چهار شگفت انگیز که قوانین فیزیک را برای جهان تعیین می کنند

ذرات بنیادین عالم مانند پروتون، نوترون و الکترون برای ایفای نقش در جهان هستی و انجام کنش متقابل با یکدیگر از چهار قانون اساسی پیروی می‌کنند که مجموع آنها را قوانین چهارگانه طبیعت می‌نامیم. اگر جهان هستی را به یکی از زبان‌های بشری تشبیه کنیم، ذرات در حکم واژه‌ها و نیروها در نقش دستور زبان هستند. البته دستور زبان بسیار ساده ای که توانسته فقط با استفاده از چهار قاعده اصلی، کتابی با شکوه و زیبا بیافریند و عامل پیدایش موجودات هوشمندی شود که صفحات این کتاب را ورق بزنند، در مورد آن نیروها بیندیشند و از عهده توصیف کمی و کیفی آن بخوبی برآیند. شواهد محکمی در دست است که نشان می دهد منشا این چهار نیرو ابتدای خلقت، یک ابرنیروی واحد بوده که با افت شدید دما در نخستین لحظات پس از بیگ بنگ به چهار نیروی متفاوت شکسته شده و کنترل جهان هستی را به دست گرفته است. آشناترین و ملموس ترین عضو این خانواده، نیروی گرانش است.

گرانش
گرانش، نیروی جاذبه ای است که میان همه ذرات دارای جرم وجود دارد. افتادن اجسام بر اثر نیروی گرانش میان تک تک ذرات کره زمین و همه ذرات جسم مورد نظر روی می دهد. متراکم شدن مواد پس از انفجار بزرگ و تشکیل کهکشان ها و همین طور تجمع گازها درون کهکشان ها برای تشکیل ستارگان، حاصل نیروی گرانش است. چرخش ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید و خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری هم بدون وجود گرانش ممکن نیست. گرانش به حرکت اجرام آسمانی نظم و آهنگ می بخشد.

گرانش دو ویژگی منحصربه فرد دارد. نخست این که این نیرو همیشه جاذبه است. حتی دو ذره با بار الکتریکی یکسان هم یکدیگر را بر اثر گرانش جذب می کنند، ولی این نیرو به قدری ضعیف است که تاب مقاومت در برابر نیروی دافعه الکتریکی آن دو را ندارد. ویژگی دیگر گرانش دوربرد بودن آن است. در فواصل کیهانی که جرم ساختارها چشمگیر است، نیروی گرانش بخوبی اثر خود را آشکار می کند. فاصله میان کهکشان راه شیری و کهکشان آندرومدا حدود ۲٫۵ میلیون سال نوری است؛ ولی نیروی گرانش میان آنها، از این فاصله هم موثر است و این دو کهکشان با سرعت ۳۰۰ کیلومتر بر ثانیه در حال نزدیک شدن به یکدیگر هستند و حدود ۴٫۵ میلیارد سال دیگر به هم برخورد خواهند کرد.
اگرچه داستان کشف جاذبه فقط با افتادن یک سیب از درخت، افسانه ای بیش نیست ولی اگر در این افسانه، نیوتن اندکی باهوش تر بود و پس از کشف جاذبه این را هم از خود می پرسید که چرا سیب به درون زمین فرو نرفت؟ احتمالا امروز او را کاشف نیروی الکترومغناطیسی هم می دانستیم.

نیروی الکترومغناطیسی
این نیرو، اجزای ماده را کنار هم می نشاند. الکترون را در اتم مقید و با پیوند اتم ها به یکدیگر مولکول ها و ساختارهای بزرگ تر را تولید می کند. این نیرو مسئول همه تغییرات شیمیایی است و اساس کار آن یک جمله معروف است: «بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای غیرهمنام همدیگر را جذب می کنند.» چرخش الکترون به دور پروتون برخلاف چرخش زمین به دور خورشید نمی تواند ناشی از نیروی جاذبه باشد، چراکه با جرم ناچیز الکترون و پروتون نیروی گرانش حاصل بسیار ناچیز و قابل چشم پوشی است. بنابراین به نیرویی با سازوکاری متفاوت نیاز داریم. نیروی الکترومغناطیسی باعث می شود الکترون با بار منفی جذب بار مثبت هسته اتم شود و با چرخش به دور هسته، اتم های پایدار به وجود بیاورد. نیروی الکترومغناطیسی ۱۰۳۶ بار قوی تر از گرانش است؛ یعنی اگر بزرگی گرانش را به اندازه یک نخود تشبیه کنیم، بزرگی نیروی الکترومغناطیسی از کل عالم هستی بزرگ تر است. زمانی که یک براده آهن جذب آهن ربا می شود، یک مجموعه کوچک با تعداد محدودی الکترون و پروتون بر کل نیروی گرانش حاصل از برهم کنش همه ذرات براده آهن با همه ذرات کره زمین غلبه می کند. نیروی الکترومغناطیسی با ایجاد پیوند میان اتم ها و مولکول ها ماده را می سازد و به آن انسجام می بخشد و باعث می شود سیب پس از افتادن از درخت به درون زمین فرو نرود.
ولی اگر نیروی الکترومغناطیسی میان بارهای همنام باعث می شود آنها یکدیگر را دفع کنند چگونه ممکن است ۹۲ پروتون با بار مثبت همراه ۱۴۳ نوترون، درون هسته یک اتم تجمع کنند و اتمی مانند اورانیوم ۲۳۵ را به وجود آورند؟ پاسخ به این پرسش، دانشمندان را به کشف نیروی سوم یعنی نیروی هسته ای قوی هدایت کرد.

نیروی هسته ای قوی
نیرویی که باعث پایداری هسته اتم می شود نیروی هسته ای قوی نام دارد. پسوند قوی، از شدت این نیرو نسبت به نیروی الکترومغناطیسی حکایت دارد. نیروی هسته ای قوی به قدری کوتاه برد است که حوزه تاثیر آن به درون هسته اتم محدود است و ما هیچ گاه نمی توانیم احساس مستقیم و درک ملموسی مانند آنچه از گرانش و الکترومغناطیس داریم از آن داشته باشیم. اگر یک متر را به ده میلیارد قسمت مساوی تقسیم کنیم، به فاصله ای می رسیم که می توانیم نیروی الکترومغناطیسی بین دو ذره باردار را احساس کنیم ولی برای احساس نیروی هسته ای قوی باید یک متر را ابتدا به یک میلیارد قسمت و سپس هر قسمت را به یک میلیون قسمت دیگر تقسیم کنیم.

پروتون و نوترون که خود از ذراتی کوچک تر به نام کوارک ساخته شده، تحت نفوذ این نیروی قوی قرار دارد. البته اگر یک نوترون پر انرژی وارد یک هسته سنگین مانند اورانیوم ۲۳۵ شود نیروی الکترومغناطیسی بر نیروی هسته ای قوی چیره خواهد شد و با متلاشی شدن هسته، انرژی فراوانی آزاد می شود. این پدیده شکافت هسته ای نام دارد و در ساخت بمب اتم از همین قاعده ساده استفاده می شود. ولی نیروها لزوما دو ذره را به سمت یکدیگر نمی کشند. نیروی چهارم نیرویی است که نقش اصلی آن کمک به واپاشی عناصر، تبدیل آنها به عناصر دیگر و ایجاد اثر رادیواکتیویته است.

نیروی هسته ای ضعیف
این نیرو باعش واپاشی نوترون و پروتون و تبدیل آنها به یکدیگر است که در نتیجه به هسته یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل می شود. این تبدیل عناصر، عامل اصلی پرتوزایی و تولید انرژی هسته ای است. نقش این نیرو در واکنش های هسته ای خورشید و تبدیل هیدروژن به هلیم بسیار حیاتی است. این نیرو ۱۰۱۱ مرتبه از نیروی الکترومغناطیسی ضعیف تر است و برد آن خیلی کوتاه تر از نیروی الکترومغناطیسی و با برد نیروی هسته ای قوی قابل مقایسه است.

اتحاد نیروها
اواسط قرن ۱۹ میلادی کلارک ماکسول توانست نشان دهد نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که تا آن زمان تصور می شد دو نیروی متفاوتند در واقع دو روی یک سکه به نام نیروی الکترومغناطیسی هستند. شاید خود ماکسول هم از درک جایگاه ویژه کشف شگفت انگیزش باخبر نبود، ولی زمانی که اواخر قرن ۲۰ عبدالسلام و واینرگ نشان دادند نیروی الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف هم در انرژی های بالا به یک نیرو به نام الکتروضعیف تبدیل می شوند اوضاع دگرگون شد. ظاهرا همه نیروها در انرژی های بالا مانند آنچه بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشت با هم متحد می شوند. البته تلاش هایی که تاکنون برای اثبات اتحاد همه نیروها صورت گرفته هنوز به پاسخ قطعی منجر نشده است.

همکاری حیرت انگیز
هماهنگی نیروهای چهارگانه برای کنترل پدیده های عالم و ایجاد جهان کنونی بویژه برای ایجاد امکان حیات، حیرت انگیز و باورنکردنی است. بهترین نمونه برای نشان دادن این هماهنگی در فرآیند ایجاد انرژی در دل خورشید مشاهده می شود. این فرآیند پیچیده چنین آغاز می شود که نیروی جاذبه میان پروتون های خورشید، آنها را به هم نزدیک می کند. گاهی دو پروتون به قدری به هم نزدیک می شوند که بر اثر انرژی زیاد خود برای یک لحظه بر نیروی دافعه الکتریکی غلبه و به هم برخورد می کنند. در همین لحظه نیروی ضعیف، یکی از پروتون ها را به نوترون تبدیل می کند و در این هنگام نیروی قوی وارد عمل شده، پروتون و نوترون را به هم پیوند می دهد و اینجاست که هسته هلیم متولد می شود. بر اثر این پیوند، انرژی فراوانی ساطع می شود که به لطف نیروی الکترومغناطیسی به شکل تابش به زمین می رسد. حیات زمینی آهنگ مناسب سوختن خورشید را مدیون هماهنگی میان این نیروهاست. براستی این سازوکار باورنکردنی را باید حاصل اتفاقات و احتمالات دانست یا هنرنمایی یگانه وجودی هوشمند و مقتدر؟

منبع: بیگ بنگ

10