Real Time Web Analytics دیپرلوک: جرم چیست ؟ از یونان باستان تا میدان‌های کوانتومی! (قسمت دوم) | دیپ لوک

دیپرلوک: جرم چیست ؟ از یونان باستان تا میدان‌های کوانتومی! (قسمت دوم)

2

در قسمت اول نوشتار « جرم چیست » ، معنا و مفهوم جرم را از زمان یونان باستان بررسی کردیم و در سفر جذاب خود به درون ماده، به پروتون‌ها و نوترون‌ها رسیدیم. در این قسمت، باز هم دقیق‌تر شده و به دنیای کوارک‌ها و بارهای رنگی وارد خواهیم شد. در این میان، به تناقض‌های جالبی برخورد خواهیم کرد که تنها با یک نگاه جدید می‌توان آنها را حل کرد. در ادامه‌ی این سفر و برای یافتن پاسخ جرم چیست با دیپ لوک همراه باشید…

در رسیدن به پاسخ سوال جرم چیست به این سوال رسیدیم: آیا جرم یک اتم، فقط به جرم پروتون‌ها و نوترون‌های آن مربوط است؟ قطعا چنین نیست! اینجا دیپرلوک است، بنابراین باید باز هم عمیق‌تر شویم! اگر جرم کوارک بالا و پایین را بر روی وب‌سایت Particle Data Group جستجو کنیم، درمی‌یابیم که کوارک‌های بالا و پایین بسیار سبک هستند به نحوی که اندازه‌گیری دقیق جرم  آنها امکان‌پذیر نیست و مقادیر ذکر شده برای آن‌ها نیز، به صورت بازه‌ای از جرم، و با واحد MeV/c2 بیان می‌گردد. بر اساس این واحد، جرم کوارک‌های بالا ۲٫۳ و در بازه‌ی ۳-۱٫۸ در نظر گرفته می‌شود. کوارک‌های پایین، اندکی سنگین‌تر هستند و جرمی برابر ۴٫۸ و در بازه‌ای از ۵٫۳-۴٫۵ قرار دارند. حال جرم این کوارک‌ها را با جرم یک الکترون که در این واحد برابر ۰٫۵۱ است، مقایسه کنید!

بخش تعجب‌آور اینجاست که یک پروتون در این واحد، جرمی برابر ۹۳۸٫۳ دارد! و این در صورتی است که جمع جرم دو کوارک بالا و پایین، مقداری برابر با ۹٫۴ دارد که تنها ۱ درصد جرم یک پروتون خواهد بود! در مورد هر نوترون نیز، مجموع جرم دو کوارک پایین و یک کوارک بالا برابر ۱۱٫۹ است که تنها ۱٫۳ درصد جرم نوترون را شامل می‌شود. بنابراین ۹۹ درصد جرم پروتون و نوترون را در محاسبه جرم یک اتم در نظر نگرفته‌ایم! جرم چیست ؟ واقعا چه اتفاقی رخ داده است؟

برای پاسخ به این سوال باید بدانیم در مورد چه مسئله‌ای بحث می‌کنیم. کوارک‌ها ذراتی حقیقی مانند آنچه فیلسوفان یونانی در نظر می‌گرفتند نیستند، بلکه ذرات موجی کوانتومی یا افت و خیز میدان های کوانتومی بنیادی هستند. کوارک‌های بالا و پایین، فقط چند مرتبه از الکترون سنگین‌تر هستند. خاصیت موجی الکترون نیز از سال‌ها قبل به اثبات رسیده، بنابراین باید خود را برای رفتارهای عجیب و غریب آماده کنیم!

نکته‌ای که نباید از آن غافل شد مسئله‌ی گلوئون‌های بی جرم، قانون نسبیت خاص، E=mc2، و تفاوت میان جرم برهنه (bare) و جرم پوشیده (dressed) است. در نهایت، نباید نقش میدان هیگز را در «منشا» جرم ذرات بنیادی فراموش کنیم. برای درک آنچه در داخل پروتون یا نوترون اتفاق می‌افتد، باید از طریق کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، به نظریه میدان کوانتومی نیروی رنگ بین کوارک‌ها دست یابیم.

کوارک‌ها و گلوئون ، بار‌های رنگی دارند. اگرچه معنای دقیقی از این مفهوم در اختیار نداریم، اما رنگی بودن بار‌ها یکی از مشخصه‌های گلوئون‌ها و کوارک‌هاست که بر اساس تصمیم فیزیکدانان در سه نوع قرمز، سبز یا آبی دسته‌بندی ‌می‌شوند. تاکنون کوارک یا گلوئون به تنهایی مشاهده یا به دام‌ انداخته نشده‌، بلکه تنها در ساختار ذرات بزرگتر که به هادرون معروف هستند (از معروفترین هادرون‌ها می‌توان به پروتون‌ها و نوترون‌ها اشاره کرد) یافت می‌شوند، بنابراین هیچ کس تا به حال کوارک برهنه را نیز مشاهده نکرده است. در حقیقت، کرومودینامیک کوانتومی نشان می‌دهد اگر یک بار رنگی را بتوان مشاهده کرد، احتمالا انرژی نزدیک به بی‌نهایت خواهد داشت. بر اساس قانون ارسطو «طبیعت، خلا را از بین می‌برد» اما امروزه می‌توان چنین گفت که «طبیعت، بار‌های رنگی برهنه یا آزاد را از بین می‌برد».

جرم چیست در فیزیکبنابراین اگر ما یک کوارک مجزا با بار‌های رنگی برهنه ایجاد کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ ممکن است در اثر این فرآیند، انرژی بسیار زیادی تولید شود، در حدی که قادر به تولید گلوئون‌های مجازی از یک فضای خالی خواهد بود. همانطور که در اثر چرخش الکترون به دور خودش (حرکت اسپینی)، میدان مغناطیسی تولید می‌شود و این میدان باعث تولید فوتون‌های مجازی می‌گردد. در اثر انتشار کوارک‌ها نیز گولوئون‌های مجازی تولید می‌شوند. بر خلاف فوتون‌ها، گلوئون‌ها به تنهایی دارای بار‌های رنگی هستند و توانایی کاهش انرژی به صورت جزئی را دارند. بهتر است به این شکل به موضوع فکر کنید:

کوارک‌های برهنه به شدت خجالتی هستند و به سرعت با پوشش گلوئونی خود را می‌پوشانند.

انرژی تولید شده به اندازه کافی زیاد است، به طوری که نه تنها قادر به تولید ذرات مجازی بوده، بلکه امکان تولید ذرات بنیادی نیز وجود دارد. در تلاش برای پوشش بار رنگی ایجاد شده، یک پادکوارک تولید خواهد شد که با یک کوارک برهنه برای تشکیل یک مزون (Meson) جفت می‌گردد. نکته مهم این است که یک کوارک هیچگاه به تنهایی دیده نمی‌شود.

برای پوشش کامل بار‌های رنگی، باید پادکوارک‌ها را در مکان و زمان مشابه، در کنار یک کوارک قرار دهیم، اما اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اجازه چنین عملی را به طبیعت نمی‌دهد: یک مکان دقیق دارای یک اندازه حرکت نامحدود است و همچنین سرعت تغییر مقدار معینی انرژی با زمان، نیازمند مقدار نامحدودی از انرژی خواهد بود. طبیعت هیچ راهی جز سازش ندارد. اگرچه امکان پوشش کامل بار‌های رنگی وجود ندارد، ولی امکان پوشش یک پادکوارک توسط یک گلوئون‌ مجازی وجود دارد. با این عمل، انرژی به حد قابل کنترلی خواهد رسید.

رخدادهای مشابهی درون پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز رخ می‌دهد. سه کوارک در محدوده ذرات میزبانشان، نسبتا آزادانه حرکت می‌کنند، اما همچنان، بار‌های رنگی منتشر شده باید پوشیده شوند یا حداقل، میزان انرژی آنها کاهش یابد. هر کوارک، محیط درهم و برهمی از گلوئون‌های مجازی ایجاد می‌کند که همراه با کوارک و پادکوارک‌ها، در آن، جلو و عقب می‌رود. فیزیکدان‌ها گاهی سه کوارکی که یک پروتون یا نوترون را تشکیل می دهند، کوارک‌های «ظرفیت» می‌نامند، زیرا انرژی کافی برای ایجاد دریایی از جفت‌های کوارک-پادکوارک، در داخل این ذرات وجود دارد. کوارک‌های ظرفیت، تنها موجودات درون این ذرات (پروتون‌ها و نوترون‌ها) نیستند. این بدان معنی است که جرم پروتون و نوترون تا حد زیادی می‌تواند به انرژی گلوئون‌ها و دریای جفت‌های کوارکی-پادکوارکی ناشی از میدان‌های رنگی، مربوط باشد.

ادامه دارد…

دکترای شیمی معدنی از دانشگاه فردوسی مشهد علاقه مند به بیو شیمی معدنی و شیمی محاسباتی مخصوصا بررسی نقش فلزات در سیستم های زیستی مانند نقش آهن در تالاسمی!

گفتگو۲ دیدگاه

ارسال نظر

*