نگاهی به چهار نیروی بنیادین طبیعت - وبلاگ عکس

به گزارش وبلاگ عکس، طبیعت و رخدادهای آن، بر پایه چهار نیروی بنیادین پایدار هستند که کنترل این رخدادها را در دست دارند.

به گزارش وبلاگ عکس و به نقل از لایو ساینس، نیروهای فیزیکی در کارهای متفاوتی از قدم زدن در خیابان گرفته تا پرتاب موشک به فضا یا چسباندن آهن ربا به یخچال، نقش دارند. همه نیروهای فیزیکی که روزانه آنها را تجربه می کنیم، می توان در چهار دسته بنیادین تقسیم بندی کرد.

1. جاذبه

2. نیروی هسته ای ضعیف

3. الکترومغناطیس

4. نیروی هسته ای قوی

این نیروها، چهار نیروی بنیادین در طبیعت هستند که همه رخدادهای دنیا را کنترل می نمایند.

جاذبه

جاذبه، کشش میان دو جسم است که انرژی دارند. هنگامی که سنگی از روی پل به زمین می افتد، یک سیاره به دور یک ستاره می چرخد و یا ماه جزر و مد اقیانوس را پدید می آورد، حضور جاذبه احساس می گردد. شاید بتوان گفت که جاذبه، یکی از قابل درک ترین و آشناترین نیروهای بنیادین باشد اما در عین حال، یکی از چالش برانگیزترین موضوعات برای شرح دادن است.

نیوتن، نخستین کسی بود که ایده جاذبه را با دیدن افتادن سیب از درخت مطرح نمود و جاذبه را کشش طبیعی میان دو جسم دانست. قرن ها بعد، اینشتین در نظریه نسبیت عام خود گفت که جاذبه، کشش میان دو جسم نیست، بلکه نتیجه ارتباط میان زمان و فضا است. ایده اصلی نظریه اینشتین این است که زمان و فضا از یکدیگر جدا نیستند بلکه با هم ارتباط دارند.

اگرچه جاذبه، سیارات، ستارگان، منظومه شمسی و حتی کهکشان ها را حفظ می نماید اما به عنوان ضعیف ترین نیروی بنیادین به خصوص در مقیاس مولکولی و اتمی شناخته می گردد. رخدادهایی مانند افتادن توپ روی زمین یا پریدن، با جاذبه کل زمین در ارتباط هستند و در سطح مولکولی یا اتمی، جاذبه نسبت به نیروهای بنیادین دیگر، هیچ اثری ندارد.

نیروی هسته ای ضعیف

نیروی ضعیف یا نیروی هسته ای ضعیف، در از هم پاشیدن و زوال ذرات نقش دارد. این نیرو، تغییر طبیعی یک ذره زیراتمی و تبدیل آن به یک ذره زیراتمی دیگر است. برای مثال، یک نوترینو که به سوی یک نوترون منحرف شده، می تواند نوترون را به پروتون تبدیل کند و خود به الکترون تبدیل گردد.

فیزیکدانان، این تعامل را با یاری تغییر ذرات حامل نیرو موسوم به بوزون ها (Bosons) تعریف می نمایند. انواع خاصی از بوزون ها، در شکل گیری نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و نیروی قوی نقش دارند.

نیروی ضعیف، برای واکنش های همجوشی هسته ای که انرژی مورد احتیاج برای زندگی را تامین می نمایند، نقش مهمی دارند و این همان دلیل استفاده از کربن-14 برای مشخص سن استخوان های باستانی، چوب و دیگر آثار باستانی زنده است.

کربن-14 یا رادیوکربن، شش پروتون و هشت نوترون دارد و می تواند به دانشمندان حوزه باستان شناسی و زمین شناسی یاری کند تا به سن نمونه های باستانی پی ببرند.

نیروی الکترومغناطیس

نیروی الکترومغناطیسی یا نیروی لورنتس(Lorentz force)، بین ذرات حامل بار مانند الکترون های با بار منفی و پروتون های با بار مثبت عمل می نماید. بارهای مخالف یکدیگر را جذب و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می نمایند. هر چه بار ذره بیشتر باشد، نیروی آن نیز بیشتر است. نیروی الکترومغناطیسی نیز مانند نیروی جاذبه، از یک مسافت بی نهایت احساس می گردد.

نیروی الکترومغناطیسی همان گونه که از نام آن بر می آید، از دو بخش تشکیل می گردد؛ نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. فیزیکدانان در ابتدا این نیروها را جدا از یکدیگر توصیف می کردند اما پژوهشگران، بعدها دریافتند که این دو بخش، اجزایی از یک نیروی یکسان هستند.

جزء الکتریکی که میان ذرات حامل بار عمل می نماید، یک میدان را تشکیل می دهد که بارهای الکتریکی می توانند با یاری آن، یکدیگر را تحت تاثیر قرار دهند. هنگامی که ذرات حامل بار آغاز به حرکت می نمایند، جزء دوم یعنی نیروی مغناطیسی را شکل می دهند و یک میدان مغناطیسی به وجود می آورند.

نیروهای الکترومغناطیسی هنگام تبادل فوتون ها که اجزای تشکیل دهنده ذرات نور هستند، میان ذرات حامل بار منتقل می شوند. فوتون های حامل نیرو که میان ذرات باردار جا به جا می شوند، نمایش متفاوتی از فوتون ها هستند. نیروی الکترومغناطیسی، در بروز بیشتر پدیده های متداول از جمله اصطکاک، کشش و نیروی نرمال نقش دارد.

نیروی هسته ای قوی

نیروی قوی یا نیروی هسته ای قوی، قوی ترین نیرو میان چهار نیروی بنیادین طبیعت است. قدرت بالای این نیرو به این دلیل است که ذرات بنیادین ماده را برای تشکیل دادن ذرات بزرگ تر به هم متصل می نماید. نیروی قوی، ذرات بنیادین موسوم به کوارک(Quark) را که تشکیل دهنده پروتون ها و نوترون ها هستند، کنار هم نگه می دارد و بخشی از این نیروی قوی نیز در نگهداری پروتون ها و نوترون های هسته اتم نقش دارد.

عملکرد نیروی قوی مانند نیروی ضعیف، تنها هنگامی امکان پذیر است که ذرات زیراتمی، بسیار به هم نزدیک باشند. نیروی قوی، نیرویی عجیب است زیرا برخلاف نیروهای بنیادین دیگر، با نزدیک شدن ذرات زیراتمی به هم، ضعیف تر می گردد اما هنگامی که ذرات در دورترین فاصله از یکدیگر قرار می گیرند، به بالاترین میزان قدرت خود می رسد.

یکپارچه سازی طبیعت

سوال قابل توجهی که در خصوص چهار نیروی بنیادین مطرح می گردد، این است که آیا این نیروها واقعا نشان دهنده یک نیروی بزرگ در دنیا هستند. اگر پاسخ مثبت باشد، هر یک از نیروها باید بتوانند با بقیه نیروها ظاهر شوند و در حال حاضر، شواهدی مبنی بر این قابلیت وجود دارد.

شلدون گلاشو(Sheldon Glashow) و استیون وینبرگ (Steven Weinberg)، فیزیکدانان دانشگاه هاروارد(Harvard University) و عبدالسلام (Abdus Salam)، فیزیکدان کالج سلطنتی لندن(Imperial College London)، در سال 1979 پیروز شدند جایزه نوبل فیزیک را برای پروژه یکپارچه سازی نیروی الکترومغناطیسی با نیروی ضعیف و شکل دادن مفهوم برهمکنش الکتروضعیف(electroweak interaction) به دست بیاورند.

هدف فیزیکدانانی که در حال حاضر برای دست یافتن به مفهوم یکپارچه سازی نیروها کار می نمایند، یکپارچه سازی نیروی الکتروضعیف با نیروی قوی است تا بتوانند نیرویی موسوم به الکتروهسته ای(electronuclear) را تعریف نمایند که پیش از این کشف نشده است.

قسمت نهایی این معما نیز احتمالا یکپارچه سازی نیروی جاذبه با نیروی الکتروهسته ای خواهد بود تا نظریه موسوم به نظریه همه چیز(Theory of everything) شکل بگیرد. نظریه همه چیز، یک چارچوب نظری است که می تواند همه پدیده های فیزیکی و همه دنیا را شرح بدهد.