بحران فیزیک مدرن و نظریه های نوین

مقدمه
مکانیک کوانتوم با ذرات زیر اتمی سروکار دارد که خواص و روابط آنها را مورد بررسی قرار می دهد. این ذرات مجموعه ای از کوانتومهای مختلف ماده، انرژی و نیروها هستند. فرمیونها سنگ بنای ماده را تشکیل می دهند و بوزونها موجب پیوند یا گسستگی فرمیونها می شوند. در هر صورت با هر عنوان و طبقه بندی که به این ذرات بنگریم، از یکدیگر جدا و گسسته اند. در حالیکه فضا-زمان کمیتی پیوسته است. آن گسستگی با این پیوستگی سازگار نیست. کوششهای زیادی انجام شده تا این دو نظریه بزرگ علمی را سازگار سازد

در این راستا نظریه های مختلفی مانند نظریه کوانتوم لوپ، نظریه ریسمانها و نظریه هگز بوزون مطرح شده اند. نظریه ریسمانها و هگز بوزون در میان سایر نظریه ها از اهمیت بیشتری برخوردار است. نظریه ریسمانها در دهه ی ۱۹۲۰ مطرح شده و در ۸۰ سال گذشته کارهای زیادی توسط فیزیکدانان انجام شده تا نظریه

ریسمانها جایگزین مناسبی برای مکانیک کوانتوم و نسبیت باشد. در این دوره ی طولانی بارها به بن بست رسیده و طرفدارانش با ارائه ی توجیحات جدید تلاش کرده اند آن را به گونه ای جدید مطرح کنند. نظریه هگز بوزون به دهه ی ۱۹۶۰ بر می گردد که هنوز با مشکلات عدیده ای سروکار دارد و طرفدانش نتوانسته اند این مشکلات را برطرف سازند

آخرین نظریه، نظریه سی. پی. اچ. است. هرچند زمان مطرح شدن نظریه سی. پی. اچ. ئر ایران به اواخر دهه ی ۱۹۸۰ بر می گردد، اما کمتر از دو سال در خارج از کشور و کمتر از یک سال در ایران بطور جدی مطرح شده است. با این عمر کوتاه، از حالت نهالی نوپا در آمده و توانسته بصورت یک نظریه انقلابی و سرنوشت ساز جایگاه ویژه ای برای خود فراهم سازد و در مقابل نظریه های مختلف ایستادگی کند. در این فصل هر سه نظریه مورد بحث قرار می گیرد
محدودیت ها

بشر همواره در تلاش بوده تا یک ارتباط منطقی بین اجسام بزرگ نظیر زمین و خورشید و ذرات ریز که بعدها اتم و ذرات زیر اتمی خوانده شد بیابد. نمونه بارز این تلاشها را می توان در نظریه اتمی دموکریتوس و عناصر چهار گانه آب، آتش، خاک و هوا مشاهده کرد. اما تمام این کوششها بیشتر جنبه ی فلسفی داشتند و با برداشت امروزی که از علم داریم، دارای اعتبار علمی نبودند. نخستین کوشش علمی را می توان در آزمایشهای گالیله مشاهده کرد که بعداً توسط نیوتن بیان و شالوده ی فیزیک را تشکیل داد.

پس از اثبات نظریه اتمی ماده و مشاهده اینکه اتم خود نیز از ذرات دیگری تشکیل شده، تلاشهای زیادی صورت گرفت تا قوانین حاکم بر جهان اجسام بزرگ را به ذرات زیر اتمی تعمیم دهند که مدل اتمی بور یک نمونه ی بارز این تلاشها است.

بعدها که مکانیک کوانتوم مطرح و ذرات زیر اتمی مورد بررسی دقیق قرار گرفت، مشخص شد که مکانیک کوانتوم نظریه ساده ای نیست و نمی توان رفتار ذرات زیر اتمی را با اجسام بزرگ مقایسه کرد. رفتار اجسام بزرگ بخوبی در مکانیک کلاسیک قابل توضیح می باشد. اما برای توضیح ذرات در مکانیک کوانتوم به یک بینش جدید نیاز است.

پایه بینش جدید
برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات مولکولها، اتمها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کرد. این ذرات بسادگی و با سرعت زیاد از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند و همین امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد.
QM1

ذرات، نقاط مادی اجسام بزرگ نیستند که با سرعت ثابت حرکت می کنند.
QM2
ذرات دارای یک ویژگی مشترک می باشند که آنرا اسپین می نامیم و به حالت های زیر قابل تقسیم است:
اگر ذره در یک حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین صفر است
اگر ذره در دو حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک دوم است
اگر ذره در سه حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک است

اگر ذره در پنج حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین دو است
فرمیونها و بوزونها

ذراتی که دارای اسپین درست (صفر، یک و دو) هستند، بوزون نامیده می شوند.
ذراتی که دارای اسپین نادرست (یک دوم و سه دوم.. ) هستند، فرمیون نامیده می شوند.
در مکانیک کوانتوم نیروها توسط بوزون ها حمل می شوند
فوتون با اسپین یک نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کند
Vectorboson (W,Z)

با اسپین یک نیروی هسته ای ضعیف را حمل می کند
Gluon (A)

با اسپین یک حامل نیروی هسته ای قوی است.
همچنین گراویتون با اسپین دو حامل نبروی گرانش است که تا به حال مشاهده نشده است.
SR1

علاوه براین یک محدودیت دیگر بر رفتار ذرات اعمال می شود که ناشی از نسبیت خاص است که به موجب آن هیچ جسم یا ذره ای نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند و این محدودیت مدل استاندارد است.
Quantum Field Theory, QFT

به طور کلی می توان گفت که نظریه میدان کوانتومی بر پایه:
QM1, QM2, SR1
شکل گرفته است.
نسبیت عام
در مدل استاندارد ساختمان ماده مورد بررسی قرار می گیرد و نیروهایی مورد بحث قرار می گیرند که در هنگام بررسی اجسام خنثی شده اند. نیروهای هسته ای برد کوتاهی دارند و نیروی الکترومغناطیسی نیز در ساخمان ماده خنثی شده اند. بنابراین ما در مکانیک کوانتوم نمی دانیم چرا سیب سقوط می کند و این پدیده در نسبیت عام مورد توجه و توضیح قرار می گیرد.
در نسبیت عام گرانش یک نیروی اساسی نیست و اثر هندسی ماده بر فضای اطراف است. بنابر نسبیت عام، ماده به فضای اطراف خود انحناء می دهد.
Unified Field Theory
تلاشهای زیادی انجام شده است که مکانیک کوانتوم و نسبیت عام را ادغام کرده و به عنوان یک نظریه واحد بیان کند که آنرا unified Field Theory مي نامند. در واقع
Unified Field Theory

باید با مدل استاندارد تطبیق کند و بتواند نسبیت عام را نیز شامل شود.
۱۹-۲
String Theory
در نظريه ي ريسمان به جاي اينكه هر ذره را مستقل در نظر بگيريم به صورت رشته اي پيوسته با شكلهاي مختلف درنظر ميگيريم , مثلا الكترون را مي توان مانند يك النگو رشته اي بدانيم كه دو سرش بهم گره خورده و حلقه دايره اي تشكيل داده است.

علت بوجود آمدن اين نظريه اين بود كه گرانش با كوانتوم مشكل دارد. همچنانکه گفته شد در دنياي ما چهار نيروي اصلي الكترومغناطيسي، هسته اي قوي، هسته اي ضعيف و گرانشي وجود دارد. سه نيروي اول به ترتيب مي توانند با هم در انرژيهاي بالا متحد شوند و يك نظريه واحد داشته باشند. يعني انشعاباتي از يك نظريه ي اصلي باشند. اصطلاحاٌ مي گويند اين سه نظريه در انرژيهاي بالا تقارن دارند و در انرژيهاي معمولي دچار شكست خودبخودي تقارن مي شوند. اما چهارمين نيروي اصلي يعني گرانش دو مشكل اساسي دارد. يكي وحدت نيافتن با سه نيروي ديگر و ديگر اينكه اگر ذرات را نقطه اي در نظر بگيريم، سطح مقطع برهم كنش نيروي گرانشي بين دو ذره ي نقطه اي كه بهم نزديك مي شوند طبق نظريه ي كوانتومي بي نهايت بدست مي آيد. از اينرو ذرات بصورت ريسمانهاي يك بعدي در نظر گرفته شدند. مثلا الكترون يا كواركها همگي ريسمانهاي بسته و حلقوي با شكلهاي مختلفند.

در اين تصورجديد، ديگر برهم كنش ذرات در زمان و مكان خاص رخ نمي دهد بلكه شما دو حلقه داريد كه در فضا بهم نزديك مي شوند و با عكسبرداي تخيلي يك پوسته به شكل شلنگ نمايش داده مي شود.

مثل اينكه دو شلنگ بهم برخورد كرده باشند و دو شلنگ جديد بوجود آورده باشند. در اين نظريه هم وحدت ميسر است و هم بينهايتهاي گرانش كوانتومي برطرف مي شود.
اما در واقع یک ریسمان از چه چیزی س

اخته شده است؟
یک ریسمان یک مقدار کوچک انرژی است و در اینجا هیچ چیزی کوچکتر از این مقدار انرژی نیست.

ابعاد اضافی
نظريه ي ريسمان ادعا مي كند كه دنياي ما ده بعدي است. يعني نه بعد مكاني و يك بعد زماني دارد. اين برخلاف تجربيات ماست. يعني ما فكر مي كنيم كه در دنيايي با سه بعد مكاني و يك بعد زماني زندگي مي كنيم. به همين دليل توجيه مي كند كه شش بعد اضافي در واقع در دنياي ما وجود دارند ولي فشرده شده اند. فشرده شدن يعني اينكه مثلا شما يك شلنگ را از فاصله ي دور بصورت يك بعدي مي بينيد اما از نزديك بصورت يك استوانه ي دو بعدي.
عقيده چنين است كه درجات آزادی بار الكتريكی يك الكترون شامل ابعاد اضافی بيشتری خواهد بود. اصل اينكه فشردگی ابعاد ممكن است ما را به يك نظريه يكسان سازی رهنمود شود، جديد نيست و به دهه يكهزارو نهصد و بيست و به نظريه های كالوتسا و كلين بر می گردد، از اين رو نظريه ريسمان نهايت نظريه كولتسا-كلين است

برای سادگی، معمولاً فرض می شود كه اين شش بعد اضافی به شش حوزه پيچيده شده اند
پوسته ها
یک پوسته چیزی است که یک ریسمان روی آن قرار دارد. فرض کنیم یک پوسته یک فضای سه بعدی است(مانند فضای ما). بعد فرض کنیم میدانها روی این پوسته ها هستند. فوتون روی این پوسته هاست و شش بعد دیگر تاریک است. فوتون فقط روی این پوسته ها زندگی می کند. و ما ابعاد اضافی را نخواهیم دید.

همچنین گراویتون در همه ی فضا وجود دارد. کنش ذرات با گراویتون در نه بعد انجام می شود. اثر گراویتون در این ابعاد اضافی آنقدر کوچک است که ما فقط آثار گرانش را مشاهده می کنیم.
M-Theory

نظریه های مختلفی تحت عنوان نظریه ریسمانها ارائه می شود که توضیحات متفاوتی از یک پدیده فیزیکی می دهند. در حقیقت پنج نوع نظریه ریسمانها وجود دارد:
Type I, Type IIA, Type IIB, Heterolic E8, Heterolic SO32
دو نوع E8, SO32 مخلوط نوع دو و نظریه ریسمان بوزونیک هستند.
اشکالات نظریه ریسمانها

جوابهايي كه براي ريسمانهاي موجود در ابعاد R بدست مي آيد در ابعاد R-1 هم بدست مي آيد. يعني اصطلاحا ابعاد بزرگ و كوچك خواص مثل هم دارند كه بطور بديهي غلط است.
مي دانيم كه دما حداقل دارد ولي نظريه ي ريسمان مي گويد علاوه بر اين حداقل دمايي، يك حداكثر هم وجود دارد که این نیز غلط است.
همچنین هیچ دلیلی ارائه نمی شود که اگر همه چیز از ریسمانها تشکیل شده اند، پس چرا ذرات (به عنوان مثال الکترون و فوتون ) دارای سرعت مختلف هستند؟
در حالیکه در نظریه سی. پی. اچ. این اشکالات وجود ندارد.

۱۹-۳
هگز بوزون
Higgs Boson
چگونه ذرات جرم پیدا می کنند؟
By Mary and Ian Butterworth, Imperial College London, and Doris and Vigdor Teplitz, Southern Methodist University, Dallas, Texas, USA.
هگز بوزون یک ذره ی فرضی است که در صورت وجود داشتن می تواند نشان دهد که ذرات چگونه جرم پیدا می کنند

ماده از مولکول ساخته شده، ملکول از اتم، اتم از ابر الکترونی به بزرگی تقریباً یک صد میلینیوم (۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰/۱) سانتیمتر و هسته به بزرگی یکصد هزارم اندازه ی ابر الکترونی. هسته از پروتون و نوترون ساخته شده است. هر پروتون یا نوترون تقریباً دو هزار برابر الکترون جرم دارند. ما بخوبی می دانیم که چرا اندازه ی هسته اینقدر کوچک است. اما ما نمی دانیم که چگونه این ذرات دارای جرم می شوند. چرا این ذرات دارای جرم هستند؟

ما نمی توانیم ادعا کنیم که اجزاء سازنده ی ماده را می شناسیم، بدون آنکه جواب رضایت بخشی برای این سئوال داشته باشیم
Peter Higg
پتر هگز مدلی دارد که بخوبی نشان می دهد که چگونه جرم این ذرات بصورتی پیچیده و تصاعدی ایجاد می شود. وی با یک ذره شروع کرد که تنها جرم دارد، همچنین بار، که می توان آن را از خلاء تمیز داد
ما می توانیم آنرا
H
بنامیم که با سایر ذرات دارای کنش است. برای مثال اگر
H
نزدیک یک الکترون باشد، در آنجا یک نیرو بین آن دو هست و
H
مربوط به کلاس ذراتی است که بوزون نامیده می شوند
نخست ما به دقت به آن توجه می کنیم، اما نه از نقطه نظر ریاضی، آنگاه تشریحات تصویری خواهیم داد
در مکانیک کوانتوم آفرینش و واپاشی ذرات بنیادی با استفاده از روابط ریاضی توضیح داده می شود و در شتاب دهنده ها نیز مشاهده می شوند
در این آزمایشها ذرات با ویژگی های نقطه ای خود در میدانها ایجاد می شوند و در فضا-زمان پخش می گردند

Peter Higgs

هگز متوجه شد که اگر پارامتری در معادلات میدان را با ذره ی
H
در آمیزد، بدین طریق برای کمترین انرژی میدان( فضای تهی) یک میدان غیر صفر خواهیم داشت
این بسیار جالب است که میدان در خلاء غیر صفر است. اما نتیجه ی آن چنین شد که تمام ذراتی که می توانند با
H
کنش داشته باشند، می توانند جرم کسب کنند
همچنین روابط ریاضی موجود نحوه ی کسب جرم توسط تمام ذراتی را که با
H
در کنش هستند، بیان می کند
یک تصویر که با ریاضی هماهنگی دارد نشان می دهد که فضای تهی، شامل یک ذره ی

است و خودش انرژی ندارد
ذرات دیگر در کنش با این ذره ی بدون انرژی، از

zero-energy H particles
جرم کسب می کنند
جرم ( یا لختی یا مقاومت در مقابل تغییر حرکت) یک ذره، از ذرات هگز به دست می آید
اگر ذرات جرم خود را از کنش با ذرات هگز در فضای تهی کسب نکنند، باز هم ذرا هگز وجود خواهند داشت، اما ما بدون یافتن به وجود ذرات هگز مطمئن نخواهیم شد. ما شواهد دیگری هم داریم، برای مثال اگر هگز وجود داشته باشد، نقش یگانه ای بین سایر نیروها خواهد داشت. در هر صورت ما معتقدیم که طبیعت راه های دیگری نیز تعبیه کرده است تا ما بتوانیم از هگز نتیجه بگیریم. در حقیقت، عدم اثبات اینکه هگز وجود دارد، از نظر علمی چنین است که همه ی اندازه گیری های ما قابل اثباط نیستند
این سئوالات، نحوه ی کسب جرم توسط ذرات، و از جمله رابطه ی بین نیروهای مختلف در طبیعت، یکی از پایه های اساسی درک ماده و نیروها است. بدون پاسخ دادن به آنها، بسیار مشکل خواهد بود که ما بدانیم که چیزی زمین را ساخته است