وبگاه علمی و آموزشی نکا نصیر

جمعی از معلمان
وبگاه علمی و آموزشی نکا نصیر
دنبال کنندگان ۱ نفر
این وبلاگ را دنبال کنید
پیام های کوتاه
مطالب پربحث‌تر
آخرین نظرات

نیروهای بنیادین طبیعت

شنبه, ۷ شهریور ۱۳۹۴، ۰۹:۰۵ ب.ظ

طبق اعتقاد ارسطو ، تمام اشیا در جهان از چهار عنصر بنیادی خاک ، هوا ، آتش و آب تشکیل شده اند .

این عناصر تحت دو نیرو گرانش ( گرایش آب و خاک به پایین آمدن ) و سبکی ( گرایش هوا و آتش به صعود ) قرار دارند .

وی همچنین معتقد بود ماده پیوسته است ولی چند تن از یونیان معتقد بودند که ماده ذاتا دانه دانه است و از تعداد بیشماری اتم تشکیل شده است .بعدها نظریه اتمی قابل قبول تر بود و حتی دانشمندان پی بردند که خود ساختمان اتم از ذرات بنیادی چون نوترون و پروتون که خود از ذراتی به نام کوارک تشکیل شده اند ، تشکیل یافته است .

نیروهای بنیادین طبیعت

حال مسئله این است : ذرات بنیادی واقعی که عناصر ساختمانی اولیه همه اشیا اند ، کدامند ؟ جواب این سئوال به این مسئله بر می گردد که ما به چه میزان انرژی دسترسی داریم . آیا اگر به انرژی های بالاتری دست یابیم ، معلوم نخواهد شد که اینها نیز به نوبه خود از ذرات کوچکتری درست شده اند ؟

در کل همه چیز را در طبیعت بر حسب ذرات می توان توضیح داد .

این ذرات دارای خاصیتی به نام اسپین هستند . اسپین ذرات می گوید که ذره ، از جهت های مختلف چه شکل و شمایلی دارد .

تمامی ذرات جهان را می توان به دو گروه تقسیم کرد : ذرات با اسپین 2/1 که تشکیل دهنده ماده اند و ذرات با اسپین 0 ، 1 و 2 که منشا نیروهای بین ذرات ماده اند .

ذرات ماده از اصل طرد پاولی پیروی می کنند ، این اصل می گوید که دو ذره همانند ، در یک حالت نمی توانند وجود داشته باشند . یعنی آن دو نمی توانند در محدوده مقرر بوسیله اصل عدم قطعیت ، دارای وضعیت و سرعت یکسان باشند .

این اصل عدم فروپاشی ماده را زیر تاثیر نیروهای ناشی از ذرات با اسپین 0 ، 1 و 2 توضیح می دهد .

اما این که الکترون اسپین 2/1 دارد بدین معنی است که با یک دور کامل ، یکسان به نظر نمی رسد ، اما با دو دور گردش چنین می شود .

تا سال 1928 درکی از الکترون و ذرات با اسپین 2/1 مقدور نبود تا اینکه پل دیراک با روابط ریاضی این مسئله را توضیح داد و بیان کرد که هر الکترون یک پاد الکترون نیز دارد . و به طور کلی هر ذره یک پاد ذره دارد .

از پاد ذره ها ، پاد جهان ها و پاد مردمانی می تواند وجود داشته باشد .

در مکانیک کوانتوم ، فرض بر آن است که نیروها یا واکنش های بین ذرات مادی همگی بوسیله ذرات با اسپین صحیح انجام می گیرد .

یک ذره مادی ، یک ذره حامل نیرو را گسیل می کند . پس زدن ناشی از این گسیل ، سرعت ذره مادی را تغییر می دهد . ذره حامل نیرو سپس با یک ذره مادی دیگر برخورد می کند و جذب می شود . این برخورد سرعت ذره دوم را تغییر می دهد ، درست مثل آنکه بین دو ذره مادی نیرویی اعمال شده است .

ذرات حامل نیرو از اصل طرد پیروی نمی کنند و این عامل شکل گیری نیروهای قوی تر است .

چنانچه ذره های حامل نیرو جرم زیاد داشته باشند ، برد حمل نیرو کوتاه است و اگر جرم از خود نداشته باشند ، نیروهای دوربرد خواهیم داشت .

ذرات حامل نیرو که میان ذرات مادی رد و بدل می شوند ، ذرات مجازی اند . چرا که آنها را مستقیما توسط آشکارساز نمی توان نمایان کرد ولی وجود دارند ، چرا که دارای تاپیری سنجش پذیرند .

ذره های با اسپین 0 ، 1 و 2 تحت شرایطی مستقیما آشکار پذیرند و به مثابه ذرات حقیقی اند که همان موج است .

ذرات حامل نیرو را بر حسب شدت نیروئی که حمل می کنند و ذراتی که بر آنها متقابلا تاثیر می کنند به چهار دسته ( این دسته بندی فقط جهت بررسی است و معنای خاصی ندارد ) تقسیم بندی می کنند :

دسته اول : نیروی گرانش

این نیرو نسبت به سه نیروی دیگر ضعیفتر است ولی به دلیل دو ویژگی مهم آن را در نظر می گیریم یکی این که تا فاصله های دور عمل می کند و دیگر این که همواره جذب کننده است .

سه نیروی دیگر یا کوتاه برد هستند یا آنکه گاه جاذبه و گاه دافعه اند درنتیجه گرایش آنها به خنثی سازی یکدیگر است .

از دیدگاه مکانیک کوانتوم نیروی میان دو ذره مادی ، بوسیله ذره ای با اسپین 2 ، به نام گراویتون حمل می شود. گراویتون از خود جرمی ندارد از این رو نیرویی که حمل می کند ، دوربرد است .

دسته دوم : نیروی الکترومغناطیسی

این نیرو با ذره های باردار چون الکترون و کوارک وارد فعل و انفعال می شود و تاثیری بر ذرات غیر باردار مانند گراویتون ندارد .از نیروی گرانشی بسیار قوی تر است ولی به دلیل وجود دو نوع بار مثبت و منفی نیروهای جاذبه و دافعه بین ذرات ، کمابیش یکدیگر را خنثی می سازند و نیروی الکترومغناطیسی خالص ناچیزی باقی می ماند که در مقیاس کوچک اتمی محسوس است .

جاذبه الکترومغناطیسی بین الکترونها و پروتونهای هسته موجب گردش الکترونها به دور هسته می گردد همانطور که جاذبه گرانشی باعث حرکت زمین گرد خورشید می شود .

دسته سوم : نیروی هسته ای ضعیف

این نیرو موجب پدیده رادیواکتیویته است و روی همه ذرات مادی با اسپین 2/1 اثر می گذارد .همانطور که ماکسول به الکتریسیته و مغناطیس وحدت بخشیده بود در سال 1967 نیز نظریه هایی توسط دو دانشمند ارائه شد که موجب وحدت این نیرو با نیروی الترومغناطیسی شد .

به گفته آن دو علاوه بر فوتون ، سه ذره دیگر وجود دارند که اسپین شان یک است و همگی بوزون های برداری بزرگ نامیده می شوند و نیروی ضعیف اند.

نظریه واینبرگ – سلام که به نام شکست خودانگیز تقارن می شناسیمش می گوید : ذراتی که به ظاهر در انرژیهای پایین به کلی متفاوت اند در واقع همگی یکنوع ذره را تشکیل می دهند منتها با حالتهای مختلف . در انرژیهای بالا ، همگی بطور مشابه رفتار می کنند .بر اساس این نظریه ، سه ذره به همراه فوتون ، در انرژی های بسیار بالا هنمگی رفتاری مشابه خواهند داشت . اما در انرژیهای پایین ، که شامل بیشتر وضعیتهای عادی است ، این تقارن میان ذره ها  می شکند .

سه ذره جرمهای بزرگی اختیار می کنند در نتیجه نیروهایی که حمل می کنند کوتاه برد می شوند.

دسته چهارم : نیروی هسته ای قوی

این نیرو در نوترون و پروتون ، کوارکها را در کنار هم نگه می دارد و در هسته اتم ، نوترون ها و پروتون ها را دور هم جمع می کند.

باور عموم بر آن است که ذره دیگری به نام گلوئون با اسپین یک ، این نیرو را حمل می کند و تنها با خودش و نیز با کوارک ها وارد کنش و واکنش می گردد .

نیروی هسته ای قوی ویژگی عجیبی دارد به نام تحدید : این ویژگی ذرات را به گونه ای در کنار یکدیگر قرار می دهد که هیچ رنگی حاصل نگردد .

خاصیت تحدید مانع از آن است که یک گلوئون تنهابماند،چرا که گلوئونها هم دارای رنگ می باشند. شاید این موضوع مفهوم کوارک و گلوئون را متافیزیکی جلوه دهد اما نیروی هسته ای قوی ویژگی دیگری دارد به نام آزادی مجانب وار که مفهوم گلوئون و کوارک را کاملا تعریف می نماید .

در انرژی های معمولی ، نیروی هسته ای قوی ، براستی قوی است و موجب پیوستگی فشرده کوارکها به یکدیگر می گردد . اما آزمایش با شتابدهنده های ذره عظیم نشان می دهد که در انرژی های بالا نیروی هسته ای قوی ، بسیار تضعیف می شود و کوارکها و گلوئونها کمابیش مثل ذرات آزاد رفتار می کنند .

دانشمندان سعی بر آن دارند که این 4 دسته نیرو را یکپارچه کنند ولی نظریه های موجود در این زمینه نه آنقدرها بزرگند و نه کاملا یکپارچه زیرا شامل نیروی گرانش نمی شوند .

اندیشه بنیادین این یکپارچه سازی ( GUT ) به این ترتیب است : نیروی هسته ای قوی در انرژی های بالا ضعیف می شوند و از سوی دیگر نیروهای الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف که بطور مجانب آزاد نیستند ، در انرژیهای بالا تقویت می شوند .

در انرژی بسیار بالا و معینی به نام انرژی  بزرگ یکپارچگی ، این سه نیرو همگی قوتی یکسان دارند و بنابراین می توانند وجوه مختلف نیرویی یگانه باشند .

تئوریهای بزرگ GUT همچنین پیش بینی می کنند که در این انرژی ، ذره های مادی مختلف با اسپین 2/1 ، در اساس ذراتی یکسانند و به این ترتیب یکپارچگی دیگری بدست می آید .

نکته جالب دیگه این است که پروتون که بخش بزرگی از جرم ماده معمولی را تشکیل می دهد ، بطور خودانگیز می تواند به ذرات سبکتری مثل پادالکترونها تجزیه شود .این امر از آنرو امکان پذیر است که در انرژی بزرگ یکپارچگی ، فرق اساسی بین کوارک و پاد الکترون نیست .

اگرچه مشاهده واپاشی خودانگیز پروتون بسیار دشوار است ، شاید وجود خود ما نتیجه فرآیند معکوس آن باشد ، یعنی تولید پروتون ها یا بطور ساده تر ، کوارک ها از وضعیتی ابتدائی که تعداد کوارکها بیش از پادکوارکها نیست.این فکر ، طبیعی ترین روش برای تصور آغاز جهان است .

ماده روی زمین به طور عمده از پروتون و نوترون تشکیل شده است که این دو نیز به نوبه خود از کوارک درست شده اند .بجز تعداد کمی پادپروتون یا پاد نوترون که فیزیکدانها در شتابدهنده های عظیم ذره تولید می کنند ، پاد پروتون و پادنوترون دیگری که از پادکوارکها تشکیل شده باشد ، وجود ندارد.

این امر برای تمامی ماده در کهکشان ما نیز صادق است.

هیچ گواه روشنی نیست که به ما بگوید در دیگر کهکشانها ماده از پروتون و نوترون تشکیل شده است یا پادپروتون و پادنوترون سازنده آنند ، اما تنها یکی از این دو حالت می تواند درست باشد.در غیر این صورت ، شاهد تشعشع عظیم ناشی از نابودی خواهیم بود .

بنابراین ما برآنیم که همه کهکشانها بجای آنکه از پادکوارک تشکیل شده باشند ، از کوارک بوجود آمده اند، اینکه بعضی کهکشانها از ماده درست شده باشند و برخی دیگر از پادماده ، به نظر نادرست می نماید .

چرا کوارکها از پادکوارکها بیشترند ؟ چرا تعدادشان مساوی نیست ؟ ( البته اگر این طور بود ، جهان روزهای نخست نابود می شد)


طبق نظریه یکپارچگی ، در انرژی های بالا تبدیل کوارک به الکترون و فرآیند وارونه آن مجاز است پس حتی اگر در آغاز چهان این تعداد مساوی بوده باشد ، بعدا می توانسته این تبدیل صورت گیرد اما این که چرا پاد کوارک به کوارک تبدیل شده و نه بر عکس به این بر می گردد که قانون های فیزیک در مورد ذرات و پاد ذرات چندان هم یکسان نمی باشند

نظرات (۱)

  • محمد شورگشتی
  • سلام وخسته نباشید.

    خوب وبتون بدجور تخصصیه! و البته جالب.

    آسمان عالم دیگریست! و غالبا آسمانی ها آسمانی هم میشن! شما هم ان شاءالله.

    مؤید باشید و سربلند.

    پاسخ:
    سلام دوست عزیز سلامت باشید
    ممنونم از نطرتون.
    مچکرم همچنین

    ارسال نظر

    ارسال نظر آزاد است، اما اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید می توانید ابتدا وارد شوید.
    شما میتوانید از این تگهای html استفاده کنید:
    <b> یا <strong>، <em> یا <i>، <u>، <strike> یا <s>، <sup>، <sub>، <blockquote>، <code>، <pre>، <hr>، <br>، <p>، <a href="" title="">، <span style="">، <div align="">
    تجدید کد امنیتی
    بیان گراف
    صفحه اصلی
    درباره گروه
    تماس با ما
    تبادل لینک
    خواجه نصیر نکا
    طراح قالب