 ساعت 14:33 | لینک ثابت |

آيا اصل هايى عميق تر از عدم قطعيت و عدم موضعيت وجود دارد؟

چارلز سيف

آلبرت اينشتين در سال ۱۹۲۶ نوشت: «مكانيك كوآنتوم بسيار باشكوه است. اما ندايى درونى به من مى گويد كوآنتوم هنوز مفهومى واقعى نيست.» پس از سال ها كه نظريه كوآنتوم به بلوغ رسيده است، آن ندا آرام تر شده است، اما هيچ گاه خاموش نشده بود. در بطن همخوانى ستايش آميز از نظريه كوآنتوم هميشه زمزمه اى مبهم به گوش رسيده است. نظريه كوآنتوم در واپسين سال هاى قرن نوزدهم متولد شد و خيلى زود به يكى از ستون هاى فيزيك جديد بدل شد. اين نظريه با دقتى باورنكردنى رفتار عجيب و غريب و دور از انتظار ذرات بسيار ريزى همچون اتم ها، الكترون ها و ساير موجودات جهان زير ميكروسكوپى را توصيف مى كند. اما موفقيت مكانيك كوآنتوم به قيمت مشقت بسيار حاصل شده است. كاركرد معادلات مكانيك كوآنتوم بسيار خوب است اما به نظر مى رسد كه كاملاً بى معنى هستند. بدون توجه به اينكه چه نظرى در مورد مكانيك كوآنتوم داشته باشيم، اين معادله ها رفتار ذرات را به شيوه اى كه در تضاد با شهود ما باشند، مجاز مى شمارد. براى مثال چنين ذراتى مى توانند در وضعيت «برهم نهى» باشند. يعنى اين ذرات مى توانند در آن واحد داراى دو خاصيت مجزاى كاملاً منحصر به فرد باشند. براى مثال رياضيات نظريه كوآنتوم مى گويد يك اتم مى تواند تا زمانى كه اختلالى ايجاد نشده و كسى آن را مشاهده نكرده است، در آن واحد هم در سمت راست جعبه و هم در سمت چپ جعبه باشد. اين ايده امروز تقريباً همانقدر محل بحث است كه ۸۰ سال پيش بود؛ زمانى كه اروين شرودينگر برهم نهى را با مثال گربه اى نيمه مرده- نيمه زنده توصيف كرد. نكته در اين است كه مكانيك كوآنتوم معنى «وجود داشتن» را تغيير مى دهد. در دنياى كلاسيك هر جسمى واقعيت محض دارد: حتى يك ابر گاز را مى توان به خوبى به صورت توپ هاى كوچك سخت بيليارد تصور كرد كه هركدام از اين توپ ها سرعت و موقعيت كاملاً تعريف شده اى دارند. به نظر مى رسد كه نظريه كوآنتوم آن واقعيت محض را متزلزل مى كند. در حقيقت اصل مشهور عدم قطعيت كه مستقيماً از رياضيات نظريه كوآنتوم سربرآورده است، مى گويد موقعيت و اندازه حركت ذره تعريف نشده است و كسب اطلاع در مورد يكى به معنى از دست دادن اطلاعات در مورد ديگرى است. فيزيكدانان كوآنتوم كه با اين عدم قطعيت سروكار دارند، مى گويند «وجود دارد»- در مورد اجسام بنيادى كه موضوع معادلات نظريه كوآنتوم است- به اين معنى نيست كه اينها حقيقتاً ذره نيستند كه واقعيت خارجى داشته باشند بلكه «احتمال موج» هستند كه فقط زمانى كه ناظر اندازه گيرى را انجام مى دهد، قابليت تبديل شدن به واقعيت را مى يابند. اين مفهوم كه از آن با عنوان تعبير كپنهاگ ياد مى شود، وقتى معنا مى يابد كه بپذيريد واقعيت، موج احتمال است و نه اجسام محض. با اين همه هنوز هم نمى توان مفهوم عجيب ديگر نظريه كوآنتوم يعنى: عدم موضعيت را به طور كامل شرح داد. در سال ۱۹۳۵ اينشتين طرحى را ارائه كرد كه هنوز هم در تضاد با عقل سليم است. در آزمايش ذهنى وى دو ذره از يكديگر جدا شده و به دو سوى مختلف كهكشان مى روند. اما اين دو ذره «درهم تنيده» هستند (يعنى به لحاظ مكانيك كوآنتوم مستقل از هم نيستند) و به همين دليل هر ذره آناً «احساس» مى كند كه براى همزادش چه روى داده است. يكى را اندازه بگيريد، آنگاه ديگرى نيز آناً اندازه گيرى شده است؛ انگار همزادان به طريقى مرموز به رغم فاصله بسيار زياد فضايى به طور آنى با يكديگر ارتباط برقرار مى كنند. اين «عدم موضعيت» يكى از نتايج رياضيات نظرى كوآنتوم است و در آزمايشگاه نيز اندازه گيرى شده است. اين كنش وهمناك آشكارا فاصله و جريان زمان را ناديده مى انگارد. در نظريه، اين ذرات مى توانند پس از آنكه درهم تنيدگى آنان سنجيده شده است، درهم تنيده بمانند. در يك سطح مى توان گفت كه عجيب و غريب بودن نظريه كوآنتوم مسئله اى ايجاد نمى كند. چارچوب رياضيات نظريه سالم و بى عيب است و تمام اين پديده هاى عجيب را به خوبى توصيف مى كند. چه مشكلى پيش مى آيد اگر ما انسان ها نتوانيم واقعيت فيزيكى متناسب با معادلات خود را تصور كنيم؟ تاكنون روش اين بود كه براى به دست آوردن تفسير مكانيك كوآنتوم مى گفتند: «ساكت شو و محاسبه كن» اما به نظر بسيارى ديگر ناتوانى ما در درك نظريه كوآنتوم، بيانگر آن است كه هنوز حقايق عميق ترى باقى مانده است كه بايد آنها را درك كنيم. بعضى از فيزيكدانان گروه دوم به شدت سرگرم طراحى آزمايش هايى هستند كه مى تواند به بطن شگفتى نظريه كوآنتوم راه يابد. آنان به آرامى سرگرم آزمايشند تا دريابند كه چرا برهم نهى كوآنتومى «فرو مى پاشد». اين محققان ممكن است در اين آزمايش ها به درك نقش اندازه گيرى در نظريه كوآنتوم نائل آيند و همراه با آن پى ببرند كه چرا رفتار اجسام بزرگ با رفتار اجسام كوچك تفاوت دارد. ديگران نيز در جست وجوى راهى براى آزمودن تفسيرهاى مختلف از پديده هاى شگفت نظريه كوآنتوم هستند. از جمله اين پديده ها مى توان به «جهان هاى چندگانه» اشاره كرد كه مفاهيمى چون برهم نهى، درهم تنيدگى و ساير پديده هاى كوانتومى را با وجود جهان هاى موازى توضيح مى دهد. دانشمندان اميدوارند تا از دستاوردهاى چنين تلاش هايى به ناخشنودى اى كه منجر شد اينشتين بگويد: «خدا تاس نمى اندازد» غلبه كنند.

شرق آنلاين

بر همکنشها - نیروهای اساسی

برهمکنش قوی

فیزیکدانان که هنوز از موفقیت تئوری الکتروضعیف دچار گیجی بودند، توجه خود را به حل نیروی قوی معطوف نمودند
منشا تئوری واکنش قوی به سال 1935 برمی‌گردد وقتی که فیزیکدان ژاپنی «هیدکی یوکاوا» پیشنهاد داد که پروتونها و نوترونها توسط یک نیروی جدید که توسط مبادله ذراتی به نام «پی مزون» خلق می‌شود در هسته اتم با یکدیگر نگه داشته می‌شوند
در دهه‌های 1950 و 1960 فیزیکدانان از شکننده‌های اتم در آزمایشگاه‌ها موفق به کشف صدها نوع از ذرات واکنش قوی که «هادرون»ها نامیده می‌شوند شدند(که شامل هم مزون و هم دیگر ذرات واکنش قوی مانند پروتون و نوترون می‌باشند
هیچکس نمی‌توانست بیان نماید چرا دنیایی که تا دهه 1930 بوضوح ساده بنظر می‌رسید به یکباره اینچنین پیچیده شد. زمانی تصور می‌شد که کل کائنات از چهار ذره و دو نیرو (الکترون، پروتون، نوترون، نوترینو، نور و گرانش) ساخته شده، اما فیزیکدانان با سیلی از هادرون‌های جدید که در آزمایشگاهها کشف شدند مواجه گردیدند. یک تئوری جدید نیاز بود تا به این هرج و مرج سر و سامان بدهد
در آن زمان «اپنهایمر» به شوخی گفت که "جایزه نوبل باید به فیزیکدانی داده شود که امسال یک ذره جدیدی را کشف نکرده باشد". تا سال 1984 بیش از دویست ذره جدید کشف شد
فیزیکدانان همانند «مندلیف» که تقریبا در یک قرن پیش قانون‌مندی عناصر طبیعت و تنظیم آنها در «جدول مندلیف» را انجام داد، شروع به جستجو برای تقارنی کردند که با آن بتوان همه هادرون‌ها را طبقه‌بندی کرد. در اوایل دهه 1960 «گل‌مان» نشان داد که می‌توان هادرون‌ها را در یک الگوی هشت‌تائی گروه‌بندی کرد. او همانند مندلیف توانست وجود و حتی خواص ذراتی را که تا آن زمان کشف نشده بودند، پیش‌گویی کند. اما اگر این الگو، قابل مقایسه با جدول مندلیف بود، در آن چه چیزهایی جای الکترون‌ها و پروتون‌ها را می‌توانستند بگیرند؟
بعدها کشف شد که این الگو به خاطر وجود ذرات زیرهسته‌ای که به آنها لقب کوارک دادند، بوجود می‌آید. در حقیقت با ترکیب سه نوع کوارک می‌توانستند تمام ذراتی که در آزمایشگاهها تولید می‌شدند را توصیف کنند

در کل شش نوع کوارک وجود دارد که دو تا دو تا شناخته می‌شوند

Up/down , charm/strange, top/bottom

بار الکتریکی کوارکها به صورت کسری می‌باشد، مثلا 3/1 و 3/2 ، هادرونها ازکوارکها تشکیل شده اند اگر چه کوارکها دارای بارهای الکتریکی کسری میباشند ولی هادرونی که از ترکیب آنها بدست میاید دارای بار الکتریکی صحیح ایست. کوارکها علاوه بر بار الکتریکی حامل یک نوع بار دیگر به نام «بار رنگی» نیز می‌باشند. نیروی مابین ذرات دارای بار رنگی خیلی قوی است ؛ به همین دلیل است که این نیرو نیروی قوی نامیده میگردد. ذرات حامل این نیروی قوی که بین کوارکها رد و بدل می‌شود، «گلئون»ها نام دارند. بار رنگی نسبت به بارالکترومغناطیسی دارای ماهیت متفاوتی است، گلوئون‌ها خودشان نیز دارای بار رنگی هستند که این امر موجب شگفتی بیشتر آنها می‌گردد زیرا برعکس فوتونها که ذرات حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند می‌باشند، فوتونها با وجود اینکه حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند ولی خودشان فاقد بارالکتریکی می‌باشند. از طرفی هادرون‌ها که از کوارکها تشکیل می‌شوند فاقد بار رنگی می‌باشند و از نظر بار رنگی خنثی هستند، به همین دلیل است که ما اثرات این نیروی قوی را فقط در بین هادرونها می‌بینیم. تئوری‌ای که این نیرو را توضیح میداد، «کرومودینامیک کوانتوم» نام داشت.
در سال 1974 ، «شلدون گلاشو» و «هوارد جرجی» تئوری‌ای پیشنهاد کردند که طی آن نیروی قوی با الکتروضعیف متحد می‌شد و آنرا «تئوری وحدت بزرگ» (گات) نامیدند.
این تئوری پیشگویی می‌کند که کوارک می‌تواند تبدیل به الکترون شود. این همچنین بدان معنا است که پروتون میتواند به الکترون تبدیل شود. زیرا پروتون از سه کوارک تشکیل شده است
هرچند تئوری گات پیشرفتی قابل توجه را در اتحاد نیروی الکتروضعیف با نیروی قوی عرضه می‌کرد ولی از لحاظ تئوری همچنان ناقص بود. بطور مثال این تئوری نمیتواند بیان کند که چرا سه کپی فامیل‌های ذرات (خانواده‌های الکترون، میون و تائو) وجود دارند. بعلاوه ثابتهای قراردادی زیادی در تئوری وجود داشت

علیرغم مشکلات تئوری گات، فیزیکدانان هنوز معتقد بودند که ممکن است تئوری‌ای برای وحدت گرانش وجود داشته باشد

الکتروضعیف

در 1971 یک تئوری جدید میدان کوانتوم وارد صحنه شد که می‌توانست نیروی هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس را با هم متحد کند. برای اولین بار از زمان ماکسول یعنی تقریبا صد سال، نیروهای طبیعت قدمی دیگر به طرف وحدت برداشتند. یکبار دیگر اسرار معما تقارن مقیاس بود.
واکنشهای ضعیف مربوط به رفتار الکترونها و شرکای آنها بنام نوترینوها می‌باشد. از تمام ذرات کائنات، نوترینو شاید نادرترین آنها باشد، زیرا شدیدا فرّار می‌باشد. نوترینو، بار و احتمالا جرم ندارد و بسیار بسیار سخت آشکار می‌باشد
در سال 1933 فیزیکدان بزرگ ایتالیایی انریکو فرمی، اولین تئوری جامع از این ذرات فرّار که نوترینو (ذرات کوچک خنثی به زبان ایتالیایی) نامید، به طبع رساند
تجارب در ارتباط با نوترینوها بسیار مشکل بود زیرا نوترینوها خیلی نافذند و از حضورشان هیچ ردی به جا نمی‌گذارند. در حقیقت آنها می‌توانند بسهولت به داخل کره زمین رخنه نمایند و از طرف دیگر زمین خارج شوند. در واقع اگر تمام منظومه شمسی پر از سرب سخت بود، بعضی از نوترینوها قادر بودند حتی به آن حصار مستحکم نیز رخنه نمایند
وجود نوترینو نهایتا در سال 1953 در یک تجربه بسیار مشکل در حین مطالعه تشعشعات فراوان خلق شده توسط رآکتور هسته‌ای تائید شد
از زمان کشف، سالها مخترعین سعی نمودند تا به استفاده‌های عملی نوترینو فکر نمایند. بیشتر این افراد جسور مایل بودند تا یک «تلسکوپ نوترینو» بسازند. با این تلسکوپ ما می‌توانیم مستقیما در داخل صدها کیلومتر صخره‌های سخت جستجو کنیم، هر کس اهدافی نظیر این برای تلسکوپ پیش‌بینی می‌کرد. ایده تلسکوپ نوترینو مسلما بسیار خوب است، اما یک مانع وجود دارد: از کجا ما می‌توانیم فیلم عکاسی پیدا نمائیم که بتواند نوترینو را متوقف کند؟ هر ذره‌ای که بتواند به تریلیونها تن صخره رسوخ نماید براحتی می‌تواند به فیلم عکاسی هم نفوذ کند.
پیشنهاد دیگر خلق یک «بمب نوترینو» بود.فیزیکدان هانیز پاجلز می‌نویسد که این یک اسلحه مطلوب صلح‌طلب می‌باشد. مانند یک بمب که می‌توند براحتی جانشین بمب هسته‌ای مرسوم باشد؛ این بمب با سر و صدا منفجر شده و منطقه مورد هدف را با سیلی عظیم از نوترینو‌ها بمباران می‌کند، بعد از اینکه همه را ترساند، نوترینوها بدون هیچ صدمه‌ای از میان همه چیز عبور می‌کنند
علاوه بر نوترینو، اسرار واکنشهای ضعیف با کشف ذرات جدید مانند میون، عمیقتر شد. قبلا در سال 1937 وقتی که این ذره در عکسبرداری اشعه کیهانی کشف شد، بنظر درست شبیه الکترون می‌آمد اما بیش از دویست بار سنگین‌تر از آن بود. برای تمام مقاصد آن ذره درست یک الکترون سنگین بود. فیزیکدانان در سال 1962 با استفاده از شکافنده اتم نشان دادند که میون همچنین شریک مجزای خودش، نوترینوی میون را دارد. در سال

1978

 بار دیگر یک جفت برای الکترون کشف شد ولی اینبار سه‌هزار و پانصد بار سنگین‌تر بود و «تائو» نام گرفت با شریک مجزای خودش بنام نوترینوی تائو
فیزیکدانان حدس زدند که نیروی بین الکترونها و نوترونها توسط تبادل یکسری جدید ذرات به نام ذرات

W

 به جای

Weak

 ایجاد می‌شود

در اینجا هم تئوری درست با دیاگرامهایی شبیه دیاگرامهای فاینمن قابل توصیف بود، به جای جفت الکترون-پوزیترون، کافیست که الکترون-نوترینو را جایگزین کنیم و به جای فوتونها ، ذرات دبلیو بگذاریم
مشکل اینجا بود که تئوری با استفاده از تقارن مقیاس قابل بهنجارش نبود و تئوری با بینهایت‌ها درگیر بود. تا سالها فیزیکدانان درگیر آن بودند
تئوری یانگ-مایلز محتوی یک تقارن ریاضی جدید بود که به «واینبرگ» و «سالم» اجازه داد تا نیروهای ضعیف و الکترومغناطیس را به همان وضع با هم متحد کنند
فیزیکدانها بطور قوی باور کرده بودند که نیروهای ضعیف بصورت نزدیکی به نیروهای الکترومغناطیسی مربوط هستند، سرانجام آنها کشف کردند که در فواصل بسیارکوتاه ( درحدود 10 به قوه 18- متر ) قدرت برهمکنش ضعیف قابل برابری با برهمکنش الکترومغناطیسی است، به عبارت دیگر در سی برابر آن  فاصله قدرت برهمکنش ضعیف يك ده‌هزارم ( سه برابر ده به توان منفي هفده) برهمکنش الکترومغناطیسی است، درفواصل مثلا برای کوارکهای داخل یک پروتون یا نوترون ( ده به قوه منفي پانزده ) ، نیرو حتی از آنهم ضعیف‌تر است
فیزیکدانها نتیجه گرفته اند که درحقیقت نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف اساسا قدرتهای یکسانی دارند , این به این دلیل است که قدرت برهمکنش به طور قوی به دوعامل جرم ذرات حامل نیرو و فاصله برهمکنش بستگی دارد ، تفاوت مابین قدرتهای مشاهده شده آنها از تفاوت بزرگ در جرم ذرات

W

 و

Z

 که بسیار پرجرم هستند و فوتونها که تا آنجا که ما می دانیم فاقد جرم هستند ناشی می گردد

آیا شما در یک جهان ۳ بعدی زنگی میکنید؟

اگر پاسخ شما مثبت است كاملا در اشتباهيد!!!!

مغز انسان طي ساليان ساليان ساليان سال(!!!) قادر به درك سه بعد از فضا شده است. اما آيا فضا سه بعدي است؟ يا چهار بعدي؟ يا شايد اصلا يك بعد است؟؟؟؟

پاسخ اين سوال در زمان انيشتين اين بود:

ما در فضاي ۴ بعدي زندگي ميكنيم كه از سه بعد فضا و يك بعد زمان تشكيل شده است. هر ماده اي داراي جرم قدرت خم كردن اين ابعاد را دارد كه از اثرات اين خم شدن گرانش است.

اما آيا جهان واقعا ۴ بعديست؟؟؟

پاسخ اين سوال را نظريه ي ريسمان ميدهد كه به طور مفصل در آينده بحث خواهد شد.

                                             بابك محرابى