دانش آدینه ۳: یک برابرست با بی نهایت!

دیدارنیوز ـ سروش زمانی‌مقدم: اکنون دیر زمانیست که عصر اتم را پشت سر گذاشته‌ایم و قطعا یکی از واژه‌هایی که در دنیای امروز، حتما زیاد به گوشمان خورده، واژه "اتم" می‌باشد؛ بنابراین امروزه کسی در این موضوع که چیز‌هایی که در اطرافمان می‌بینیم، از اتم‌ها ساخته شده‌اند، شکی ندارد. از طرفی هرچند که واژه اتم، در معنای اولیه آن، از واژه یونانی اتموس به معنای تجزیه ناپذیر گرفته شده بود، اما با شکافت اتم نیز دانستیم که آنها، از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها ساخته شده‌اند و البته بعد از آن، قصه تقسیم اتم به ذرات کوچکتر، به همان‌جا ختم نشد، بلکه دریافتیم که پروتون‌ها و نوترون‌ها که آن‌ها را با نام نوکلئون نیز می‌شناسیم، دارای ساختاری داخلی هستند و از ذراتی با نام کوآرک، تشکیل شده‌اند. در ادامه برخلاف تصور، قرار نیست که ادعا کنیم که جهانمان از تعداد بی نهایت اتم ساخته شده است، که قطعا با احتمال داشتن جهانی محدود، چنین ادعایی صحیح نخواهد بود، بلکه قرار است به بررسی بی نهایت ذره‌ای که در دل ذرات سازنده هسته تک تک این اتم‌ها وجود دارند بپردازیم؟! ادعای عجیبی که حقیقت دارد. بی نهایتی در دل یک ذره! دریایی بیکران از ذرات، در دل پروتون‌ها و نوترون‌ها.
 
آن بی کران است، این بی کران است، از آن بی نهایت این بی نهایت سرچشمه گرفته است. از آن بی نهایت، این بی نهایت را بر می‌داریم، باز هم بی نهایت برجای می‌ماند. (ایشاواسیا اوپانیشا)
 
گام به گام جلو برویم. از وجود ساختار داخلی برای پروتون و نوترون صحبت کردیم که باعث می‌شود که از اطلاق نام ذره بنیادی به آن‌ها اجتناب کنیم و در عوض از ذراتی بنیادی با نام کوآرک نام بردیم، که شش گونه مختلف آن‌ها را با عنوان شش "مزه" یا "طعم" با نام‌های "بالا"، "پایین"، "افسون"، "شگفت"، "سر یا حقیقت"، و "ته یا زیبایی"، می‌شناسیم. البته اسامی فوق بی هیچ دلیلی و تنها بر اساس ذوق و سلیقه فیزیکدانان برای این ذرات انتخاب شده‌اند چرا که در حقیقت، آن‌ها بسیار افسونگر، زیبا، و شگفت‌انگیزند! از میان این شش مزه کوآرک، نوع بالا و پایین آنها، سبکترین و بنابراین پایدارترین آن‌ها هستند. این کم جرم‌ترین کوارک‌ها با ترکیب شدن با یکدیگر، پایدارترین شکل‌های ترکیبات سه کوآرکی خانواده بزرگ هادرون‌ها، موسوم به باریون‌ها را، می‌سازند، که همان نوکلئون‌هایی هستند که از قبل با آنها، با نام پروتون و نوترون آشناییم. یکی از شگفتی‌های این ذرات آنست که کوارک‌ها به‌صورت انفرادی یافت نمی‌شوند و در نتیجه مستقیما قابل مشاهده نیستند و آن‌ها را تنها به‌صورت ترکیبات مختلفی که هادرون‌ها را می‌سازند و یا ساختار‌هایی که شامل کوارک‌ها و پاد ذره‌هایشان موسوم به پادکوآرک‌ها هستند و اصطلاحا مزون نامیده می‌شوند، می‌توان بازشناخت. در واقع براساس مکانیسم کرومودینامیک کوانتومی، که نظریه توضیح دهنده برهمکنش قوی بین کوآرکهاست، هنگامی که فاصله بین آن‌ها به عنوان شروعی برای جداسازی، بیشتر می‌شود، نیروی جاذبه بینشان، برخلاف نیروی جاذبه گرانشی، زیادتر می‌شود! زیبایی دیگر آن‌ها آنست که بارالکتریکی کوارک‌ها برخلاف تصور ما   مضرب صحیحی بودن از بار الکتریکی پایه، یعنی بار منفی و مثبت یک واحد الکترون و پروتون نیست. بلکه بار الکتریکی کوارک‌ها کسری‌ است! و مقادیر آن‌ها عبارتند از مثبت و منفی یک سوم و مثبت و منفی دوسوم! بدینسان پروتون‌ها "همواره" دارای ساختاری با دو کوآرک بالا با بار الکتریکی (مثبت دو سوم) و یک کوآرک پایین با بار الکتریکی (منفی یک سوم)، و مجموع شناخته شده بار (مثبت یک) بوده و نوترون‌های خنثی نیز دارای ساختاری شامل دو کوآرک پایین با بار (منفی یک سوم) و یک کوآرک بالا با بار (مثبت دو سوم) و مجموع شناخته شده بار صفر می‌باشند!
 
اما چرا از واژه "همواره" استفاده کردیم؟ اجازه دهید برای ادامه بحثمان این سه کوارک‌های سازنده هر پروتون و نوترون را، "کوآرک‌های ارزشیابی" بنامیم.

قبل از ادامه ماجرا ناگزیریم با موجودات جدیدی با نام پادذرات آشنا شویم چرا که هم در ادامه این بحث و هم در روند ماجرا‌های جالب بحث‌هایمان در آینده، زیاد با آن‌ها سروکار خواهیم داشت. البته پیشتر و در اوایل این مطلب از آن‌ها نام بردیم و گفتیم که اصولا ترکیبات کوآرک‌ها و پادکوآرک‌ها را، مزون می‌نامیم. اما پادکوآرک‌ها و یا به‌طور کلی‌تر پاد ذرات چه هستند؟

در اوایل قرن بیستم بود که پل دیراک، یکی دیگر از پیشگامان عرصه مکانیک کوانتوم، در نظریه خود، وجود ذرات پادماده را پیش‌بینی کرد. برطبق نظریه او، پادذرات، جرمی همانند جرم ذرات همتای خود دارند و فقط در برخی کمیات همانند بارالکتریکی و "بار رنگی" مخالف یکدیگرند. بار رنگی که در واقع مشخصه‌ای از کوآرکهاست، کمیتی است که شیوه عکس العمل ذرات را با ذره دیگری دارای بار رنگی، تحت تاثیر نیروی قوی هسته‌ای تعیین می‌کند و در واقع معادل با بارالکتریکی، به عنوان کمیتی است که چگونگی برهمکنش ذره‌ای باردار را با ذره دیگری دارای بار الکتریکی، و تحت تاثیر نیروی الکترومغناطیسی تعیین می‌کند. در این بین ذره بدون بار و اصطلاحا خنثای دیگری همچون فوتون، پاد ذره خودش می‌باشد، ولی البته نمی‌توان این حکم را در مورد ذره بدون بار دیگری، چون نوترینو تعمیم داد، چرا که نوترینو و پاد نوترینو بنا بر دلایل قابل قبولی که موضوع این بحثمان نیست، دو ذره کاملا جدایند!

بدینسان، پاد ذره الکترون، پوزیترون نام دارد و پاد ذره پروتون، پادپروتون نامیده می‌شود که دارای ساختار درونی متشکل از پادکوآرک‌ها، به‌صورت دو پادکوآرک بالا و یک پادکوآرک پایین و مجموع بار (منفی یک) است!

به هر روی ذرات و پاد ذرات متناظر، همواره با برخورد با هم، یکدیگر را نابود کرده و به انرژی تبدیل می‌شوند!

با این نتیجه، دریای بی نهایت ذرات ما از اینجا رخ می‌نماید که بر طبق رابطه مشهور تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر در نسبیت خاص، و تبدیل پذیر بودن این دو حالت، پیوسته ذرات و پاد ذرات مجازی در کنار هم خلق و نابود می‌شوند و مثلا یک پروتون به‌طور سحرآمیزی حالت‌های ممکن دیگر کوآرک-پادکوآرک، همچون جفت کوآرک شگفت-پادکوآرک شگفت و یا کوآرک افسون-پادکوآرک افسون و ... را می‌بیند! از طرفی کوآرک‌ها بر طبق نیروی قوی هسته‌ای با تبادل ذراتی با نام گلئون که حامل نیروی قوی هسته‌ای هستند در کنار هم می‌مانند، بنابراین در هر لحظه، نه تنها بی شمار جفت‌های کوآرک-پادکوآرک، بلکه بی شمار، گلئون نیز وجود دارند که با سرعت‌های بالایی باهم برخورد کرده و مدام درحال خلق و فنا هستند! دریایی آشوبناک از کارزار پرتصادم خلق و فنای مدام ذرات!

 
اگر در این موضوع شک دارید باید بدانید که انرژی بسیار زیاد ناشی از حرکت‌ها و برخورد‌های این جفت‌های ذرات و گلئونها، برطبق رابطه تبدیل جرم-انرژی اینشتین، برجرم کوآرک‌های ارزشیابی پروتون افزوده و جرم واقعی پروتون را می‌سازند، چرا که در غیر این صورت، مجموع جرم کوآرک‌های ارزشیابی پروتون، بسیار ناچیزتر از آنست که ما به عنوان جرم پروتون می‌سنجیم. تصور کنید چند ریزه سنگ را در دستانتان بگیرید، و جرمی برابر چند قلوه سنگ را احساس کنید! و این به‌درستی تاثیر واقعی این ذرات مجازی را خاطر نشان می‌سازد. کافیست مجموع انرژی موجود در پروتون را بر مجذور سرعت نور تقسیم کنید تا جرم بخشیده شده به پروتون را که ناشی از این دریای بی شمار ذرات است سنجید.

اما این دریای آشوبناک بی شمار ذرات، آنچنان بی قانون هم نیست! در واقع با الزام سه شرط اساسی، تعداد کوآرک‌های ارزشیابی، باید همواره سه عدد، به‌صورت دو کوآرک بالا و یک کوآرک پایین، در پروتون باقی بماند!

اولا همواره تمام جفت کوآرک-پادکوآرک‌های غیر از "بالا" و "پایین" باید همدیگر را خنثی کرده و این یعنی تعداد آن‌ها با پادذرات متناظرشان برابر باشد. همچنین همواره تعداد کوآرک‌های بالا باید دو تا بیشتر از تعداد پادکوآرک‌های بالای متناظرشان باشد و تعداد کوآرک‌های پایین باید یکی بیشتر از تعداد پادکوآرک‌های پایین متناظرشان باشد و البته این شروط باید ملزومات مجموع بار (مثبت یک)، اسپین، و بی "بار رنگ" بودن پروتون را نیز برآورده سازند و لذا سه کوآرک ارزشیابی اصلی در پروتون باید اصطلاحا، قرمز، آبی و سبز باشند. یعنی امکان تعویض رنگ برای کوآرکها، تا زمانی که اصطلاحا رنگ برآیند پروتون سفید باقی بماند، مهیاست! در نهایت سایر جفت‌های کوآرک-پادکوآرک نیز باید "بی رنگ" باقی بمانند!
 
و این قصه پرآشوب اندرون تنها یک پروتون به‌ظاهر آرام است که در دل خود بی نهایتی آشوبناک را شاهد است. همچنین نوترون نیز، وضعیت مشابهی را دارد و اینگونه است که بی نهایتی در دل هر ذره پابرجاست.

پس در نهایت باید در مورد این موضوع که تنها سه کوآرک در پروتون و یا نوترون وجود دارد، دقیق‌تر صحبت کرد و در کنار سه کوآرک ارزشیابی اصلی در نوکلئون‌ها، بی شمار ذرات در حال خلق و فنای دائمی را نیز به حساب آورد.