به سوي وحدت بزرگ
تعداد بازديد: 73
هرچند مفهوم و حتي واژه اتم، از دوران کُهن، وارد تفکر بشر شده است اما از ورود تفکر انسان به اين حوزه (جهان درون اتمها) و آشکاري شگفتيهاي آن بيش از يک قرن سپري نشده و به همين دليل بود که قرني را که گذشت "عصر اتم" ناميدند. عصري که با مواجهه انسان با جهان شگفتانگيز درون اتمها آغاز شد و سرانجام با آشکاري انرژي عظيم نهفته در اين حوزه، حتي معادلات و تحولات سياسي و بينالمللي را دگرگون ساخت.
اتمها
هماکنون که مشغول خواندن اين مقاله هستيد، لحظهاي تأمل کرده و به اطراف خود دقت کنيد. هرچه ميبينيد، از اتمها ساخته شده است. لباسي که بر تن داريد، هوايي که تنفس ميکنيد، صندلياي که روي آن مينشينيد، کاغذي که اين مطالب روي آن چاپ شده است، ميوهاي که آن را ميخوريد و زميني که روي آن زندگي ميکنيد. حتي جسمتان هم از اتمها ساخته شده است. تمامي خواص متنوع مواد نظير جنس، رنگ، شفافيت، سختي و نرمي، هدايت الکتريکي، هدايت گرمايي، ظرفيت گرمايي، تراکمپذيري، سياليت و . . . از خواص ساده اتمها حاصل شدهاند. اتمها در همهجا حضور دارند و ما را در بر گرفتهاند، هرچند که آنها را حس نميکنيم.
گشت و گذاري در دنياي ذرات زيراتمي
اما دنياي درون اتمها بر ما پوشيده است. اتمها مانند جعبههايي اسرارآميز و بدون در هستند. فيزيکدانها براي نفوذ به اين دنياي شگفتانگيز، چارهاي جز شکستن جعبه ندارند. بنابراين و براي اين کار، دستگاههاي شتابدهنده(1) ، ابداع شدند. يک شتابدهنده، ذرات زيراتمي(2) را تا انرژيهاي بسيار بالا شتاب داده و آنها را با شدت بسيار، با همديگر برخورد ميدهد. نتايج حاصل از اين برخوردها، توسط دستگاههاي آشکارساز، ثبت ميگردد و بدين ترتيب، جستجوگران، قادر خواهند بود به اعماق جهان اسرارآميز ذرات زيراتمي، قدم بگذارند.
با آزمايشاتي که توسط شتابدهندهها انجام گرفت، چشماندازي از دنياي ذرات زيراتمي بر انسان، گشوده شد. ذرات بسياري کشف شدند و برخي از قوانين حاکم بر رفتار اين ذرات، تبيين گرديد. اما نکته شگفتانگيز، اين بود: مشخص شد که تعدادي از اين ذرات، قابل تجزيه به ذرات کوچکتري نيستند. اين ذرات، که ذرات بنيادين(3) جهان ما محسوب ميشوند، در واقع، پايهايترين اجزاء هستي هستند و همه چيز در جهان، از آنها ساخته شده است.
اما در اين بنياديترين سطوح و لايههاي جهان، چه مفاهيمي نهفته است؟
فراتر از اَشکال
در بخشي از هستي که در محدوده حواس و تجربه مستقيم ماست، هر جسمي، شکل خاصي دارد. اما در حوزه زيراتمي، اَشکال، مفهوم خود را از دست ميدهند و ما وارد حوزه بيشکلي ميشويم. بر اساس آنچه فيزيک ذرات(4) به ما ميگويد، ذرات بنيادي در واقع، ذراتي بدون بُعد هستند و بنابراين، نميتوان هيچ شِکلي براي آنها متصور شد. پس در حوزه زيراتمي، از محدوده اَشکال خارج ميشويم و اين در حالي است که هر شکلي، خود، از اين ذرات، تشکيل شده است.
آوايي از سکوت
صوت، چيزي جز ارتعاشات گروهي اتمها نيست. بنابراين، اتمها، مادر اصوات هستند. اگر اتمها را از محيطي خارج کنيم و به اصطلاح در آن محيط، خلأ ايجاد کنيم، ديگر هيچ صدايي در محيط مزبور، وجود نخواهد داشت. اما در درون هر اتم، مفهوم صوت از بين ميرود. گستره دنياي زيراتمي، حوزه سکوت است. گسترهاي که در آن هيچ صدايي نيست . . .
پس با ورود به حوزه ذرات بنيادي، بسياري از مفاهيم موجود در محدودهاي از جهان كه ما تجربه ميكنيم، رنگ ميبازد و اين در حالي است كه تمامي اين مفاهيم، خود، حاصل وجود همين ساختارهاي بنيادين است. ذرات بنيادي، در واقع هيچ يک از چيزهايي که در جهان بيروني تجربه ميکنيم نيستند اما هرآنچه در جهان بيروني تجربه ميکنيم از ذرات بنيادي است.
دنياي ذرات بنيادي، حوزه تبديلات
در دنياي ذرات بنيادي، با پديدههاي عجيبي روبهرو ميشويم. يکي از اين پديدهها که در "برهمکنشهاي" مابين ذرات، مشاهده ميشود، محو شدن ذرات بنيادي و آفرينش ذرات جديد است. به عبارتي، ذرات بنيادي، ميتوانند به يكديگر، تبديل شوند. فيزيکدانها با ثبت برخوردهاي با انرژي بسيار بالا ميان ذرات زيراتمي، از اين پديده شگفتانگيز، پرده برداشتهاند. اين پديده، در حوزهاي از جهان که ما در زندگي روزمره تجربه ميکنيم، وجود ندارد اما در حوزه ذرات بنيادي، به سطح عميقتري از واقعيت، وارد ميشويم. در جهان ما، اگر مثلاً به يک ليوان، ضربه شديدي وارد کنيم، خُرد ميشود اما در حوزه ذرات بنيادي، از آنجائيکه اين ذرات، سادهترين اجزاء هستي هستند، پس نميتوان آنها را به ذرات پايهايتر خُرد کرد. بنابراين، انرژي حاصل از برخورد اين ذرات به يكديگر، بجاي آنکه صرف خُرد کردن آنها شود، باعث تبديل آنها به همديگر ميگردد. به عنوان مثال، در برهمکنش مابين يک الکترون و يک پوزيترون با انرژي بسيار بالا، ممکن است هر دوي آنها محو شده و از انرژي موجود، يک صد ذره بنيادي ديگر، ايجاد گردد. (5) (اين پديده، بسيار عجيب است و مانند آن است که ضربهاي به يک ليوان بزنيم و آن ليوان، بجاي خُرد شدن، محو شده و ناگهان، يک صد قاشق، چنگال، چاقو، بشقاب و . . . ظاهر شود ! )
يک شگفتي ديگر: دنياي زيراتمي، رو به زوال نميرود
در حوزهاي از جهان که در محدوده تجربيات ما قرار دارد، هر چيزي با گذشت زمان، رو به زوال ميرود. انسانها، درختها و حتي اشياء. اما يک ويژگي عجيب ديگر در دنياي زيراتمي آن است که در آن دنيا، حتي مفهوم پيري و زوال هم وجود ندارد. ذرات بنيادي، زماني ايجاد ميشوند و در نهايت زماني ديگر، تبديل ميگردند، اما ويژگيها و رفتار اين ذرات، چه در لحظه پيدايش و چه در لحظه تبديل، دقيقاً يکسان است. به عبارت ديگر، ذرات زيراتمي، هيچ وقت، پير نميشوند. به عنوان مثال، يک الکترون که دوازده ميليارد سال پيش در اعماق کيهان بوجود آمده، با الکتروني که يک ثانيه پيش در يک برهمکنش، حاصل شده است، دقيقاً مشابه هستند و دانش فيزيک ذرات به ما نشان ميدهد که با هيچ شيوه و آزمايشي نميتوان اختلافي را مابين آن دو تشخيص داد.
بزرگترينها در کوچکترينهاست
محققان توانستهاند عظيمترين انرژيها را که در اعماق کوچکترين حوزه هستي، پنهان است، آشکار نمايند. انرژي عظيمي که جاي جاي هستي را پُر کرده اما چنان ناآشکار است که گويي اصلاً وجود ندارد.
با آشکار شدن سطحي از اين انرژي بر انسان، تاريخ زندگي او بر روي زمين، ورقي ديگر خورد. اين آشکاري، به بزرگترين جنگي(6) که تاکنون بر روي اين سياره، به وقوع پيوسته، پايان داد و بدين ترتيب، جهان در دوره تاريخي ديگري قرار گرفت. همين انرژي (انرژي هستهاي)، تأمين کننده انرژي مورد نياز آينده بشر خواهد بود و قرنها پس از اتمام سوختهاي فسيلي، چراغ خانه انسانها را روشن نگاه خواهد داشت.
اما اگر باز هم بيشتر، در اعماق حوزه زيراتمي پيش رويم، با انرژيهايي روبهرو خواهيم شد که انرژي هستهاي در برابر آن، ناچيز مينمايد. بدين ترتيب، در اعماق هستي، بزرگترينها در کوچکترينها پنهان است.
وحدت در درون کثرت
با ورود به حيطه زيراتمي، وحدتي بنيادين که در اعماق هستي پنهان است، شروع به آشکارشدن ميکند. هرچه عميقتر شويم، اين وحدت، آشکارتر ميشود. در جهان ذرات بنيادي، تفاوت مابين نيرو و ماده ازبين ميرود و تنها ذرات هستند که وجود دارند. نظريه ميدان کوانتومي، ميدان نيرو را توسط تبادل ذرات بنيادي خاصي تبيين ميکند. به عبارتي، مثلاً نيروي دافعهاي که مابين دو الکترون وجود دارد، در واقع، چيزي جز تبادل فوتون (که خود، يک ذره بنيادي ديگر است) ميان آندو نيست. هر ميدان نيرو، معادل با وجود ذرات بنيادي مربوط به خود است.
در حوزه ذرات بنيادي، حتي تفاوتي اساسي ميان نور و ماده هم وجود ندارد. نور و ماده، هردو از ذرات بنيادي تشکيل شده و قابل تبديل به يكديگر هستند. در آزمايشي که در سال 1997 در مرکز تحقيقات شتابدهنده خطي استنفورد(7) انجام شد، فيزيکدانها براي نخستين بار توانستند با برخورد دادن فوتونها به يكديگر، نور را به ماده تبديل کنند. (تبديل ماده به نور، پيش از آن، بارها توسط برخورد ذرات زيراتمي به همديگر در شتابدهندهها بهوقوع پيوسته بود.)
در دنياي ذرات بنيادي، همه ذراتِ از يک نوع، در واقع، يکي هستند. مثلاً هيچ تفاوتي مابين دو الکترون، وجود ندارد. در حوزهاي از جهان که ما تجربه ميکنيم، ميتوان مابين دو شيء مثلاً دو ليوان، بر حسب اختلاف شکل، رنگ، يا . . . که با هم دارند، تمايز قائل شد اما به اين دليل که در دنياي ذرات بنيادي، تمامي اين مفاهيم، از بين ميرود و تنها چند ويژگي ساده باقي ميماند که آنهم براي تمامي ذرات بنيادي مشابه، دقيقاً يکسان است، پس به هيچ وجه نميتوان مابين آنها اختلافي پيدا کرد.
پس ميبينيم که در حوزه ذرات بنيادي، همه پديدههاي جهان، شروع به يکي شدن ميکنند.
به سوي وحدت بزرگ
اما اين سفر به اعماق حوزه ذرات بنيادي و سطوح انرژي بالاتر، در نهايت به کجا خواهد انجاميد؟ آيا ممکن است همه نيروها و پديدههاي جهان، درواقع، يک پديده بيشتر نباشند؟ آيا همان عاملي که باعث سختي فولاد شده، رنگين کمان را در آسمان، نقش ميزند؟ آيا عامل نورافشاني ستارهها، همان عاملي است که باعث حرکت ابرها ميشود؟ آيا عامل ريزش باران، همان عامل تپش قلب موجودات است؟ آيا . . .
اينک، محققان، با دلايل محکمي معتقدند که چنين وحدتي در اعماق لايههاي دروني جهان وجود دارد و در صدد آشکاري آن هستند. آنها به دنبال کشف بنياديترين قوانين هستياند، قوانيني که ساير قوانين جهان، از دل آن بيرون ميآيند.
فيزيکدانها در سال 1983، موفق شدند سطحي از اين وحدت را آشکار کنند. يک تيم يک صد نفري از محققان به رهبري کارلو روبيا(8) با استفاده از يک دستگاه بزرگ شتابدهنده پروتون، نشان دادند که در انرژيهاي بسيار بالا، نيروهاي الکترومغناطيسي و هستهاي ضعيف(9) با همديگر وحدت پيدا کرده و تبديل به يک نيرو ميشوند. آنها نشان دادند که اين دو نيرو در واقع، يک نيرو هستند که در انرژيهاي پايين، بهظاهر، رفتار متفاوتي از خود نشان ميدهند بهگونهاي که تاکنون، به اشتباه چنين تصور ميکرديم که با دو نيروي مختلف مواجهيم. بدين ترتيب، اين انديشه که در وراي تمام پديدههاي متنوع هستي، تنها سه نيروي متفاوت درکار است، تأييد گرديد(10) و (11) .
اما تلاش براي آشکاري وحدت پنهان در هستي، همچنان ادامه دارد. اينک دانشمندان، دورنمايي از اين وحدت بزرگ را در پيش رو دارند. اما براي دستيابي به لايه عميقتري از وحدت، بايد به سطوح انرژي بالاتري در جهان، دست پيدا کنيم. به همين دليل، دانشمندان، اينک در حال ساخت يکي از بزرگترين ابزار علمي جهان هستند (12) . اين شتابدهنده عظيم، که حاصل يک همکاري بينالمللي ميان دانشمندان جهان است، قادر خواهد بود، عمق بيشتري از وحدت بزرگ را بر انسان، آشکار کند. اما براي آشکاري وحدت نهايي، هنوز، در ابتداي راه هستيم، راهي به سوي يکي . . .
منابعي براي مطالعه بيشتر
- وب سايت www.particleadventure.org که براي استفاده عموم، طراحي شده است، اطلاعات جالبي را در مورد تحقيقات انجام شده بر روي ذرات بنيادي، در اختيار علاقهمندان، قرار ميدهد.
- جهت کسب اطلاعات تخصصيتر، ميتوانيد به وب سايتwww.interactions.org مراجعه کنيد.
پينوشت:
1) Accelerator
2) Subatomic Particles
3) Elementary Particles . ذراتي نظير الکترون، ميون و نوترينو، در گروه ذرات بنيادي قرار ميگيرند. اما تمامي ذرات زيراتمي، بنيادي نيستند. به عنوان مثال، پروتونها و نوترونها، هريک، از 3 ذره بنيادي به نام" کوارک "تشکيل شدهاند.
4) Particle Physics . فيزيک ذرات، بخشي از دانش فيزيک است که به مطالعه ذرات بنيادي جهان و خواص آنها ميپردازد.
5) محو شدن ذرات بنيادي را در اصطلاح علمي، Particle Annihilation و آفرينش ذرات جديد را Particle Creation مينامند.
6) جنگ جهاني دوم در سال 1939 آغاز شد. سه چهارم کشورهاي جهان، مستقيماً در اين جنگ شرکت داشتند. دامنه جنگ به اروپا، آسيا و افريقا بسنده نکرد و عملاً حتي اقيانوسها هم ديگر مکان امني نبودند. در نهايت با انفجار بمب هستهاي بر فراز ناکازاکي در آگوست 1945، ژاپن که آخرين متحد آلمان در جنگ بود، رسماً تسليم شد و بدين ترتيب، بزرگترين جنگ تاريخ بشرکه 55 ميليون کشته برجاي گذاشت، مانند هر رويداد ديگري به پايان رسيد.
7) Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) . در اين مرکز، يک دستگاه شتابدهنده خطي به طول بيش از 3 کيلومتر نصب است که الکترونها و پوزيترونها را تا انرژيهاي بسيار بالا، شتاب ميدهد. براي آشنايي بيشتر با اين مرکز، به وب سايت www.slac.stanford.edu مراجعه نماييد.
8) Carlo Rubbia . روبيا، فيزيکدان ايتاليايي که راهبرد اين آزمايش بزرگ علمي را بر عهده داشت، يک سال بعد، يعني سال 1984، جايزه نوبل فيزيک را دريافت کرد. جهت مطالعه بيشتر در اين مورد، ميتوانيد به وب سايت www.nobel.se/physics/laureates/1984 مراجعه کنيد.
9) Weak Interaction . برهمکنش ضعيف، نيرويي است که تنها در حوزه ذرات زيراتمي، مشاهده ميشود و معادلي در حوزهاي از جهان که ما تجربه ميکنيم، ندارد. اما برخي از نيروهاي هستي، نظير نيروي الکترومغناطيسي، علاوه بر حوزه ذرات بنيادي، در ساير حوزههاي جهان هم مشاهده ميشوند. اين نيرو، نسبت به ساير نيروهايي که در گستره ذرات زيراتمي، نقش ايفا ميکنند، ضعيفتر است و به همين دليل هم با اين نام، ناميده ميشود.
10) اين سه نيرو عبارتند از: نيروي گرانشGravitational Interaction ، نيروي قوي Strong Interaction و نيروي الکتروضعيف Electroweak Interaction .
11) جالب اينجاست که نظريه وجود سه نيروي بنيادين در جهان، به طور مشترک توسط سه فيزيکدان به نامهاي استيون واينبرگ Steven Weinberg ، عبدالسلام Abdus Salam و شلدون گلاشو Sheldon Glashow مطرح شده بود. اين سه نفر، به طور مشترک با هم جايزه فيزيک نوبل 1979 را دريافت کردند. براي آشنايي بيشتر با زندگينامه و نظريه اين سه فيزيکدان، به وب سايت رسمي نوبل، مراجعه کنيد.
12) شتابدهنده عظيم LHC، (مخفف Large Hadron Collider به معني "برخورد دهنده بزرگ هادرونها") در آزمايشگاه فيزيک ذرات بنيادي اروپا CERN واقع در مرز مشترک سويس و فرانسه در حومه شهر ژنو، در حال ساخت است. حدود هفت هزار دانشمند از نقاط مختلف جهان، بر روي اين پروژه، که يکي از بزرگترين پروژههاي علمي تاريخ بشر است، مشغول به کار هستند. LHC که مطابق برنامه ساخت، قرار است در سال 2007 ، راهاندازي شود، خواهد توانست با ايجاد برخوردهاي با انرژي بسيار بالا مابين پروتونها، به اعماق دنياي ذرات بنيادي، نفوذ کرده، و لايه عميقتري از وحدت بزرگ را بر انسان، آشکار نمايد. براي آشنايي بيشتر با آزمايشگاه CERN، به وب سايت آن به آدرس www.cern.ch مراجعه نماييد.
قرن بيستم، عصر ورود انسان به دنياي شگفتانگيز درون اتم بود. در اين تصوير، تعدادي از محققاني که در عصر اتم، نقش ايفا کردند، حضور دارند (اينشتين، هايزنبرگ، پائولي، شرودينگر، ديراک، کوري، پلانک، . . . ). نتيجه تلاشهاي اين دانشمندان بزرگ اين بود: انسان، تنها محدوده کوچکي از واقعيت جهان بيروني را تجربه ميکند، اما واقعيت، سطوح عميقتري هم دارد بهطوريکه در جهان درون اتم، با واقعياتي روبهرو ميشويم که براي انسان، غير قابل تصور است. (تصوير 1)
در آگوست 1945، براي اولين بار، بارقهاي از قدرت شگفتانگيز نهفته در اعماق اتم، بر بشريت، آشکار شد. امروزه ميدانيم که انرژي عظيمي که سياره ما را زنده نگاه ميدارد (انرژي خورشيد) نيز، از همان حوزه، حاصل ميشود. (تصوير 2)
محققان، به کمک دستگاههاي شتابدهنده عظيم، قدم به اعماق دنياي مرموز ذرات زيراتمي ميگذارند. (تصوير 3)
اينک مشخص شده است که تمامي ماده جهان، از 12 نوع ذره بنيادي تشکيل شده است. اين ذرات، آجرهاي ساختماني جهان ما هستند. (تصوير 4)
اين تصوير، مسير ذرات زيراتمي را که توسط آشکارساز، ثبت و توسط کامپيوتر، بازسازي شده است، نمايش ميدهد. دو ذره بنيادي، پس از برخورد با همديگر، به تعداد زيادي ذره جديد، تبديل شدهاند. (تصوير 5)
اکنون، بزرگترين دستگاه شتابدهنده جهان، در تونلي دايرهاي شکل به محيط 27 کيلومتر، در يک صد متري زير زمين، در آزمايشگاه بينالمللي سِرن CERN در سوييس، در حال نصب است. با تکميل اين پروژه عظيم بينالمللي، گام ديگري در راه آشکاري وحدت بزرگ پنهان در اعماق هستي، برداشته خواهد شد. (تصاوير 6 و 7)