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

در اولین قسمت از بخش جدید دیپرلوک، به سراغ یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم دنیای فیزیک رفته‌ایم: جرم. به نظر شما جرم چیست ؟ شاید فکر کنید یک تعریف واحد برای سوال جرم چیست وجود دارد، اما در این مقاله و قسمت‌های بعدی‌ آن، خواهیم دید، اینطور نیست و تعریف جرم رابطه‌ی مستقیمی با میزان دانش ما در علم فیزیک دارد. یونانیان باستان، تعریف خود را برای جرم داشتند و با گذشت قرن‌ها، حالا به جایی رسیده‌ایم که آن را با نظریه میدان کوانتومی تعریف می‌کنیم. می‌خواهید بدانید جرم چیست ؛ پس با دیپ لوک همراه باشید…

اما، تعریف دقیق جرم چیست ؟ یک قالب مکعبی شکل یخ را در نظر بگیرید که کمی بیشتر از ۳ سانتی متر طول دارد. فرض کنید این قالب یخ را در کف دستان خود قرار داده‌اید این قالب، سرد و کمی لغزنده بوده و اندازه‌گیری جرمش، کار سختی است، اما می‌دانیم که داری جرم است. اجازه دهید سوال را با دقت بیشتری بیان کنیم. این مکعب یخ از چه چیزی ساخته شده؟ و یک سوال باز هم مهم‌تر: جرم آن از کجا ناشی می‌شود؟

برای درک اینکه یک مکعب یخ از چه چیزی ساخته شده، باید از شیمیدانان کمک گرفت. آنها بر پایه یک سنت قدیمی که توسط کیمیاگران ایجاد شده، بین عناصر شیمیایی مختلف مانند هیدروژن، کربن و اکسیژن تفاوت قائل می‌شوند. تحقیق در مورد جرم نسبی این عناصر و ترکیب حجمی گازها، جان دالتون و لوئیس گی لوساک را به این نتیجه رساند که عناصر شیمیایی مختلف شامل اتم‌هایی با جرم‌های مختلف هستند که مطابق مجموعه‌ای از قوانین که شامل تعداد کل اتم‌ها می‌شود، با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

مسئله‌ی تولید آب از ترکیب حجمی گازهای اکسیژن و هیدروژن، زمانی به درستی درک شد که دانشمندان پی بردند اکسیژن و هیدروژن هر دو در طبیعت به صورت گازهای دو اتمی (مولکولی)، O_۲ و H_۲، وجود دارند. این موضوع تا حدودی به اولین سوال ما پاسخ می‌دهد. مکعب یخ ما از مولکول‌های H_۲O تشکیل شده که در یک شبکه‌ی بلوری منظم قرار گرفته‌اند. همچنین می‌توانیم به سوال دوم نیز تا حدودی، پاسخ دهیم: بر اساس قانون آووگادرو، یک مول ماده شیمیایی حاوی حدود ۱۰^۲۳×۶ ذره از آن ماده خواهد بود. حال می‌توانیم مقدار مول یک ماده را بر اساس جرم مولکولی آن بر اساس گرم بیان نماییم. جرم مولکولی یک مولکول هیدروژن، H_۲، برابر دو است که بیانگر آن است که هر اتم هیدروژن دارای جرم نسبی ۱ است. همین موضوع برای اکسیژن مولکولی با جرم ۳۲، صادق است و هر اتم اکسیژن جرم نسبی ۱۶ دارد. بنابراین جرم مولکولی یک مولکول آب برابر ۱۸ گرم است.

اگر جرم قطعه یخی که در اختیار داریم ۱۸گرم باشد، به این معناست که یک مول یخ در دست داریم. بر اساس قانون آووگادرو، ۱۰^۲۳×۶ مولکول آب در این قطعه یخ وجود دارد و به نظر می‌رسد این پاسخی قطعی برای پرسش دوم ما باشد. توده‌ی مکعب یخ از جرمی به اندازه جرم اتم‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در ۱۰^۲۳×۶ مولکول آب حاصل می‌شود.

اما به این مسئله از دیدگاه دیگری نیز می‌توان نگریست. ما از دانشمندانی همچون جی. جی. تامسون، ارنست رادرفورد، نیلز بور و بسیاری دیگر از فیزیکدانان اوایل قرن بیستم آموخته‌ایم که تمام اتم‌ها از یک هسته‌ی سنگین مرکزی و الکترون‌های سبک در حال چرخش به دور آن تشکیل شده‌اند. این هسته سنگین متشکل از پروتون‌ها و نوترون‌هاست. تعداد پروتون‌های موجود در هر اتم (که از آن به عنوان عدد اتمی یاد می‌شود) بیانگر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی هر اتم است. هر اتم هیدروژن دارای یک پروتون و هر اتم اکسیژن دارای ۸ پروتون در ساختار هسته خود هستند. اگرچه جرم کلی هر اتم برابر با مجموع جرم پروتون‌ها و نوترون‌های تشکیل دهنده آن اتم است، اما هسته‌ی اتم هیدروژن فاقد نوترون بوده و تنها از یک پروتون تشکیل شده است. فراوانترین ایزوتوپ اکسیژن نیز دارای ۸ پروتون و ۸ نوترون در ساختار هسته خود است. بدیهی است که این شمارش پروتون و نوترون، مانند جرم نسبی اتمی است که در بالا ذکر شد.

اگر از جرم الکترون‌ها به دلیل سبکی آن‌ها صرف نظر کنیم می‌توانیم ادعا کنیم که جرم قطعه یخ، ناشی از جرم تمام پروتون‌ها و نوترون‌های موجود در هسته‌ی اتم‌های هیدروژن و اکسیژن موجود در مولکول آب است. در تشکیل هر مولکول آب ۱۰ پروتون و ۸ نوترون مشارکت دارند. بنابراین اگر ۱۰^۲۳×۶ مولکول در یک قطعه یخ وجود داشته باشد و اگر از تفاوت ناچیز جرم پروتون و نوترون صرف نظر کنیم، می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که این قطعه یخ شامل ۱۸ برابر این مقدار (۱۰^۲۳×۶ مولکول) یعنی ۱۰^۲۳×۱۰۸ پروتون و نوترون است.

اما این پایان ماجرا نیست! اکنون می دانیم که پروتون‌ها و نوترون‌ها ذرات بنیادی نیستند و خودشان از ذراتی به نام کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. هر پروتون دارای دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و هر نوترون نیز دارای دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است و نیرویی که کوارک‌ها را در داخل این ذرات بزرگتر در کنار یکدیگر قرار می‌دهد، توسط گلوئون‌های بی‌جرم انجام می‌شود. اگر جرم کوارک‌های بالا و پایین را یکسان فرض کنیم، با سه برابر کردن تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های آب (۱۰^۲۳×۱۰۸)  تعداد کوارک‌های بالا و پایین برابر ۱۰^۲۳×۳۲۴ خواهد بود. پس می‌توان چنین نتیجه گیری کرد که تمام جرم یخ ناشی از این تعداد است؟ به نظر می رسد حدود ۹۹ درصد ازجرم پروتون و نوترون برای محاسبه جرم اجسام در نظر گرفته نمی‌شود!

ادامه دارد…