فهرست مندرجاتفیزیک ذرات بنیادی
چهار نیروی شگفت‌انگیز طبیعت
- گرانش
- نیروی الکترومغناطیسی
- نیروی هسته‌ای قوی
- نیروی هسته‌ای ضعیف
- اتحاد نیروها
- همکاری حیرت‌انگیز
- يادداشت‌ها
- پی‌نوشت‌ها
- جُستارهای وابسته
- سرچشمه‌ها
[قبل] [بعد]
اگرچه داستان کشف جاذبه فقط با افتادن یک سیب از درخت، افسانه‌ای بیش نیست ولی اگر در این افسانه، نیوتن اندکی باهوش‌تر بود و پس از کشف جاذبه این را هم از خود می‌پرسید که چرا سیب به درون زمین فرو نرفت؟ احتمالاً امروز او را کاشف نیروی الکترومغناطیسی هم می‌دانستیم.
ذرات بنیادین عالم مانند پروتون، نوترون و الکترون برای ایفای نقش در جهان هستی و انجام کنش متقابل با یکدیگر از چهار قانون اساسی پیروی می‌کنند که مجموع آن‌ها را قوانین چهارگانه طبیعت می‌نامیم. اگر جهان هستی را به یکی از زبان‌های بشری تشبیه کنیم، ذرات در حکم واژه‌ها و نیروها در نقش دستور زبان هستند. البته دستور زبان بسیار ساده‌ای که توانسته فقط با استفاده از چهار قاعده اصلی، کتابی با شکوه و زیبا بیافریند و عامل پیدایش موجودات هوشمندی شود که صفحات این کتاب را ورق بزنند، در مورد آن نیروها بیندیشند و از عهده توصیف کمی و کیفی آن به‌خوبی برآیند. شواهد محکمی در دست است که نشان می‌دهد منشأ این چهار نیرو ابتدای خلقت، یک ابرنیروی واحد بوده که با افت شدید دما در نخستین لحظات پس از بیگ بنگ به چهار نیروی متفاوت شکسته شده و کنترل جهان هستی را به‌دست گرفته است. آشناترین و ملموس‌ترین عضو این خانواده، نیروی گرانش است.
[↑] گرانش
گرانش، نیروی جاذبه‌ای است که میان همه ذرات دارای جرم وجود دارد. افتادن اجسام بر اثر نیروی گرانش میان تک تک ذرات کره‌ی زمین و همه ذرات جسم مورد نظر روی می‌دهد. متراکم‌شدن مواد پس از انفجار بزرگ و تشکیل کهکشان‌ها و همین‌طور تجمع گازها درون کهکشان‌ها برای تشکیل ستارگان، حاصل نیروی گرانش است. چرخش ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید و خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری هم بدون وجود گرانش ممکن نیست. گرانش به‌حرکت اجرام آسمانی نظم و آهنگ می‌بخشد.
گرانش دو ویژگی منحصربه‌فرد دارد. نخست این‌که این نیرو همیشه جاذبه است. حتی دو ذره با بار الکتریکی یکسان هم یکدیگر را بر اثر گرانش جذب می‌کنند، ولی این نیرو به‌قدری ضعیف است که تاب مقاومت در برابر نیروی دافعه الکتریکی آن دو را ندارد. ویژگی دیگر گرانش دوربرد بودن آن است. در فواصل کیهانی که جرم ساختارها چشمگیر است، نیروی گرانش به‌خوبی اثر خود را آشکار می‌کند. فاصله میان کهکشان راه شیری و کهکشان آندرومدا حدود ۲،۵ میلیون سال نوری است؛ ولی نیروی گرانش میان آن‌ها، از این فاصله هم موثر است و این دو کهکشان با سرعت ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه در حال نزدیک شدن به یکدیگر هستند و حدود ۴،۵ میلیارد سال دیگر به‌هم برخورد خواهند کرد.
اگرچه داستان کشف جاذبه فقط با افتادن یک سیب از درخت، افسانه‌ای بیش نیست ولی اگر در این افسانه، نیوتن اندکی باهوش‌تر بود و پس از کشف جاذبه این را هم از خود می‌پرسید که چرا سیب به درون زمین فرو نرفت؟ احتمالاً امروز او را کاشف نیروی الکترومغناطیسی هم می‌دانستیم.
[↑] نیروی الکترومغناطیسی
این نیرو، اجزای ماده را کنار هم می‌نشاند. الکترون را در اتم مقید و با پیوند اتم‌ها به یکدیگر مولکول‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر را تولید می‌کند. این نیرو مسئول همه تغییرات شیمیایی است و اساس کار آن یک جمله معروف است: «بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای غیرهمنام همدیگر را جذب می‌کنند.» چرخش الکترون به دور پروتون برخلاف چرخش زمین به دور خورشید نمی‌تواند ناشی از نیروی جاذبه باشد، چراکه با جرم ناچیز الکترون و پروتون نیروی گرانش حاصل بسیار ناچیز و قابل چشم‌پوشی است. بنابراین به نیرویی با سازوکاری متفاوت نیاز داریم. نیروی الکترومغناطیسی باعث می‌شود الکترون با بار منفی جذب بار مثبت هسته اتم شود و با چرخش به‌دور هسته، اتم‌های پایدار به‌وجود بیاورد. نیروی الکترومغناطیسی ۱۰۳۶ بار قوی‌تر از گرانش است؛ یعنی اگر بزرگی گرانش را به‌اندازه یک نخود تشبیه کنیم، بزرگی نیروی الکترومغناطیسی از کل عالم هستی بزرگ‌تر است. زمانی که یک براده آهن جذب آهن ربا می‌شود، یک مجموعه کوچک با تعداد محدودی الکترون و پروتون بر کل نیروی گرانش حاصل از برهم کنش همه ذرات براده آهن با همه ذرات کره زمین غلبه می‌کند. نیروی الکترومغناطیسی با ایجاد پیوند میان اتم‌ها و مولکول‌ها ماده را می‌سازد و به آن انسجام می‌بخشد و باعث می‌شود سیب پس از افتادن از درخت به درون زمین فرو نرود.
ولی اگر نیروی الکترومغناطیسی میان بارهای همنام باعث می‌شود آن‌ها یکدیگر را دفع کنند چگونه ممکن است ۹۲ پروتون با بار مثبت همراه ۱۴۳ نوترون، درون هسته یک اتم تجمع کنند و اتمی مانند اورانیوم ۲۳۵ را به‌وجود آورند؟ پاسخ به این پرسش، دانشمندان را به کشف نیروی سوم یعنی نیروی هسته‌ای قوی هدایت کرد.
[↑] نیروی هسته‌ای قوی
نیرویی که باعث پایداری هسته اتم می‌شود نیروی هسته‌ای قوی نام دارد. پسوند قوی، از شدت این نیرو نسبت به نیروی الکترومغناطیسی حکایت دارد. نیروی هسته‌ای قوی به‌قدری کوتاه‌بُرد است که حوزه تاثیر آن به‌درون هسته اتم محدود است و ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم احساس مستقیم و درک ملموسی مانند آنچه از گرانش و الکترومغناطیس داریم از آن داشته باشیم. اگر یک متر را به ده میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنیم، به‌فاصله‌ای می‌رسیم که می‌توانیم نیروی الکترومغناطیسی بین دو ذره باردار را احساس کنیم ولی برای احساس نیروی هسته‌ای قوی باید یک متر را ابتدا به یک میلیارد قسمت و سپس هر قسمت را به یک میلیون قسمت دیگر تقسیم کنیم.
پروتون و نوترون که خود از ذراتی کوچک‌تر به‌نام کوارک ساخته شده، تحت نفوذ این نیروی قوی قرار دارد. البته اگر یک نوترون پر انرژی وارد یک هسته سنگین مانند اورانیوم ۲۳۵ شود نیروی الکترومغناطیسی بر نیروی هسته‌ای قوی چیره خواهد شد و با متلاشی‌شدن هسته، انرژی فراوانی آزاد می‌شود. این پدیده شکافت هسته‌ای نام دارد و در ساخت بمب اتم از همین قاعده ساده استفاده می‌شود. ولی نیروها لزوماً دو ذره را به‌سمت یکدیگر نمی‌کشند. نیروی چهارم نیرویی است که نقش اصلی آن کمک به واپاشی عناصر، تبدیل آن‌ها به عناصر دیگر و ایجاد اثر رادیواکتیویته است.
[↑] نیروی هسته‌ای ضعیف
این نیرو باعش واپاشی نوترون و پروتون و تبدیل آن‌ها به یکدیگر است که در نتیجه به هسته یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل می‌شود. این تبدیل عناصر، عامل اصلی پرتوزایی و تولید انرژی هسته‌ای است. نقش این نیرو در واکنش‌های هسته‌ای خورشید و تبدیل هیدروژن به هلیم بسیار حیاتی است. این نیرو ۱۰۱۱ مرتبه از نیروی الکترومغناطیسی ضعیف‌تر است و بُرد آن خیلی کوتاه‌تر از نیروی الکترومغناطیسی و با برد نیروی هسته‌ای قوی قابل مقایسه است.
[↑] اتحاد نیروها
اواسط قرن ۱۹ میلادی کلارک ماکسول توانست نشان دهد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که تا آن‌زمان تصور می‌شد دو نیروی متفاوتند در واقع دو روی یک سکه به‌نام نیروی الکترومغناطیسی هستند. شاید خود ماکسول هم از درک جایگاه ویژه کشف شگفت‌انگیزش باخبر نبود، ولی زمانی‌که اواخر قرن ۲۰ عبدالسلام و واینرگ نشان دادند نیروی الکترومغناطیسی و هسته‌ای ضعیف هم در انرژی‌های بالا به یک نیرو به‌نام الکتروضعیف تبدیل می‌شوند اوضاع دگرگون شد. ظاهراً همه نیروها در انرژی‌های بالا مانند آنچه بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشت با هم متحد می‌شوند. البته تلاش‌هایی که تاکنون برای اثبات اتحاد همه نیروها صورت گرفته هنوز به پاسخ قطعی منجر نشده است.
[↑] همکاری حیرت‌انگیز
هماهنگی نیروهای چهارگانه برای کنترل پدیده‌های عالم و ایجاد جهان کنونی بویژه برای ایجاد امکان حیات، حیرت‌انگیز و باورنکردنی است. بهترین نمونه برای نشان دادن این هماهنگی در فرآیند ایجاد انرژی در دل خورشید مشاهده می‌شود. این فرآیند پیچیده چنین آغاز می‌شود که نیروی جاذبه میان پروتون‌های خورشید، آن‌ها را به‌هم نزدیک می‌کند. گاهی دو پروتون به‌قدری به‌هم نزدیک می‌شوند که بر اثر انرژی زیاد خود برای یک لحظه بر نیروی دافعۀ الکتریکی غلبه و به‌هم برخورد می‌کنند. در همین لحظه نیروی ضعیف، یکی از پروتون‌ها را به نوترون تبدیل می‌کند و در این هنگام نیروی قوی وارد عمل شده، پروتون و نوترون را به‌هم پیوند می‌دهد و این‌جاست که هسته هلیم متولد می‌شود. بر اثر این پیوند، انرژی فراوانی ساطع می‌شود که به لطف نیروی الکترومغناطیسی به‌شکل تابش به زمین می‌رسد. حیات زمینی آهنگ مناسب سوختن خورشید را مدیون هماهنگی میان این نیروهاست. به‌راستی این سازوکار باورنکردنی را باید حاصل اتفاقات و احتمالات دانست یا هنرنمایی یگانه وجودی هوشمند و مقتدر؟[۱]
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]- مسعود توکلی، چهار نیروی شگفت‌انگیز طبیعت، وب‌سایت علمی بیگ بنگ
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□ وب‌سایت علمی بیگ بنگ؛ برگرفته از: روزنامۀ جام جم
