پیشرفت و رکود فیزیک از زاویه «متحد سازى» (Unification)

مسعود ناصری

قبل از اینکه بتوان وارد این بحث شد لازم است که اصطلاح “اتحاد” (unification) را در فیزیک جا بیاندازیم. طبق تعریف، در یک سیستم “متحد” (unified) همه اعضا یا اجزاء ویژگى خاصى را که به آن سیستم مربوط مى شود را دارند. مثلا سه پسر سارا خانم همگى “برادر” هستند. تا آنجائى که به تعریف یا ویژگى “برادرى” مربوط مى شود، هیچیک از پسرها تفاوتى با دیگرى ندارد و وقتی می گوئیم «پسر سارا»، این واژه به هر سه پسر بطور یکسان صدق می کند. اصطلاحا مى گوئیم این پسرها از نظر “برادرى” یک سیستم متحد یا یکپارچه هستند. حال اگر روزى ما مردى را بیابیم و ثابت کنیم که ایشان برادر گمشده این سه نفر هست، آنگاه این مرد را به سیستم “یکپارچه” سه پسر سارا اضافه کردیه ایم و وى را با بقیه یکپارچه کرده ایم حالا مى دانیم که این مرد با سه مرد قبلى عین هم هستند (البته فقط از نظر برادرى). این تلاش ما در جهت اثبات برادری این مرد جدید اصطلاحا “یکپارچه سازى” (unification) نامیده مى شود. یک مثال دیگر: انسان یک موجود زنده است.حیوان نیز یک موجود زنده است. روزی کشف مى کنیم که باکترى هم یک موجود زنده است. با این حساب، تا آنجائى که به ویژگى “زنده بودن” مربوط مى شود، انسان، حیوان و باکترى “یکپارچه” مى باشند و این بدان معنى است که هیچ تفاوتى بین آنها نیست. حال اگر روزى در کره مریخ چیزى پیدا کنیم و ثابت کنیم که موجود زنده است، آن موجود را با بقیه موجودات زنده یکپارچه کرده ایم.

در مقاله اى که در مورد “تقارن” (symmetry)، مبحث اصلی تئورى گروه و تئورى میدان کوانتومى که کلاس‌های خاص خود را در آکادمی دارند، صحبت خواهیم کرد “یکپارچه” بودن را به نوع خاصى از تقارن که به نام «تقارن داخلی» (internal symmetry) ارتباط خواهیم دید. به عنوان مثال، همین الان من متوجه شدم که لوستر اتاق من دارای دو نوع تقارن است. «تقارن خارجی» (external symmetry) ناشی از این واقعیت که این لوستر ۳ شاخه دارد که با فاصله های مساوی از هم قرار دارند (هر ۱۲۰ درجه یک شاخه) و هر شاخه لامپی را نگاه می‌دارد. بنابراین با چرخش ۱۲۰ درجه‌ای لوستر در ظاهر آن هیچ تغغیری اتفاق نخواهد افتاد. به عبارت دیگر، اگر شما به آن نگاه کنید و بعد از اتاق خارج شوید و در نبودن شما من ۱۲۰ درجه لوستر را بچرخانم، در برگشت تان به اتاق قادر به تشخیص چرخش اتفاق افتاده نخواهید بود. همچنین یک تقارن داخلی (internal symmetry) نیز به این لوستر من حاکم است که مستقل از داشتن یا نداشتن تقارن خارجی آنست و آن اینکه اگر جای لامپ ها را باهم عوض کنیم هیچ‌کس متوجه نخواهد شد. ملاحظه مو کنیم که تشابه زیادى بین «تقارن داخلی» و «یکپارچگى» وجود دارد فعلا به همین اشاره مختصر اکتفا می کنیم تا در وقت مناسبی آنرا بیشتر بررسى کنیم.

با این مقدمه، برگردیم به بحث خودمان. مهمترین تحول بنیادى در شناخت بشر از جهان و نیز اولین تفکر «اتحاد» در فیزیک توسط کپرنیک ارائه شد که نظریه بطلمیوسى مبنى بر “زمین بى حرکت و در مرکز جهان واقع بودن آن” را منسوخ کرده نشان داد که زمین مانند دیگر سیاره هاى شناخته شده تا أن زمان (حدود ۴) به دور خورشید در حرکت است. بدینوسیله، زمین هیچ تفاوتى با سیارات دیگر ندارد و همه باهم یک سیستم یکپارچه اى را در منظومه خورشیدى تشکیل مى دهند: زمین سیاره است و هر سیاره مثل زمین.

همچنین، اینکه خورشید نسبت به سیارات خود ساکن است، آنرا مشابه ستارگان دیگر مى کند. به عبارت دیگر، هر ستاره اى یک خورشید و هر خورشیدى یک ستاره است این نتیجه گیرى از نظریه کپرنیک دومین تلاش در تفکر یکپارچه سازى یا اتحاد در فیزیک است: خورشید ما ستاره ایست در مجموعه ستارگان و ستاره چیزى نیستند مگر خورشید.

اصل نسبیتى گالیله مبنى بر اینکه حرکت مطلق وجود ندارد و هر حرکتى را باید نسبى در نظر گرفت، یکى بودن حرکت (با سرعت ثابت) و سکون را اثبات کرد. به عنوان مثال، مسافرى در هواپیما مشغول کتاب خواندن است. کتاب وى نسبت به او ساکن ولى نسبت به من که بر روى زمین هستم با سرعت ثابتى (سرعت هواپیما) در حرکت است. میز کار من نسبت به کره زمین ساکن ولى نسبت به خورشید با سرعتى حدود ١٠٠ هزار کیلومتر در ساعت در حرکت است (چون زمین با چنان سرعتى دور خورشید مى گردد- البته از تغییر سرعت زمین در قسمت هائى از مدارش صرفنظر کرده ایم). بنابراین، بسته به اینکه ناظر کجا باشد، میز کار من یا کتاب آن مسافر هواپیما را مى توان بطور هم زمان هم ساکن و هم در حرکت (با سرعت ثابت) تعبیر کرد (نسبت به من ساکن ولى نسبت به ناظرى در فضاى بیرون کره زمین متحرک است). پس طبق اصل نسبیتى گالیله، سکون همان حرکت (با سرعت ثابت) است و تنها فرقى که دارد این است که سرعت آن برابر با صفر است. نتیجه مهم این بحث این است که اصل نسبیتى گالیله “سکون” و “حرکت با سرعت ثابت” را یکپارچه مى کند: سکون همان حرکت با سرعت ثابت است.

اتحاد بعدى توسط نیوتون انجام مى گیرد که نشان مى دهد نیروى جاذبه (گرانشى) در زمین (که من و شما را روى زمین نگاه مى دارد) با نیروئى که زمین را در مدار خورشید نگاه مى دارد و مجبور مى کند که زمین دور خورشید بگردد، همان نیروئى که باعث سقوط جسم بر روى زمین مى شود، همان نیروئى که براى خنثى کردن آن باید موشک و سفینه ما از موتور استفاده کند، همه یکى است.

اتحاد الکتریسیته و مغناطیس توسط ماکسول را شاید بتوان مهمترین یکپارچه سازى تا آن زمان دانست چون بطور بنیادى نه تنها شناخت ما از جهان را تغییر داد بلکه در بلند مدت زندگى ما بر کره زمین را از نظر مهندسی و به خصوص صنعت الکترونیک، رادار، لیزر، رادیو، … متحول ساخت. ماکسول این اتحاد را در قالب الکترومغناطیس بر اساس نتایج حاصل از آزمایش هاى غالبا فاراده ممکن ساخت و نشان داد که تفاوت بین الکتریسته و مغناطیس ناشى از حرکت ناظر است و بس. نه تنها میدانهاى الکتریکى و مغناطیسى دو چهره یک پدیده هستند بلکه اگر ناظری پدیده اى را الکتریکى تعبیر می کند، ناظرى دیگر که نسبت به قبلى در حرکت است همان پدیده را مغناطیسى تعبیر خواهد کرد.

نتیجه دیگر اتحاد الکتریسیته و مغناطیس، اتحاد نور با امواج الکترومغناطیس بود و اینکه نور همان امواج الکترومغناطیس است و امواج الکترومغناطیس همان نور (تنها تفاوت بر مى گردد به حس بینائى انسان و اینکه آنچه انسان نور تعبیر می‌کند تنها محدوده خاص و کوچکی از طیف فرکانسی امواج الکترومغناطیس است که براى مکانیزم چشم انسان قابل درک است).

شایان دکر است که یک نتیجه بسیار مهم کار ماکسول وارد کردن موضوع “میدان” (field) به فیزیک است که تحولى عمیق در شکل گیرى تئورى هاى فیزیک ایجاد کرد.

گام بسیار بزرگ فیزیک در “اتحاد” توسط اینشتین واقعیت یافت که با استفاده از اتحاد حرکت و سکون گالیله و اتحاد الکتریسیته و مغناطیس و نیز اتحاد نور و امواج الکترومغناطیس ماکسول، تئورى نسبیت خاص (Special relativity) خود را شکل داد که علاوه بر دگرگون کردن بنیادى نگرش ما به جهان (که مهترین کشف علمى بشر لقب گرفته است) اتحاد “فضا” و “زمان” را در چارچوب “فضازمان” یکپارچه کرد. در حقیقت، کار اینشتین یک فرآیند یکپارچه سازى عظیم است چرا که تئورى نسبیت خاص توانست چندین اتحاد پراکنده را در یک قالب واحد به نام تئوری نسبیت خاص یک‌جا جمع کند.

اینجا لازم است اندکى موضوع “میدان” را بشکافیم. تا اواخر قرن نوزدهم اعتقاد بر این بود که فضا از ماده خاصى به نام اتر (ether) پر شده است و همانگونه که صوت در هوا حرکت مى کند و هوا حامل صوت است، اتر نیز حامل نوری است که از خورشید و ستارگان به ما مى رسد. حتى بعد از ارائه تئورى ماکسول هم که نشان مى داد نور همان امواج الکترومغناطیس هست باز تصور چنین بود که اتر حامل این امواج مى باشد تا اینکه در یک سرى آزمایشهائى که توسط میکلسون و مورلى(Michelson, Morely) بین سال هاى ۱۸۶۳ و ۱۸۶۸ انجام گرفت هیچ نشانى از اتر یافت نشد و فرضیه اتر به فراموشى سپرده شد و به عبارتى چون وجود اتر ثابت نشد فیزیک قبول کرد که وجود ندارد. بعدا هم که تئورى نسبیت خاص شکل گرفت نیازى به وجود اتر نداشت. با توجه به اینکه اتر در فیزیک به عنوان ماده تعریف مى شود و نظر به اینکه میدان الکترومغناطیسى کاملا جا افتاده بود وحتى لرد کلوین (Kelvin)، فیزیکدان مهم آن دوران نظریه اى ارائه کرده بود مبنى بر اینکه ماده حاصل تنش در میدان است و انواع اتم ها را گره هاى خطوط میدان تعبیر می کرد، بنابراین نتیجه گیرى شد که میدان بر ماده اولویت دارد (بنیادى تر از ماده است).

از این به بعد تمرکز فیزیک بر روى میدان بیشتر مى شود و کم کم تلاش به “یکپارچه سازى میدان ها” (unification of fields) آغاز و روز به روز شتاب بیشترى می گیرد. اتحاد میدانهای الکتریکى و مغناطیسى نیز انگیزه بیشتری به این حرکت می‌داد و طبیعى بود که این پرسش مطرح شود که چرا میدان گرانشى (gravitational field) را با میدان الکترومغناطیسى متحد نکنیم؟ از کجا معلوم که این دو میدان نمودهاى متفاوت یک میدان واحدى نباشند؟ این برخورد موجب شد که ایده “میدان واحد” (unified field) وارد فیزیک گردد.

بعد از نسبیت خاص که هم الکترومغناطیس را در خود داشت و هم به خاطر بکارگیرى اصل نسبیتى گالیله اتحاد حرکت با سکون را، انیشتین تصمیم مى گیرد با دستکارى در تئورى نیوتون (که به خوبى نیروى گرانشى را توصیف مى کرد) آنرا با نسبیت خاص ادغام کند. در نهایت بعد از ده سال تلاش توانست با متحد کردن هندسه فضازمان با نیروى گرانشى و همچنین با کشف “اصل معادل” (principle of equivalence) که حرکت شتابدار را از نیروى گرانشى غیر قابل تمییز مى کند، توانست هر نوع حرکتى (چه با سرعت ثابت و چه متغیر) را با سکون متحد کند. به این ترتیب، تئورى جدیدى به نام نسبیت عام (general relativity) را در سال ١٩١۶ تکمیل نمود که اتحاد میدان الکترومغناطیس و میدان گرانشى بود.

بر طبق این تئورى جدید، زمان در نزدیکى میدان گرانشى کند مى شود و هرقدر شدت میدان گرانشى بزرگتر شود، زمان کندتر می گردد و با میل کردن شدت میدان گرانشی به بینهایت زمان به صفر میل می‌کند (زمان متوقف می گردد). مثلا در یک سیاه چاله کیهانى (cosmic black hole) میدان گرانشى به بینهایت میل مى کند و زمان متوقف مى شود. یکی پیش‌بینی مهم این تئورى انحراف اشعه نور از مسیر مستقیم خود در گذر از میدان گرانشى است. میدان گرانشى مترادف با وجود ماده در فضازمان است و بنابراین اگر نور در میدان گرانشى دچار انحنا مى شود به این معنى است که نور در گذر از کنار ماده انحنا مى یابد. از آنجائى که طبق تئورى ماکسول امواج الکترومغناطیس همیشه در مسیر مستقیم حرکت مى کنند پس انحناى نور مترادف است با انحنای فضازمان و نتیجه زیباى این بحث این مى شود که ماده موجب انحناى فضازمان مى شود. بنابراین، با توجه به وجود پراکندگی این همه سیاره و ستاره و سنگهاى آسمانى و …. فضا دارى کلى برآمدگى و فرورفتگى مى باشد و چون این اجرام فضائى در حرکتند پس امواجى ناشى از این حرکت در فضا شکل مى گیرند و حرکت مى کننند که به امواج گرانشى (gravitational waves) شهرت دارند:یکى از مهمترین دستاوردهاى نسبیت عام.

در تئورى نسبیت خاص فقط حرکت یکنواخت (سرعت ثابت یا حرکت بدون شتاب) را مى توان مورد بحث و مطالعه قرار داد و چون فضازمان دچار هیچ انحنائى نمى شود بنابراین هندسه اقلیدسی دوران دبیرستان کاملا مناسب این تئورى است.آشکار است که فضازمان خمیده و انحنادار را دیگر نمى توان با هندسه اقلیدسى مطالعه کرد و نیاز به یک هندسه غیراقلیدسى داریم، مثلا هندسه ریمانى که بهترین ابزار ما براى نسبیت عام مى باشد. مى بینیم که شکل فضا (یا درست تر بگویىم، فضازمان) مترادف با نیروى گرانشى است. مشاهده مى شود که نسبیت عام علاوه بر در بر گرفتن اتحاد حرکت و سکون، اتحاد الکترومغناطیس و گرانش، اتحاد فضا و زمان، اتحاد گرانش و شتاب، اتحاد هندسه (یا شکل) فضازمان با گرانش را نیز ممکن می سازد.

گفتنى است که تنها اینشتین نبود که به دنبال این اتحاد بود و افراد دیگرى هم در این راستا تلاش مى کردند و اتفاقا یکى از اینها کاریست استثنائى و انقلابى توسط فیزیکدان فنلاندى گونار نورداشتروم (G. Nordström) که اتفاقاً دو سال قبل از نسبیت عام ایتشتین وارد فیزیک شد و بسیارى از فیزیکدان هاى آن زمان کار نورداشتروم را به خاطر سادگی ریاضی به کار گرفته در آن به نسبیت عام ترجیح مى دادند. استثنائى بودن کار نورداشتروم در این بود که فضا را به جاى سه بعد رایج، چهار بعدى در تظر مى گرفت و این اولین بار بود که اندیشه فضاى بیش از سه بعد بطور جدى وارد فیزیک مى شد. نورداشتروم معادلات الکترومغناطیس را که ماکسول در فضاى سه بعدى نوشته بود در فضاى چهار بعدى نوشت و بطور شگفت انگیزى نیروى جاذبه از میان محاسبات او بیرون آمد. نه تنها این تئورى اتحاد میدان هاى گرانشى و الکترومغناطیس را ممکن مى کند بلکه در بسیاری از موارد با نسبیت عام هم سازگار است.

بر طبق تئورى نورداشتروم نور همیشه مسیر مستقیم را مى پیماید و برخلاف تئورى نسبیت عام وجود میدان گرانشى تاثیرى بر مسیر نور نمى گذارد. به عبارت دیگر، با خیال راحت همان هندسه اقلیدسى در تئورى ایشان بکار گرفته می شود.لیکن دوران برای مدت طولانی بر وفق مراد نورداشتروم نگشت چون وقتی که در سال ١٩١٩ تدینگتون (Teddington) انحراف نور در گذر از کنار خورشید را طى یک کسوف در آفریقا مشاهده و اندازه گیرى کرد اولاً معلوم شد نور انحراف می‌یابد و مهمتر اینکه مقدار انحراف کاملاً با پیش بینى نسبیت عام سازگار بود. تئورى نورد اشتروم مردود شد. این خود درس مهمى است براى ما که صرف درست بودن ریاضیات یک نظریه دلیل واقع بین بودن آن نیست. یک مشخصه مهم هر تئورى این است که علاوه بر بى ایراد بودن آن در قالب ریاضى باید بتواند پیش بینى هائى نیز بکند و تنها بعد از مشاهده و تائید آن پیش بینى هاست که تئورى مزبور قابل قبول مى شود.

حدود سال ١٩٢٠، یک فیزیکدان آلمانى به نام کالوزا (Kaluza) روش دیگرى را براى اتحاد الکترومغناطیس با میدان گرانشى پیشنهاد داد که همانند نورداشتروم فضا را چهار بعدى فرض مى کرد ولى با این تفاوت که نسبیت عام را در فضازمان ۵ بعدى نوشت و الکترومغناطیس از محاسبات بیرون آمد. نکته مهم این تئورى در اینست که همانطور که نیروى گرانش به هندسه فضازمان ۴ بعدى ارتباط داده شد، در فضازمان ۵ بعدى نیز گرانش به همان ۴ بعد سابق مربوط می‌شد ولی الکترومغناطیس به بعد پنجم ارتباط داده مى شد. این بدان معنى است که هر دو میدان گرانشی و الکترومغناطیسی به هندسه فضازمان ربط داده مى شوند که تا آنجا که به اتحاد میدان ها مربوط مى شود دستاورد بسیار مهمى براى فیزیک بود.

چندان طول نکشید که کلاین (Kline) فیزیکدان سوئدى کار کالوزا را تکمیل و در نهایت تئورى زیبایى که به تئورى کالوزا-کلاین (Kaluza-Kline) شهرت دارد را ارائه کند که تنها با اضافه شدن یک بعد به فضا و اعمال معادلات انیشتین به فضازمان ۵بعدى، معادلات ماکسول را به دست مى داد. انیشتین و دیگر فیزیکدان ها در موارد مختلف به تائید و تشویق این تئورى پرداختند لیکن این تئورى یک مشکل اساسى داشت (و دارد) و آن اینکه باید نه تنها بعد پنجم یک منحنى بسته (دایره) باشد و نیز فوق العاده کوچک که قابل رؤیت نباشد بلکه اندازه قطر این دایره نیز باید ثابت نگهداشته شود. مثلا طول و عرض و ارتفاع مى توانند در زمان تغییر یابند ولى اندازه و شکل دایره مربوط به این بعد اضافى (یعنی بعد چهارم فضا) نباید در زمان تغییر کند. آشکار است که این شرط ناخوشایندى نیست چرا که بر طبق نسبیت عام فضازمان موجودى دینامیکى می باشد که مدام در تغییر است و اینکه براى درست از آب درآمدن پیش بینى یک تئورى، باید یکى از چهار بعد فضا را مستثنى کنیم و مجبورش کنیم که به دلخواه ما تغییر کند برخوردى علمى نیست. در توضیح این مورد اضافه کنیم که اگر اجازه دهیم اندازه بعد چهارم فضا در زمان تغییر کند، حل معادلات منجر به بینهایت جواب می شود. همچنین، از مشکلات دیگر اینکه گاه با تغییر کوچکى در اندازه این بعد اضافى، کل سیستم ناپایدار مى شود و محاسبات دلالت بر توقف زمان مى کنند (singularity) و گاه این بعد آنقدر بزرگ مى شود که قابل دیدن مى گردد و پیش بینى هاى دیگر تئورى را به هم مى ریزد.

مشکل دیگر تئورى هاى از نوع کالوزا-کلاین این است که دلیل ندارد ابعاد اضافى به شکل دایره باشند چون هر منحنى بسته اى را مى توان در نظر گرفت و این یعنی بینهایت شکل منحنى بسته و در نتیجه بینهایت نسخه از یک تئورى که هر کدام دنیاى فیزیکى خاص خود را توصیف مى کند. گرفتارى در این است که هیچکس نمى داند کدامیک از آن بینهایت نسخه مناسب توصیف دنیاى فیزیکى ماست. همچنین، نکته دیگر اینکه هرچه تعداد ابعاد اضافى زیاد مى شود مساله ناپایدارى که در بالا به آن اشاره کردیم بدتر و بدتر مى گردد.

به خاطر همین مشکلات، خیلی‌ها و از جمله اینشتین علاقه خود را به تئورى هائى از نوع کالوزا-کلاین که قائل به بعد اضافى فضا بودند را از دست دادند. لیکن در دهه سوم قرن بیست میلادى دو نیروى دیگر طبیعت به نام هاى نیروى هسته اى ضعیف (که اجزاى هسته اتم را در کنار هم قرار مى دهند) و نیروى هسته اى ضعیف (که مسؤول تجزیه رادیواکتیو است) هم کشف شدند که اتحاد میدان هاى این دو نیرو با دو نیروى شناخته شده قبلى را الزامى مى کرد. بقیه عمر اینشتین صرف پیدا کردن این تئورى «میدان واحد» مى شود ولی به نتیجه نمى رسد.

هرچند علاقمندى به این موضوع دیگر مثل سابق نبود ولى بودند افرادى که روش کالوزا-کلاین را ادامه دادند و با اعمال معادلات انیشتین به فضازمان هاى با تعداد ابعاد بیش از چهار توانستند تئورى هاى جدیدى ارائه کنند که مهمترین آنها در قالب معادلات یانگ-میلز (Yang-Mills) معرفی می شوند ولى باز همان ایراد وجود دلشت: این ابعاد نه تنها باید در حد غیرقابل دیده شدن کوچک باشند بلکه اندازه آنها نیز باید ثابت باقى بماند. در راستاى این فعالیت، فیزیکدان های دهه ٧٠ میلادى متوجه شده بودند که معادلات یانگ-میلز دو نیروى هسته اى ضعیف و قوى را هم توصیف مى کنند.

شکست های پی در پی و عدم موفقیت فیزیک در اتحاد نیروى گرانشى با سه نیروى دیگر از یک طرف و ناچیز بودن نسبى شدت نیروی گرانشی در مقایسه با سه نیروى دیگر از طرف دیگر، فیزیکدان ها را تشویق مى کرد تا از خیر نیروى گرانشى بگذرند و آنرا از مدل هائی که ارائه می‌کنند حذف نمایند. این یک عقب نشینى بزرگ برای فیزیک بود و برگشتى تحقیرآمیز از فضازمان نسبیت عام با هندسه ریمانى به فضازمان نسبیت خاص با هندسه اقلیدسى. در هر حال این اتفاق افتاد و از این مرحله به بعد هست که تمرکز فیزیک بر روى سه محور متمرکز شد: اتحاد سه نیرو (بدون گرانش)، اتحاد تئورى نسبیت با کوانتوم و مطالعه فیزیک ذرات بنیادى و شتاب دهنده ها.

کار بر روى اتحاد میدان الکترومغناطیسی با تئورى کوانتوم آغاز شد و از آنجائى که نسبیت خاص الکترومغناطیس را در فرمالیسم خود دارد مناسب ترین قدم این بود که به دنبال اتحاد تئوری‌های کوانتوم با نسبیت خاص بروند و از آنجائی که الکترومغناطیس یک میدان است عنوان این تئورى جدید “تئورى میدان کوانتومى” (quantum field theory) شد. گفتنى است که تئورى کوانتوم به خودى خود اثرات نسبیتى را در فرمولاسیون خود ندارد حال آنکه سرعت ذرات بنیادى به سرعت نور نزدیک است و چشم پوشى از اثرات نسبیتى مى تواند ما را از توصیف درست واقعیت دور کند. لیکن در تئورى میدان کوانتومى، به خاطر حضور تئوری نسبیت خاص، این مشکل حل مى شود.

در این راستا، ابتدا تئورى موفق الکترودینامیک کوانتومى (quantum electrodynamics, QED) بطور مستقل توسط توموناگا (Tomonaga) در ژاپن و فاینمن (Feynman) و شوینگر (Schwinger) در آمریکا شکل گرفت و تلاش بر تعمیم تئورى میدان کوانتومى به نیروهاى هسته اى ضعیف و قوى نیز آغاز شد که تقریبا تا دو دهه بدون نتیجه باقی ماند تا اینکه دو کشف بنیادى بسیار مهمى صورت گرفت: اصل گیج (gauge principle) و شکست ناگهانى تقارن (spontaneous symmetry breaking, SSB).

به باور من این دو نظریه اگر مهمتر از اصل نسبیتى گالیله و ثابت بودن سرعت امواج الکترومغناطیس نباشد کمتر هم نیستند. به نظر می‌آید که اگر دو نظریه بالا در نهایت موجب شکل گیرى تئوری نسبیت شدند، دو نظریه اخیر تحول مهم فیزیک قرن ٢١ را رقم خواهند زد. بطور خلاصه، اصل گیج بیان مى کند که سه نیروى الکترومغناطیس، هسته اى قوى و هسته ای ضعیف متحد هستند و شکست تقارن بیان مى کند که چرا عیلرغم اتحاد، خود را در سه شکل متفاوت (با شدت های متفاوت)بروز مى دهند.

در اوایل دهه ۶٠ ایده ترکیب گیج تئورى با شکست تقارن توسط سه نفر، انگلبرت (Englert)، براوت (Brout) و هیگز (Higgs) واقعیت یافت که به پدیده هیگز (Higg phenomenon) معروف گشت و به فاصله چند سال واینبرگ (Weinberg) و عبدالسلام (Abdus Salam) توانستند به کمک پدیده هیگز نیروى الکترومغناطیسی و هسته اى ضعیف را متحد کنند، که تئورى الکترویک (electroweak) نام گرفت و نشان دادند که مشابه الکترومغناطیس که توسط فوتون منتقل مى شود، نیروى هسته اى ضعیف نیز توسط ذراتى شبیه فوتون (ولى ٣ ذره) منتقل مى شود که +w و -w و z نام دارند و مدت چندانى نگذشت که هر سه ذره در شتابدهنده مشاهده شدند.

ادغام اصل “شکست ناگهانى تقارن” در تئورى های بنیادى فیزیک مهترین کشف بشر بعد از تئورى هاى نسبیت و کوانتوم مى باشد و شاید مبالغه نباشد که بگوئیم اساسی ترین کشف علمى بشر در مورد جهان و قوانین حاکم بر آن است. در فرآیند شکست تقارن، یک کمیت فیزیکى به نام میدان هیگز (Higgs field) تعریف مى شود که مقدار آن مشخص می‌کند آیا تقارن شکسته است یا نه و در صورت شکسته شدن چگونه. تا قبل از ظهور چنین تئورى اى تفکر اجزانگرى ناشى از دیدگاه مکانیکى نیوتون باعث شده بود که خواص ذرات بنیادى را محصول قوانین ازلى بدانیم. لیکن بعد از این تئورى هاست که مى دانیم خواص ذرات بنیادى به چگونگى شکست تقارن مربوط مى شود و چگونگى شکست را پارامترها و عواملى مانند دانسیته و دما تعین مى کنند

مدل واینبرگ-عبدالسلام، قائل به وجود میدان هیگز و بوزون خاص آن با نام «بوزون هیگز» (Higgs boson) که گاه «ذره خدا» نیز نامیده می‌شود می باشد. این بوزون مسؤول نیروى میدان هیگز است (مانند فوتون که بوزون میدان الکترومغناطیسى است). لیکن مشکل مدل فوق این است که نمی تواند جرم دقیق این بوزون را که مقدار آن یکى از ضرایب ثابت مدل است تعیین کند. در حقیقت، دست فیزیکدان ها را در تعیین مقدار آن باز می‌گذارد (که این خود ایرادى اساسى براى مدل فوق می باشد). پیشنهاد شده است جرم بوزون هیگز حدود ١٢٠ برابر جرم پروتون باشد. اخیرا وجود چنان ذره اى در شتابدهنده HCL مورد تائید قرار گرفت و هفته قبل جایزه نوبل فیزیک امسال به هیگز و انگلرت داده شد (براوت چند سال قبل فوت کرد).

با توجه به بحث بالا حالا دیگر این تنها معادلات نیستند که خواص ذرات بنیادى جهان را تعیین مى کنند بلکه شرایطى که آن معادلات را حل مى کنیم نیز نقش عمده اى در تعیین خواص ذرات دارند. بنابراین، خواص ذرات بسته به اینکه شکست تقارن در کدام قسمت جهان و در چه دوره اى از تکامل آن اتفاق افتاده باشد مى تواند متفاوت باشند.

در اوایل دهه ٧٠ “اصل گیج” به نیروى هسته اى قوى تعمیم داده شد و ملاحظه شد که میدان خاصى نیز به این نیرو صدق مى کند. تئورى حاصل به کرومودینامیک کوانتومى (quantum chromodynamics) شهرت یافت که از ابزار هاى تئوریک موفق فیزیک است و به همراه مدل واینبرگ-عبداسلام اساس مدل مشهور استاندارد (standard model) را تشکیل مى دهند که حدود ١٩٧٣ تکمیل شد. مدل استاندارد به عنوان مهمترین ابزار مطالعه فیزیک ذرات بنیادى به شمار مى رود و اکثر فیزیکدان ها آنرا فخر فیزیک می‌دانند و به چنان دستاوردی مباهات می‌کنند چرا که همه ذرات بنیادى شناخته شده تا امروز و (منهای نیروی جاذبه) سه نیروى طبیعت را شامل مى شود. بعد از کشف اخیر نیز که نوترینوها هم جرم دارند (هرچند فوق العاده کم و حدود یک بیلیونیوم جرم پروتون)، تنظیمات مختصرى در این مدل داده شد.حالا نه تنها شتاب دهنده ها به کمک این مدل طراحى و ساخته می‌شوند بلکه آزمایش هایى هم که بناست در آنها انجام گیرند باز به کمک همین مدل طراحى و اجرا مى شوند.

کشف مدل استاندارد و در کنار آن درک این نکته که بر طبق اصل گیج سه نیروى طبیعت نمود متفاوت یک نیروى واحد می باشند، مهمترین دستاورد فیزیک به شمار مى آیند، دستاوردى که نتیجه تلاش فکرى هزاران فیزیکدان مهم جهان است.

پرسش بعدی این بود که اگر توانسته ایم سه نیرو را متحد کنیم چرا نباید فکر کنیم که ذرات بنیادى نیز ممکن است اتحاد خاص خود را داشته باشند؟ مى توان “اصل گیج” را به تقارن «خاصى» که همه ذرات بنیادى فیزیک را شامل شود اعمال کرد.این تقارن باید بگونه اى باشد که کوارک ها را به لپتونها تبدیل کند و بنابراین همه کوارک ها و لپتون ها در قالب یک ذره واحد و یک میدان واحد متحد خواهند شد که کوارک ها و لپتون ها با شکست ناگهانى این تقارن متولد می شوند. تلاش سختی آغاز شد که سرانجام به بار نشست. ساده ترین تقارنى که کشف شد تقارن (SU(5 نام گرفت (عدد ۵ نشاندهنده ۵ ذره، یعنى سه کوارک و دو لپتون است) که اتحاد نیروها را نیز ذر خود داشت. این تقارن جدید نه تنها تمام پیش بینى هاى مدل استاندارد را توجیه مى کند بلکه تواناتر از آن است چرا که پیش بینى هاى جدیدى مانند امکان تجزیه کوارک به الکترون ها و نوترینوها را ارائه مى کند. بر اساس این پیش بینی، یک پروتون که شامل سه کوارک می باشد باید در اثر تجزیه مثلا یکى از کوارک هایش به موجود ساده ترى تبدیل شود. لازم به گفتن است که تا آنروز پروتون ها ذرات پایدارى فرض مى شدند ولی معلوم شد که چنین نیست هرچند تجزیه آن طبق محاسبات حدود ۱۰^۳۳ سال طول می کشد (شکر! چون اگر این عدد کوچکى بود امروز اتمى در جهان وجود نداشت و من و شما هم نبودیم).

بنابراین، اگر تئورى. (SU(5 درست باشد مهمترین شرط درستی آن این خواهد بود که تجزیه یک پروتون را در آزمایشگاه تائید کنیم. خوشبختانه اجراى چنان آزمایشى کار چندان مشکلى نیست. البته اگر بنا باشد فقط یک پروتون تنها را زیر نظر بگیریم لازم خواهد بود حدود ۳۳^۱۰ سال منتظر بمانیم. بنابراین، یک مخزن بزرگ آب فوقالعاده خالص را که هزاران لیتر آب داشته باشد در نظر مى گیریم. چون هر هسته هیدروژن و اکسیژن آن پروتونن دارد، تعداد بسیار زیادى پروتون در مخزن خواهیم داشت و با تنها یک یا دو سال انتظار خواهیم توانست تجزیه حداقل چند پروتون را شاهد باشیم. تنها شرط اجراى موفقیت آمیز چنین آزمایشی عبارت خواهد بود از محافظت مخزن از تسعشعات کیهانى، که مدام ما را بمباران مى کنند، چون مى توانند با برخورد با پروتون آنرا متلاشى کنند. در حقیقت، این آزمایش حدود سه دهه پیش با قرار دادن مخزنى با ۵٠ میلیون لیتر آب خالص در یک معدن در عمق هزار مترى بک کوه در ژاپن پیاده شد.

امروز، بعد از سه دهه، هنوز منتظریم تا تجزیه حتى یک پروتون اتفاق بیافتد. اینکه مهمترین پیش بینى تئورى زیباى (SU(5 درست از آب درنیامده است جامعه فیزیک و بخصوص فیزیک ذرات بنیادى را سخت به هم ریخته است و موجب دلسردى شدیدى گشته است در حدى که دیگر آن شوق و شور دهه ٨٠ از بین جامعه فیزیک ذرات بنیادى رخت بربسته و تمرکز آنها و دانشجویان دوره دکترا از جستجو براى اتحاد نیروها و ذرات جهان به پروژه هاى کاربردى مانند ابررسانا، لیزر، کامپیوتر کوانتومى و … منتقل شده است که هم زود نتیجه مى دهند و هم زود قابل انتشار به شکل مقاله که پروفسور شدن به تاخیر نمى افتد و هم با وارد کردن نتایج حاصله به صنعت، درآمد مالى خوبى نصیب دانشگاه یا موسسه تحقیقاتى و خود محقق مى شود.(جالب است بدانید که امروزه تقریبا همه دانشگاه هاى رده بالاى دنیا هر کدام یک شرکت تجارى نیز به ثبت رسانده اند و نتیجه تحقیقات حاصل از پروژه هاى دکترا و گاه کارشناسى ارشد را در قالب اختراع مى فروشند و اساتید و محققین تحت فشارند که درآمد دانشگاه/موسسه بالا برود وگرنه نباید به دوام شغلشان امیدوار باشند). دیگر کمتر کسى است که با رفتن به دنبال پروژه هاى بنیادى فیزیک بخواهند آینده شغلى خود را در رقابت با همکاران به خطر اندازد! به عنوان مثال، من حدود ۱۶ سال است که از شغل آکادمیک خودم دست شسته ام تا وقت کافی یرای نظریه خاصی (فیزیک سیستم‌های پیچیده) که بر روی آن کار می‌کنم داشته باشم. آشکار است که در این مدت از قافله عقب افتاده‌ام و علاوه بر اینکه درآمدی از آنهمه تحصیلات نداشته‌ام اگر تا یکی دو سال آینده به نتیجه برسم عمر بیست ساله را صرف یک تئوری بنیادی کرده‌ام و اگر نرسم به کل فراموش خواهم شد و کار و تلاش بیست ساله بی نتیجه خواهد شد. این ریسک بزرگی است که نه تنها خود محقق بلکه زندگی خانواده وی را به خطر می اندازد.

در دورانى که فیزیک در انتظار تائید تئورى (SU(5 چشم به معدن نهفته در دل آن کوه در ژاپن دوخته بود، عده اى (بخصوص در کشور شوروى آن زمان) اصرار به ادامه راه داشتند ولى این بار به دنبال تقارنى بسبار وسیع تر بودند، ابرتقارنى که هم سه نیرو و هم ذرات بنیادى را یکجا در بر مى گرفت. در سالهاى ١٩٧١ و ١٩٧٢ چهار فیزیکدان روس (likhtmann, Golfand, Akulov, Volko) موفق به یافتن چنان تقارنى شدند که بعدها “ابرتقارن”(supersymmetry) نام گرفت. همچنین، مشابه همین تقارن توسط Weis و Zumino در سال ١٩٧٣ در غرب معرفى شد که ظاهرا بى خبر از کار روس ها بودند. نظر به اینکه هر نیروئى مترادف با میدان خاص خود هست و بوزون هاى خاص خود را دارد، برطبق این ابرتقارن باید تقارنى بین بوزون ها و فرمیون ها موجود باشد که به ازاى هر فرمیونى باید بوزونى به همان جرم و بار الکتریکى وجود داشته باشد. مثلا، فرمیونى به نام الکترون ایجاب می‌کند که بوزون مترادفى با همان جرم الکترون و بار منفى که سلکترون (selectron) نامگذارى شده است وجود داشته باشد. یادآورى مى شود که فرمیون ها همان ذرات سازنده ماده جهان (ذرات با اسپین ½) یعنى کوارک ها و لپتون هاست و بوزوها همان ذرات حامل نیرو.

احتمالا الان متوجه اولین مشکل ایده ابرتقارن شده باشید. بر طبق اصل Pauli’s exclusion principle چند بوزون مى توانند همه باهم دارای یک حالت کوانتومى (quantum state) واحد باشند در حالى که فرمیون ها مجاز نیستند. اگر از این مشکل هم چشم پوشى کنیم، در همان آغاز کار ایراد دیگری نیز خود را نشان داد: با توجه به اینکه جرم الکترون بسیار کم است به راحتى در شتابدهنده هاى معمولى هم قابل مشاهده می باشد. پس باید به همان راحتى نیز بتوان سلکترون را که جرمی برابر با جرم الکترون دارد مشاهده کرد. متاسفانه تا امروز چنان ذره اى مشاهده نشده است. براى رفع این ایراد، بنیانگزاران تئورى در صدد برآمدند تا اصل “شکست ناگهانى تقارن” را به ایده ابرتقارن تعمیم دهند تا به این وسیله سلکترون بتواند جرمى چند برابر جرم الکترون داشته باشد و مثلا بتوانند جرم سلکترون را طورى انتخاب کنند که بسیار زیادتر از جرم الکترون باشد. نتیجه اینکه در آن صورت نباید انتظار داشت شتابدهنده هاى موجود بتوانند سلکترون را تولید کنند.

متاسفانه این همان سیاستى بود که در مدل استاندارد و مدل (SU(5 دنبال می شد (و هنوز مى شود) که هر وقت پیش بینى خاصى واقعیت نمى یابد، با دستکارى در مقدار ضرایب ثابت این مدل ها (که هر دو شامل تعداد زیادى از این ضرایب می باشند) هدف را دورتر قرار دهند تا دست نیافتن به آنرا به گردن توان کم شتابدهنده موجود بیاندازند. مثال مشابهى مى توان آورد. فرض کنید تئورى خاصى با ضرایب ثابتى داشته باشیم که پیش بینى کند در صد کیلومترى اینجا یک معدن الماس وجود دارد. لیکن بعد از کلى تلاش و سرمایه گذارى براى رسیدن به محل مزبور، اثرى از معدن نمى یابیم. حال براى اینکه تئورى مورد نظر را به دور نریزیم با تعییر در مقادیر ضرایب ثابت آن کارى مى کنبم که محاسبات جدید نشان دهد که معدن در هزار کیلومترى هست چرا که مى دانیم به این زودى ها امکان رسیدن به حتى ٢٠٠ کیلومترى هم نیست چه برسد به ١٠٠٠ کیلومترى. متاسفانه، این بازى موش و گربه همان کاریست که فیزیک اواخر قرن بیستم تا امروز داشته است.

اکنون، با توجه به بحث بالا، به نظر شما فیزیک در سى سال گذشته در جا نزده است؟ عده زیادى از فیزیکدان های ىسرشناس دنیا اعتقاد دارند که فیزیک با نادیده گرفتن نیروى جاذبه در تئوری هائی از نوع آنچه در بالا معرفی کردیم، نسبیت عام را با نسبیت خاص، هندسه ریمانى را با هندسه اقلیدسى، و فضازمان دینامیک اینشتینی را با فضازمان استاتیک نیوتونی جایگزین کرده است و این را غیر از عفب گرد چیز دیگری نمی‌توان تعبیر کرد.

در مقاله هائى که به دنبال این بحث خواهیم داشت در مورد ابرتقارن و بخصوص نقش آن در تئورى ابرریسمان (superstring) و ابرگرانش (supergravity) صحبت خواهیم کرد و حرکت فیزیک به سوى گرانش کوانتومى (quantum gravity) را که آینده امیدوار کننده اى را نوید مى دهد مورد مطالعه قرار خواهیم داد.

همچنین، این بحث‌ها ما را متقاعد خواهد کرد که باید به فکر چارچوب کاملاً متفاوتی از آنچه تا امروز داشته‌ایم باشیم.

دیدگاه بگذارید

avatar
  اشتراک در  
اطلاع از