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

در دو قسمت پیشین نوشتار جرم چیست به دنبال ردپای جرم از یونان باستان به نظریه میدان‌ کوانتومی و بارهای رنگی رسیدیم و به دنیایی وارد شدیم که در آن، نه فقط ذرات، بلکه نیروهای اسرارآمیزی حمکرانی می‌کردند. در این قسمت، سفر شگفت‌انگیز خود را ادامه داده و به نتایج بسیار هیجان‌انگیزی خواهیم رسید. احتمالا شما هم شوکه خواهید شد اگر متوجه شوید که واقعا ماده‌‌‌ای در کار نیست! با دیپ لوک همراه باشید…

چگونه می‌توان میزان انرژی ایجاد شده توسط گلوئون‌های مجازی را محاسبه کرد؟ در واقع، محاسبه انرژی آن‌ها با استفاده از محاسبات QCD بسیار پیچیده و دشوار خواهد بود. نیروهای رنگی میان این ذرات بسیار قوی بوده و باعث بالا بودن میزان انرژی برهمکنش آنها خواهد شد. از طرفی گلوئون‌ها، بارهای رنگی را نیز حمل می‌کنند، بنابراین امکان برهمکنش هر چیزی با چیز دیگر وجود دارد! تقریبا هر چیزی می تواند به طور مجازی اتفاق بیفتد و ردیابی تمام جایگشت‌های ممکن بین ذرات مجازی و بنیادی، لازم است.

بنابراین اگر چه می‌توان معادلات QCD را به روش نسبتا ساده‌ای بیان نمود، اما تحلیل آن‌ها روی کاغذ بسیار دشوار خواهد بود. از سوی دیگر، امکان استفاده از ریاضیات ساده، آنطور که در QED به طور موفقیت آمیزی مورد استفاده قرار گرفته نیز، وجود ندارد، زیرا انرژی برهمکنش‌ها بسیار زیاد است و این مسئله مانع استفاده از تکنیک‌های بازهنجارش (renormalization) معادلات خواهد شد. تنها راه پیش روی فیزیکدانان برای حل این معادلات، استفاده از کامپیوتر است.

پیشرفت قابل توجهی در نسخه‌ی جدیدی از QCD به نام QCD-lite صورت گرفت. این نسخه فقط گلوئون‌های بی‌جرم و کوارک‌های بالا و پایین را در نظر گرفته و فرض بر این است که کوارک‌ها نیز بی‌جرم (یا به معنای واقعی کلمه، سبک) هستند. جرم پروتون محاسبه شده با استفاده از این تقریب‌ها، فقط ۱۰ درصد سبکتر از مقدار اندازه‌گیری شده بود. یک نسخه ساده از QCD که در آن فرض می‌کنیم در آغاز هیچ ذره‌ای دارای جرم نیست، در عین ناباوری جرم یک پروتون را ۹۰ درصد درست محاسبه نموده است! نتیجه‌ی بسیار شگفت‌آوری است. این بدان معناست که بیشتر جرم پروتون ناشی از انرژی برهمکنش‌های میان کوارک‌ها و گلوئون‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن است.

جان ویلر از عبارت جرمِ بدون جرم (mass without mass) برای توصیف اثرات برهم‌نهی  امواج گرانشی استفاده می‌کند که می‌توانند انرژی مورد نیاز برای تشکیل یک سیاهچاله را در خود جای دهند. اگر چنین چیزی صحیح باشد، آنگاه یک سیاهچاله، نه از ماده موجود در یک ستاره در حال فروپاشی، بلکه از افت و خیزهای فضا-زمان ایجاد شده است. آنچه که ویلر بیان نموده به زبان ساده این است که ایجاد یک سیاهچاله (یا جرم) را می‌توان ناشی از انرژی‌های گرانشی دانست.

فرانک ویلچک، یکی از طراحان QCD، از عبارت ویلر در تحلیل نتایج محاسبات QCD-lite استفاده کرده است. اگر مقدار جرم پروتون و نوترون ناشی از انرژی برهمکنش‌های درون این ذرات باشد، در واقع عبارت جرمِ بدون جرم صحیح است، یعنی به رفتاری برای توصیف ماده‌ی دارای جرم دست یافته‌ایم، بدون آنکه از ویژگی‌های یک ماده دارای جرم استفاده کرده باشیم!

این واقعیت برایتان آشنا نیست؟ کافی است معادله‌ای که از قانون نسبیت خاص اینشتین مشتق شده را به یاد بیاورید: m=E/c^۲ . اینشتین با آگاهی و اطمینان کامل بیان داشت که: «جرم یک جسم در واقع اندازه گیری محتوای انرژی آن جسم است». این جمله کاملا درست است! در کتاب The Lightness of Being (مشاهده در دانلودکده) نوشته ویلچک می‌خوانیم:

اگر جسم مورد نظر، بدن یک انسان باشد که جرم آن ناشی از جرم پروتون‌ها و نوترون‌هاست، پاسخ روشن و قاطع است: لختی (اینرسی) آن جسم، با دقت ۹۵درصد، محتوای انرژی آن است.

در فرایند شکافت هسته‌ی ^۲۳۵U مقداری از انرژی رنگی موجود در پروتون‌ها و نوترون‌های آن، همراه با انفجار آزاد می‌گردد. در زنجیره‌ی پروتون-پروتونِ درگیر در فرایند گداخت ۴ پروتون، تبدیل ۲ کوراک بالا به ۲ کوراک پایین منجر به تشکیل ۲ نوترون می‌گردد که نتیجه‌ی آن، آزاد شدن مقداری از انرژی اضافی میدان‌های رنگی آن است. جرم به انرژی تبدیل نشده، بلکه انرژی از یک میدان کوانتومی به نوع دیگری از میدان کوانتومی تبدیل شده است.

فیزیک مدرن، درسی کاملا متفاوت و عمیقا مخالف با شهودمان به ما می‌آموزد. در گذر زمان و زندگی، ما همواره در حال تبدیل شدن از ماده به اتم، از اتم به ذرات زیراتمی، از ذرات زیراتمی به میدان‌ها و نیرو‌های کوانتومی بوده و در واقع ما در حال از دست دادن بخشی از جرم خود هستیم! حالا ماده، معنای گذشته‌ی خود را از دست داده و تبدیل به یک مفهوم ثانویه شده است! این امر، نتیجه‌ی برهمکنش بین میدان‌های کوانتومی نامحدود است. یعنی چیزی که به عنوان ماده شناخته می‌شود، در واقع رفتار این میدان‌ کوانتومی است و نه یک ویژگی خاص و یا لازم برای آن.

علی‌رغم اینکه دنیای ماکروسکوپی اطرافمان با اجسام سخت و سنگین پر شده، ولی آن‌ها چیزی جز انرژی میدان‌‌های کوانتومی نیستند! ماده، تنها یک ابزار فیزیکی برای بیان انرژی است و نه چیز دیگری! این مفهوم، کاملا تکان دهنده، اما در عین حال فوق العاده جذاب است: ویژگی اصلی این جهان، انرژی میدان‌ کوانتومی است، نه اتم‌های سخت و غیر قابل نفوذ، واقعیتی که احتمالا با رویای فلاسفه‌ بسیار متفاوت است!