نظریه همه چیز
قسمت اول
قسمت دوم
قسمت سوم
قسمت چهارم
قسمت پنجم: کرومودینامیک کوانتومی (QCD)
برای کسانی که به عمیقترین و بنیادیترین قوانین طبیعت علاقهمند هستند، دو چیز الزامی است:
1- شناخت از کوچکترین بلوکهای سازنده مواد ذرات بنیادی.
2- دانش در مورد نیروهایی که برهمکنش بین این ذرات را رقم میزنند و آنها را کنار هم نگه میدارند.
ما چهار نیرو را میشناسیم که قویترین آنها "نیروی قوی" نام دارد. برای شروع میدانیم که پروتونها و نوترونهای کوچکی که هسته اتم را میسازند، خود از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شدهاند. وجود کوارکها در سال 1964 پیشبینی شد و در سال 1970 اثبات شد.
به دلیل اینکه پروتونها و نوترونها درون هسته اتم یافت میشوند، به هر دوی آنها "نوکلئون" گفته میشود؛ درست همان طور که به هر دو جنسیت مرد و زن، "انسان" گفته میشود. میتوانید هر نوکلئون را به صورت کرهای با قطر ¹⁵⁻10 متر تصور کنید که از سه کوارک ساخته شده و این کوارکها با سرعتی نزدیک به سرعت نور درون این کره کوچک در حرکت هستند (تصویر شماره 1). وقتی ذراتی داشته باشیم که با چنین سرعت بالایی در فضای به این کوچکی در حال حرکت هستند، باید حتماً نیرویی بسیار قوی هم داشته باشیم که این ذرات را کنار هم نگه دارد و اجازه خروج آنها از نوکلئون را ندهد. و از آنجا که در مورد مقیاس بسیار کوچک صحبت میکنیم، این نیرو باید یک نیروی کوانتومی باشد. در قسمت قبل، در مورد الکترودینامیک کوانتومی، دیدم که ذرات دارای بار الکتریکی با تبادل فوتون به یکدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد میکنند. برای تبادل فوتون و انتقال نیروی الکترومغنایسی باید حتماََ ذراتی که در این برهمکنش الکترومغناطیسی شرکت دارند، دارای بار الکتریکی باشند؛ زیرا فوتونها (ذرات حامل نیروی الکترومغناطیس) تنها با ذرات دارای بار الکتریکی برهمکنش میکنند. اما برهمکنش قوی بین کوارکها درون نوکلئون، قدری متفاوت است.
اول اینکه در این برهمکنش بار مورد نیاز، بار الکتریکی نیست؛ بلکه "بار نیروی قوی" است که فیزیکدانان به آن "رنگ" میگویند. پس برای درک برهمکنش قوی، ابتدا باید در مورد رنگهای کوانتومی بدانیم که در برهمکنشهای قوی، حکم بار الکتریکی در برهمکنشهای الکرومغناطیسی را دارند.
رنگ کوانتومی:
زمانی که کلمه "نیرو" را میشنویم ممکن از مفاهیم مختلفی در ذهنمان ظاهر شود. مثلاً هل دادن یک ماشین یا ارتش یک کشور و یا حتی نیروهای اسرار آمیزی که در باورهای خرافی از آنها صحبت میشود.
اما "نیرو" در فیزیک کوانتوم به حالتی گفته میشود که دو ذره حامل نوعی بار، بر هم اثر بگذارند و موجب تغییر در یکدیگر شوند (مثلاََ تغییر در سرعت یا جهت حرکت یا...). بسته به اینکه نوع بار در این دو ذره چه باشد، نوع نیرویی که از طریق آن با هم برهمکنش میکنند متفاوت خواهد بود. نیروی قوی توسط ذراتی به نام گلئون حمل میشود و گلئونها برای برهمکنش داشتن به ذراتی با "بار قوی" یا به اصطلاح "رنگ" نیاز دارند. این نوع بار (رنگ) کمی از بار الکتریکی آشنای مثبت و منفی پیچیدهتر است.
داستان از سال 1964 شروع شد، زمانی که "ماری گِلمن" و "جورج زِویگ" به طور غیرمستقیم چیزی که ما امروز به نام مدل کوارک میشناسیم را پیشبینی کردند. ما امروز نسبت به آنها در آن زمان، چیزهای بیشتری در مورد کوارکها میدانیم؛ اما آنها پیشبینی کردند سه نوع کوارک با نامهای Up و Down و Strange وجود دارد که جز فرمیونها هستند و این یعنی دو نوع اسپین کوانتومی ½+ و ½− را حمل میکنند. همانطور که قبلاً گفتیم، پروتونها و نوترونها از سه کوارک ساخته شدهاند؛ پروتون از دو کوارک Up و یک Down و نوترون از یک کوارک Up و دو Down. با توجه به این حقیقت که باریونها از سه کوارک ساخته شدهاند، هیچ قانونی وجود نداشت که نشان دهد کدام کوارک میتواند در یک باریون وجود داشته باشد و این یعنی تمام حالتهای ممکن دیگر هم باید وجود میداشت (تصویر شماره 2). زمانی که مدل کوارک پیشبینی شد، ترکیب SSS، یعنی باریونی با سه کوارک Strange، کشف نشده بود. اما کمتر از یک ماه بعد از باریونی به نام ⁻Ω کشف شد که از سه کوارک Strange ساخته شده بود.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
قسمت اول
قسمت دوم
قسمت سوم
قسمت چهارم
قسمت پنجم: کرومودینامیک کوانتومی (QCD)
برای کسانی که به عمیقترین و بنیادیترین قوانین طبیعت علاقهمند هستند، دو چیز الزامی است:
1- شناخت از کوچکترین بلوکهای سازنده مواد ذرات بنیادی.
2- دانش در مورد نیروهایی که برهمکنش بین این ذرات را رقم میزنند و آنها را کنار هم نگه میدارند.
ما چهار نیرو را میشناسیم که قویترین آنها "نیروی قوی" نام دارد. برای شروع میدانیم که پروتونها و نوترونهای کوچکی که هسته اتم را میسازند، خود از ذرات کوچکتری به نام کوارک ساخته شدهاند. وجود کوارکها در سال 1964 پیشبینی شد و در سال 1970 اثبات شد.
به دلیل اینکه پروتونها و نوترونها درون هسته اتم یافت میشوند، به هر دوی آنها "نوکلئون" گفته میشود؛ درست همان طور که به هر دو جنسیت مرد و زن، "انسان" گفته میشود. میتوانید هر نوکلئون را به صورت کرهای با قطر ¹⁵⁻10 متر تصور کنید که از سه کوارک ساخته شده و این کوارکها با سرعتی نزدیک به سرعت نور درون این کره کوچک در حرکت هستند (تصویر شماره 1). وقتی ذراتی داشته باشیم که با چنین سرعت بالایی در فضای به این کوچکی در حال حرکت هستند، باید حتماً نیرویی بسیار قوی هم داشته باشیم که این ذرات را کنار هم نگه دارد و اجازه خروج آنها از نوکلئون را ندهد. و از آنجا که در مورد مقیاس بسیار کوچک صحبت میکنیم، این نیرو باید یک نیروی کوانتومی باشد. در قسمت قبل، در مورد الکترودینامیک کوانتومی، دیدم که ذرات دارای بار الکتریکی با تبادل فوتون به یکدیگر نیروی الکترومغناطیسی وارد میکنند. برای تبادل فوتون و انتقال نیروی الکترومغنایسی باید حتماََ ذراتی که در این برهمکنش الکترومغناطیسی شرکت دارند، دارای بار الکتریکی باشند؛ زیرا فوتونها (ذرات حامل نیروی الکترومغناطیس) تنها با ذرات دارای بار الکتریکی برهمکنش میکنند. اما برهمکنش قوی بین کوارکها درون نوکلئون، قدری متفاوت است.
اول اینکه در این برهمکنش بار مورد نیاز، بار الکتریکی نیست؛ بلکه "بار نیروی قوی" است که فیزیکدانان به آن "رنگ" میگویند. پس برای درک برهمکنش قوی، ابتدا باید در مورد رنگهای کوانتومی بدانیم که در برهمکنشهای قوی، حکم بار الکتریکی در برهمکنشهای الکرومغناطیسی را دارند.
رنگ کوانتومی:
زمانی که کلمه "نیرو" را میشنویم ممکن از مفاهیم مختلفی در ذهنمان ظاهر شود. مثلاً هل دادن یک ماشین یا ارتش یک کشور و یا حتی نیروهای اسرار آمیزی که در باورهای خرافی از آنها صحبت میشود.
اما "نیرو" در فیزیک کوانتوم به حالتی گفته میشود که دو ذره حامل نوعی بار، بر هم اثر بگذارند و موجب تغییر در یکدیگر شوند (مثلاََ تغییر در سرعت یا جهت حرکت یا...). بسته به اینکه نوع بار در این دو ذره چه باشد، نوع نیرویی که از طریق آن با هم برهمکنش میکنند متفاوت خواهد بود. نیروی قوی توسط ذراتی به نام گلئون حمل میشود و گلئونها برای برهمکنش داشتن به ذراتی با "بار قوی" یا به اصطلاح "رنگ" نیاز دارند. این نوع بار (رنگ) کمی از بار الکتریکی آشنای مثبت و منفی پیچیدهتر است.
داستان از سال 1964 شروع شد، زمانی که "ماری گِلمن" و "جورج زِویگ" به طور غیرمستقیم چیزی که ما امروز به نام مدل کوارک میشناسیم را پیشبینی کردند. ما امروز نسبت به آنها در آن زمان، چیزهای بیشتری در مورد کوارکها میدانیم؛ اما آنها پیشبینی کردند سه نوع کوارک با نامهای Up و Down و Strange وجود دارد که جز فرمیونها هستند و این یعنی دو نوع اسپین کوانتومی ½+ و ½− را حمل میکنند. همانطور که قبلاً گفتیم، پروتونها و نوترونها از سه کوارک ساخته شدهاند؛ پروتون از دو کوارک Up و یک Down و نوترون از یک کوارک Up و دو Down. با توجه به این حقیقت که باریونها از سه کوارک ساخته شدهاند، هیچ قانونی وجود نداشت که نشان دهد کدام کوارک میتواند در یک باریون وجود داشته باشد و این یعنی تمام حالتهای ممکن دیگر هم باید وجود میداشت (تصویر شماره 2). زمانی که مدل کوارک پیشبینی شد، ترکیب SSS، یعنی باریونی با سه کوارک Strange، کشف نشده بود. اما کمتر از یک ماه بعد از باریونی به نام ⁻Ω کشف شد که از سه کوارک Strange ساخته شده بود.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
اما مشکلی وجود داشت؛ یکی از اصول مکانیک کوانتوم که به عنوان "اصل طرد پاولی" شناخته میشود و بر رفتار فرمیونها (از جمله کوارکها) حاکم است میگوید: وجود داشتن دو فرمیون هم نوع (مانند دو کوارک Strange) با حالتهای کوانتومی یکسان (اسپین، بار و... یکسان) در یک مکان به طور هم زمان ممنوع است. و همین اصل رفتار اوربیتالهای الکترونی در اتم را توجیه میکند. اگر این اصل وجود نداشت، شیمی به شدت متفاوت از الآنش بود. اما این اصل در مورد کوارکها چه میگوید؟
فرض کنید باریونی با سه کوارک هم نوع داریم. اکنون فرض کنید کوارک اول دارای اسپین ½+ باشد و کوارک دوم اسپین ½−. اینگونه برای اصل طرد پاولی مشکلی پیش نمیآید و دو کوارک هم نوع میتوانند در کنار هم قرار بگیرند. اما اگر کوارک (هم نوع) سوم را اضافه کنیم چه؟
فرقی نمیکند کوارک سوم اسپین ½+ داشته باشد و یا ½−، زیرا در هر صورت حالتی را اشغال میکند که قبلاََ اشغال شده و طبق اصل طرد پاولی چنین ذرهای نمیتواند وجود داشته باشد (تصویر شماره 3). اما کشف ذره ⁻Ω ثابت کرد که وجود دارد! در اکتبر 1964، یک فیزیکدان آمریکایی به نام دکتر گرینبرگ، پیشبینی کرد که احتمالاً هر کوارک دارای ویژگی دیگری به نام "رنگ" نیز میباشد. رنگ کلمهای است که برای "بار نیروی قوی" استفاده میشود. کلمه رنگ از آنجا آمد که هر کوارک دارای یک ویژگی ناشناخته (به جز اسپین و بار الکتریکی و...) بود اما پروتون و نوترون که از کوارک ساخته شده بودند، دارای آن ویژگی نبودند. پس به ویژگیای نیاز داشتیم که اگر سه نوع مختلف از آن را با هم ترکیب کنیم، یکدیگر را خنثی کنند و اثرشان صفر شود. درست مثل بار الکتریکی مثبت و منفی که میتوانند در ترکیب دوتایی، یک ذره خنثی بسازند، اما در این مورد به ترکیب سه تایی برای خنثی سازی نیاز بود. خوشبختانه در سال 1861 زمانی که فیزیکدان مشهور "جیمز کلارک مکسول" به کمک یک عکاس به نام "توماس ساتن" مشغول انجام آزمایشهایی روی نور بودند، فهمیدند که اگر پرتوهای قرمز، سبز و آبی را ترکیب کنند به نور سفید دست پیدا میکنند (تصویر شماره 4). به همین دلیل اسم ویژگی ناشناخته کوارک را "رنگ" گذاشتند و سه نوع مختلف این ویژگی "قرمز"، "سبز" و "آبی" نام گذاری شد که با ترکیب شدن اثر یکدیگر را خنثی میکردند و پروتون و نوترون سفید رنگ (بی رنگ) را میساختند. اکنون سه کوارک هم نوع میتوانستند کنار هم قرار گیرند (مثل ترکیب SSS در باریون ⁻Ω) حتی اگر هر سه اسپین یکسان داشتند و مشکلی هم برای اصل طرد پاولی ایجاد نمیشد زیرا آنها در ویژگی تازه کشف شدهای به نام "رنگ" با هم تفاوت داشتند.
پس برخلاف بار الکتریکی که دو نوع مثبت و منفی دارد، بار قوی، سه نوع قرمز و سبز و آبی دارد که البته هیچ ربطی به رنگهایی که میشناسیم ندارند و صرفاََ یک نام گذاری هستند. ذراتی هم که این کوارکهای رنگ دار بین هم تبادل میکنند، به جای فوتون، گلئون هستند. فوتون ذره نیروی الکترومغناطیسی و گلئون ذره نیروی قوی است. و به جای QED که مخفف Quantum Electrodynamic بود، به این نظریه QCD مخفف Quantum Chromodynamic گفته میشود. از دید نمودارهای فاینمن، همانطور که تبادل فوتون بین دو الکترون را با یک خط موج دار نشان میدادیم، تبادل گلئون بین دو کوارک را با یک خط حلقهای نشان میدهیم (تصویر شماره 5). و مثل تمام نمودارهای فاینمن، این نمودار نیز نشان دهنده یک معادله است (تصویر شماره 6) که حل آن به شدت پیچیده میباشد.
اما تفاوت QED و QCD در چیست؟
هر دوی آنها در مورد انتقال نیرو توسط ذرات حامل آن نیرو بین دو ذره حامل بار هستند.
فوتونها بدون جرم هستن، گلئونها هم بدون جرم هستند.
فوتون فاقد بار الکتریکی است، اما گلئون بار قوی حمل میکند. یعنی خود گلئونها نیز رنگ دارند. و همین تفاوت کوچک، نتایج بسیار بزرگی دارد. فوتونها (از آنجا که ذرات حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند) فقط با ذراتی برهمکنش میکنند که دارای بار الکتریکی باشند و این یعنی فوتونها هیچ برهمکنشی با خودشان ندارند زیرا خود فوتون فاقد بار الکتریکی است. اما گلئونها (از آنجا که ذرات حامل نیروی قوی هستند) فقط با ذراتی برهمکنش میکنند که دارای بار نیروی قوی (رنگ) باشند و این یعنی گلئونها با خودشان نیز برهمکنش دارند زیرا خود گلئون نیز دارای رنگ است. این خیلی با فوتونهایی که از کنار هم میگذرند و اصلاً متوجه وجود یکدیگر نمیشوند تفاوت دارد (تصویر شماره 7).
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
فرض کنید باریونی با سه کوارک هم نوع داریم. اکنون فرض کنید کوارک اول دارای اسپین ½+ باشد و کوارک دوم اسپین ½−. اینگونه برای اصل طرد پاولی مشکلی پیش نمیآید و دو کوارک هم نوع میتوانند در کنار هم قرار بگیرند. اما اگر کوارک (هم نوع) سوم را اضافه کنیم چه؟
فرقی نمیکند کوارک سوم اسپین ½+ داشته باشد و یا ½−، زیرا در هر صورت حالتی را اشغال میکند که قبلاََ اشغال شده و طبق اصل طرد پاولی چنین ذرهای نمیتواند وجود داشته باشد (تصویر شماره 3). اما کشف ذره ⁻Ω ثابت کرد که وجود دارد! در اکتبر 1964، یک فیزیکدان آمریکایی به نام دکتر گرینبرگ، پیشبینی کرد که احتمالاً هر کوارک دارای ویژگی دیگری به نام "رنگ" نیز میباشد. رنگ کلمهای است که برای "بار نیروی قوی" استفاده میشود. کلمه رنگ از آنجا آمد که هر کوارک دارای یک ویژگی ناشناخته (به جز اسپین و بار الکتریکی و...) بود اما پروتون و نوترون که از کوارک ساخته شده بودند، دارای آن ویژگی نبودند. پس به ویژگیای نیاز داشتیم که اگر سه نوع مختلف از آن را با هم ترکیب کنیم، یکدیگر را خنثی کنند و اثرشان صفر شود. درست مثل بار الکتریکی مثبت و منفی که میتوانند در ترکیب دوتایی، یک ذره خنثی بسازند، اما در این مورد به ترکیب سه تایی برای خنثی سازی نیاز بود. خوشبختانه در سال 1861 زمانی که فیزیکدان مشهور "جیمز کلارک مکسول" به کمک یک عکاس به نام "توماس ساتن" مشغول انجام آزمایشهایی روی نور بودند، فهمیدند که اگر پرتوهای قرمز، سبز و آبی را ترکیب کنند به نور سفید دست پیدا میکنند (تصویر شماره 4). به همین دلیل اسم ویژگی ناشناخته کوارک را "رنگ" گذاشتند و سه نوع مختلف این ویژگی "قرمز"، "سبز" و "آبی" نام گذاری شد که با ترکیب شدن اثر یکدیگر را خنثی میکردند و پروتون و نوترون سفید رنگ (بی رنگ) را میساختند. اکنون سه کوارک هم نوع میتوانستند کنار هم قرار گیرند (مثل ترکیب SSS در باریون ⁻Ω) حتی اگر هر سه اسپین یکسان داشتند و مشکلی هم برای اصل طرد پاولی ایجاد نمیشد زیرا آنها در ویژگی تازه کشف شدهای به نام "رنگ" با هم تفاوت داشتند.
پس برخلاف بار الکتریکی که دو نوع مثبت و منفی دارد، بار قوی، سه نوع قرمز و سبز و آبی دارد که البته هیچ ربطی به رنگهایی که میشناسیم ندارند و صرفاََ یک نام گذاری هستند. ذراتی هم که این کوارکهای رنگ دار بین هم تبادل میکنند، به جای فوتون، گلئون هستند. فوتون ذره نیروی الکترومغناطیسی و گلئون ذره نیروی قوی است. و به جای QED که مخفف Quantum Electrodynamic بود، به این نظریه QCD مخفف Quantum Chromodynamic گفته میشود. از دید نمودارهای فاینمن، همانطور که تبادل فوتون بین دو الکترون را با یک خط موج دار نشان میدادیم، تبادل گلئون بین دو کوارک را با یک خط حلقهای نشان میدهیم (تصویر شماره 5). و مثل تمام نمودارهای فاینمن، این نمودار نیز نشان دهنده یک معادله است (تصویر شماره 6) که حل آن به شدت پیچیده میباشد.
اما تفاوت QED و QCD در چیست؟
هر دوی آنها در مورد انتقال نیرو توسط ذرات حامل آن نیرو بین دو ذره حامل بار هستند.
فوتونها بدون جرم هستن، گلئونها هم بدون جرم هستند.
فوتون فاقد بار الکتریکی است، اما گلئون بار قوی حمل میکند. یعنی خود گلئونها نیز رنگ دارند. و همین تفاوت کوچک، نتایج بسیار بزرگی دارد. فوتونها (از آنجا که ذرات حامل نیروی الکترومغناطیسی هستند) فقط با ذراتی برهمکنش میکنند که دارای بار الکتریکی باشند و این یعنی فوتونها هیچ برهمکنشی با خودشان ندارند زیرا خود فوتون فاقد بار الکتریکی است. اما گلئونها (از آنجا که ذرات حامل نیروی قوی هستند) فقط با ذراتی برهمکنش میکنند که دارای بار نیروی قوی (رنگ) باشند و این یعنی گلئونها با خودشان نیز برهمکنش دارند زیرا خود گلئون نیز دارای رنگ است. این خیلی با فوتونهایی که از کنار هم میگذرند و اصلاً متوجه وجود یکدیگر نمیشوند تفاوت دارد (تصویر شماره 7).
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language