نیروهای فیزیکی در کارهای متفاوتی از قدم زدن در خیابان گرفته تا پرتاب موشک به فضا یا چسباندن آهن‌ربا به یخچال، نقش دارند. همه نیروهای فیزیکی که روزانه آنها را تجربه می‌کنیم، می‌توان در چهار دسته بنیادین تقسیم‌بندی کرد.
۱. گرانش
۲. نیروی هسته‌ای ضعیف
۳. الکترومغناطیس
۴. نیروی هسته‌ای قوی
این نیروها، چهار نیروی بنیادین در طبیعت هستند که همه رخدادهای جهان را کنترل می‌کنند.
گرانش
گرانش، کشش میان دو جسم است که انرژی دارند. هنگامی که سنگی از روی پل به زمین می‌افتد، یک سیاره به دور یک ستاره می‌چرخد و یا ماه جزر و مد اقیانوس را پدید می‌آورد، حضور گرانش احساس می‌شود. شاید بتوان گفت که گرانش، یکی از قابل درک‌ترین و آشناترین نیروهای بنیادین باشد اما در عین حال، یکی از چالش‌برانگیزترین موضوعات برای توضیح دادن است.
نیوتن، نخستین کسی بود که ایدۀ گرانش را با دیدن افتادن سیب از درخت مطرح کرد و جاذبه را کشش طبیعی میان دو جسم دانست. قرن‌ها بعد، اینشتین در نظریه نسبیت عام خود اظهار داشت که گرانش، کشش میان دو جسم نیست، بلکه نتیجه ارتباط میان زمان و فضا است. ایده اصلی نظریه اینشتین این است که زمان و فضا از یکدیگر جدا نیستند بلکه با هم ارتباط دارند.
اگرچه گرانش، سیارات، ستارگان، منظومهشمسی و حتی کهکشان‌ها را حفظ می‌کند اما به عنوان ضعیف‌ترین نیروی بنیادین به خصوص در مقیاس مولکولی و اتمی شناخته می‌شود. رخدادهایی مانند افتادن توپ روی زمین یا پریدن، با جاذبه کل زمین در ارتباط هستند و در سطح مولکولی یا اتمی، جاذبه نسبت به نیروهای بنیادین دیگر، هیچ اثری ندارد.
نیروی هسته‌ای ضعیف
نیروی ضعیف یا نیروی هسته‌ای ضعیف، در از هم پاشیدن و زوال ذرات نقش دارد. این نیرو، تغییر طبیعی یک ذره زیراتمی و تبدیل آن به یک ذره زیراتمی دیگر است. برای مثال، یک نوترینو که به سوی یک نوترون منحرف شده، می‌تواند نوترون را به پروتون تبدیل کند و خود به الکترون تبدیل شود.
فیزیکدانان، این تعامل را با کمک تغییر ذرات حامل نیرو موسوم به “بوزون‌ها” (Bosons) تعریف می‌کنند. انواع خاصی از بوزون‌ها، در شکل‌گیری نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و نیروی قوی نقش دارند. نیروی ضعیف، برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که انرژی مورد نیاز برای زندگی را تامین می‌کنند، نقش مهمی دارند و این همان دلیل استفاده از کربن-۱۴ برای تعیین سن استخوان‌های باستانی، چوب و دیگر آثار باستانی زنده است.
کربن-۱۴ یا رادیوکربن، شش پروتون و هشت نوترون دارد و می‌تواند به دانشمندان حوزه باستان‌شناسی و زمین‌شناسی کمک کند تا به سن نمونه‌های باستانی پی ببرند.
نیروی الکترومغناطیس
نیروی الکترومغناطیسی یا “نیروی لورنتس”(Lorentz force)، بین ذرات حامل بار مانند الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های با بار مثبت عمل می‌کند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می‌کنند. هر چه بار ذره بیشتر باشد، نیروی آن نیز بیشتر است. نیروی الکترومغناطیسی نیز مانند نیروی جاذبه، از یک مسافت بی‌نهایت احساس می‌شود.
نیروی الکترومغناطیسی همان گونه که از نام آن بر می‌آید، از دو بخش تشکیل می‌شود؛ نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. فیزیکدانان در ابتدا این نیروها را جدا از یکدیگر توصیف می‌کردند اما پژوهشگران، بعدها دریافتند که این دو بخش، اجزایی از یک نیروی یکسان هستند.
جزء الکتریکی که میان ذرات حامل بار عمل می‌کند، یک میدان را تشکیل می‌دهد که بارهای الکتریکی می‌توانند با کمک آن، یکدیگر را تحت تاثیر قرار دهند. هنگامی که ذرات حامل بار شروع به حرکت می‌کنند، جزء دوم یعنی نیروی مغناطیسی را شکل می‌دهند و یک میدان مغناطیسی به وجود می‌آورند.
نیروهای الکترومغناطیسی هنگام تبادل فوتون‌ها که اجزای تشکیل دهنده ذرات نور هستند، میان ذرات حامل بار منتقل می‌شوند. فوتون‌های حامل نیرو که میان ذرات باردار جا به جا می‌شوند، نمایش متفاوتی از فوتون‌ها هستند. نیروی الکترومغناطیسی، در بروز بیشتر پدیده‌های متداول از جمله اصطکاک، کشش و نیروی نرمال نقش دارد.
نیروی هسته‌ای قوی
نیروی قوی یا نیروی هسته‌ای قوی، قوی‌ترین نیرو میان چهار نیروی بنیادین طبیعت است. قدرت بالای این نیرو به این دلیل است که ذرات بنیادین ماده را برای تشکیل دادن ذرات بزرگ‌تر به هم متصل می‌کند. نیروی قوی، ذرات بنیادین موسوم به “کوارک”(Quark) را که تشکیل دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند، کنار هم نگه می‌دارد و بخشی از این نیروی قوی نیز در نگهداری پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم نقش دارد
عملکرد نیروی قوی مانند نیروی ضعیف، تنها هنگامی امکان‌پذیر است که ذرات زیراتمی، بسیار به هم نزدیک باشند. نیروی قوی، نیرویی عجیب است، زیرا برخلاف نیروهای بنیادین دیگر، با نزدیک شدن ذرات زیراتمی به هم، ضعیف‌تر می‌شود اما هنگامی که ذرات در دورترین فاصله از یکدیگر قرار می‌گیرند، به بالاترین میزان قدرت خود می‌رسد.
یکپارچه‌سازی طبیعت
سوال قابل توجهی که در مورد چهار نیروی بنیادین مطرح می‌شود، این است که آیا این نیروها واقعا نشان‌دهنده یک نیروی بزرگ در جهان هستند. اگر پاسخ مثبت باشد، هر یک از نیروها باید بتوانند با بقیه نیروها ظاهر شوند و در حال حاضر، شواهدی مبنی بر این قابلیت وجود دارد.
“شلدون گلاشو” و “استیون وینبرگ” ، فیزیکدانان “دانشگاه هاروارد” و “عبدالسلام”، فیزیکدان “کالج سلطنتی لندن”، در سال ۱۹۷۹ موفق شدند جایزه نوبل فیزیک را برای پروژه یکپارچه‌سازی نیروی الکترومغناطیسی با نیروی ضعیف و شکل دادن مفهوم “برهمکنش الکتروضعیف”(electroweak interaction) به دست بیاورند.
هدف فیزیکدانانی که در حال حاضر برای دست یافتن به مفهوم یکپارچه‌سازی نیروها کار می‌کنند، یکپارچه‌سازی نیروی الکتروضعیف با نیروی قوی است تا بتوانند نیرویی موسوم به “الکتروهسته‌ای”(electronuclear) را تعریف کنند که پیش از این کشف نشده است.
قسمت نهایی این معما نیز احتمالا یکپارچه‌سازی نیروی جاذبه با نیروی الکتروهسته‌ای خواهد بود تا نظریه موسوم به “نظریه همه‌چیز”(Theory of everything) شکل بگیرد. نظریه همه چیز، یک چارچوب نظری است که می‌تواند همه پدیده‌های فیزیکی و همه جهان را توضیح بدهد.
فیزیکدانان که به مطالعۀ “گرانش کوانتومی” می‌پردازند، هدفشان توصیف نیرو از نظر جهان کوانتومی را دارند که می تواند در ادغام کمک کند. یک کشف اساسی در این رویکرد می‌تواند کشف گراویتون‌ها باشد، این ذره حامل نیروی گرانش می باشد. گرانش تنها نیروی اساسی است که فیزیکدانان در حال حاضر می‌توانند بدون استفاده از ذرات دارای نیرو توصیف کنند. اما از آنجا که توصیفات سایر نیروهای بنیادی نیاز به ذرات ِ حامل نیرو دارد، دانشمندان انتظار دارند که گراویتون‌ها در سطح زیراتمی وجود داشته باشند – اما هنوز این ذرات را پیدا نکرده‌اند.
بخش پیچیده‌تر داستان، قلمرو نامرئی “ماده تاریک” و “انرژی تاریک” است که تقریباً ۹۵٪ جهان را تشکیل می‌دهند. مشخص نیست که ماده تاریک و انرژی تاریک از یک ذرۀ منفرد تشکیل شده‌اند یا مجموعه‌ای از ذرات، که دارای نیروهای خاص خود و بوزون‌های پیام‌رسان هستند.
ذرۀ اصلی پیام‌رسان مورد علاقه فعلی، “فوتون تاریک” نظری است که باعث تعامل بین جهان قابل مشاهده و نامرئی می‌شود. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشد، آنها می‌توانند کلید کشف جهان نامرئی ِ ماده تاریک باشند و منجر به کشف یک نیروی بنیادی پنجم شوند. با این حال، تاکنون هیچ مدرکی مبنی بر وجود “فوتون‌های تاریک” یافت نشده است.
ارسال مطلب به ایمیل دوستاتون:
