چهارشنبه، خرداد ۳۰، ۱۳۸۶

داستان پایان‌نامه‌ی من _ قسمت ششم


فوتون

می‌شود گفت فوتون تمام چیزی است که ما می‌بینیم، می‌شنویم، می‌چشیم، و یا از هر راه فیزیکی دیگر حس می‌کنیم. فوتون چیزی است که اجزای بدن ما را سر هم نگه داشته و تمام تعاملات درونی بدن ما و تمام موجودات زنده‌ی دیگر را بر عهده دارد. چگونه؟

مدل استاندارد ذرّات بنیادی موفّق‌ترین و دقیق‌ترین نظریه‌ی علمی است که تا الآن برای توصیف ساختار ماده و برهم‌کنش‌های میان اجزای آن توانسته‌ایم به دست آوریم. از چهار نیرویی که در طبیعت می‌شناسیم، یعنی نیروهای الکترومغناطیسی، هسته‌ای ضعیف، هسته‌ای قوی و گرانشی، مدل استاندارد سه تای اوّل را توصیف می‌کند. از میان سه نیرویی که این مدل قادر به توصیف آنها است، نیرو یا برهم‌کنش الکترومغناطیسی واضح‌ترین آثار را در زندگی ما دارد. وقتی که دستتان را به سطح میز فشار می‌دهید و این فشار را حس می‌کنید و یا هنگامی که جسمی را بر اثر نوری که خودش می‌تاباند و یا نوری که از اجسام دیگر به آن می‌تابد، می‌بینید، برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی در کارند. تمام علم شیمی و زیست‌شناسی (به استثنای شیمی هسته‌ای) در واقع ترکیب واکنش‌های الکترومغناطیسی هستند. واکنش‌های الکترومغناطیسی هم در بنیادی‌ترین سطحی که تا الآن می‌دانیم، با نظریه‌ی الکترودینامیک کوانتومی توصیف می‌شوند. بر اساس این نظریه، که یکی از ارکان مدل استاندارد ذرّات بنیادی است، برهم‌کنش الکترومغناطیسی (الکترودینامیکی) میان دو ذرّه‌ی باردار در پایه‌ای‌ترین مرتبه با تبادل یک فوتون صورت می‌گیرد. مرتبه‌های بالاتر شامل تبادل تعداد بیشتری فوتون و هم‌چنین ایجاد ذرّاتی «مجازی» در میانه‌ی راه هستند. این داستان‌ها را هم برای این که یک درک شهودی از آنها داشته‌باشیم و هم برای سهولت محاسبات، می‌شود با تصاویری موسوم به نمودارهای فاینمن نشان داد. مثلاً این شکل را در نظر بگیرید:




این شکل یک داستان ساده را بیان می‌کند، داستانی آن قدر ساده که در هر ثانیه میلیاردها بار در بدن هر کدام از ما رخ می‌دهد (و حتّی همین رقم هم یک تخمین بی‌معنی است). داستان از این قرار است: روزی، روزگاری (در یک لحظه‌ی مشخّص)، دو الکترون به هم رسیدند. این دو با هم سلام و علیک کردند و سپس هر کدام به راه خودشان رفتند. خطوط صاف در شکل بالا نمایان‌گر الکترون‌ها هستند. خطّ موّاج میانی نمایشگر فوتون است. سلام و علیک این دو الکترون، چنان که می‌دانیم، در واقع وارد کردن نیروی دافعه از جانب هر کدام از آنها به دیگری است. امّا اشتباه نکنید. نقش فوتون در اینجا را نباید به طور کلّی مثل یک توپ در نظر بگیرید که یک نفر به دیگری پرتاب کرده و نیرویی به او وارد کرده، چرا که با چنین ذهنیتی نمی‌توانید همین فرآیند را میان دو ذرّه مانند یک الکترون و یک پروتون به درستی تفسیر کنید. در این حالت جدید، تبادل فوتون عملاً منجر به ایجاد جاذبه میان دو ذرّه با بارهای الکتریکی ناهم‌نام می‌شود. بنابراین نقش فوتون ردّ و بدل شده را به عنوان نوعی قاصد در نظر بگیرید. پیام او می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد.

نمودارهای فاینمن که نمونه‌اش را در بالا دیدید، فقط به کار داستان تعریف کردن نمی‌آیند، بلکه کار محاسبات را هم خیلی ساده‌تر می‌کنند. بعد از انجام دادن مقدار زیادی محاسبه (که یک بار برای همیشه انجام می‌دهیم)، می‌توان به قواعدی بسیار ساده برای استفاده از نمودارهای فاینمن در محاسبه‌ی نرخ وقوع برهم‌کنش‌ها رسید (به زبان تکنیکی‌تر ممکن است به جای نرخ انجام برهم‌کنش بگوییم: سطح مقطع برخورد، یا مثلاً دامنه‌ی احتمال). این قواعد، که باز هم قوانین فاینمن خوانده می‌شوند، به سادگی می‌گویند که یک عبارت جبری معیّن را به هر جزء از یک نمودار فاینمن نسبت دهیم. مثلاً برای هر خطّ خارجی (خطّی که یک انتهای آزاد دارد و نماینده‌ی یک ذرّه‌ی ورودی یا خروجی است)، یک جزء مشخّص داریم که در این مورد اسپینور خلق یا نابودکننده‌ی الکترون است؛ برای هر کدام از نقاط تقاطع خطوط (vertex) یک جزء مشخّص دیگر داریم که با بار الکترون (شدّت جفت‌شدگی) متناسب است و برای هر خطّ داخلی (مانند خطّ فوتون در نمودار بالا) یک جزء ریاضی مشخّص دیگر به نام propagator داریم. به این ترتیب می‌توانیم برای محاسبه‌ی نرخ روی دادن یک واکنش بنیادی، مانند پراکندگی الکترون-الکترون، ابتدا تعدادی شکل رسم کنیم (یعنی به جای فرمول نوشتن، نقّاشی کنیم) و سپس از روی آن شکل‌ها و با استفاده از قوانین فاینمن به انجام محاسبات بپردازیم. آیا شگفت‌آور نیست که چنین روشی می‌تواند به نتایجی برسد که تا هفت رقم اعشار یا بیشتر از آن، با نتایج آزمایش‌ها توافق داشته‌باشد؟ به هر حال فاینمن به همراه شوینگر و توموناگا به طور مشترک جایزه‌ی نوبل فیزیک را در سال 1965 به خاطر کشف و توسعه‌ی این چارچوب نظری (الکترودینامیک کوانتومی) دریافت کردند.

دوباره برگردیم به فوتون. از دیدگاه مبتنی بر نظریه میدان‌های کوانتومی (QFT)، فوتون را باید در کنار ذرّاتی بسیار «مدرن‌تر» جای داد، نه در کنار ذرّاتی مثل الکترون و پروتون. این ذرّات «مدرن‌تر» چیزهائی هستند که آنها را اصطلاحاً بوزون‌های برداری می‌نامیم. این ذرّات در واقع مسئولیّت اصلی تبادل نیروها (برهم‌کنش‌ها) را بر عهده دارند. برای بر‌هم‌کنش ضعیف هسته‌ای، این‌ها شامل دو ذرّه به نام W (یکی با بار مثبت و دیگری با بار منفی) و یک ذرّه به نام Z هستند. W و Z ذرّات سنگینی هستند و ضعیف بودن بر‌هم‌کنش ضعیف هم تا حدّ زیادی مربوط به جرم زیاد این ذرّات است. برای برهم‌کنش‌های قوی هسته‌ای، بوزون‌های برداری گلوان (Gluon) نام دارند که نعدادشان هشت تا است. به طور معمول، کشف فوتون را به پلانک نسبت می‌دهند (و البته نام فوتون را گیلبرت لوییس، شیمی‌دان آمریکائی پیشنهاد کرد)، امّا ماهیت آن به شکلی که اکنون درک می‌کنیم (به عنوان یک بوزون برداری)، بسیار دیرتر معلوم شد. در پست بعدی از این سری می‌خواهم کمی درباره‌ی کارهای پلانک در بررسی و توضیح پدیده‌ی تابش جسم سیاه و کار آینشتاین در توضیح پدیده‌ی فوتوالکتریک بنویسم، کارهایی که برای هر کدام آنها یک جایزه‌ی نوبل فیزیک به ترتیب در سالهای 1918 و 1921 در پی داشت و فوتون را برای نخستین بار به ما شناساند. امّا در پایان این پست باید یک چیز مهمّ دیگر را درباره‌ی فوتون بگویم. فوتون اوّلین و تنها ذرّه‌ای بود که تئوری میدان کلاسیکی آن پیش از پیشنهاد مدل میدان کوانتومی آن ارائه شده‌بود. نظریه‌ای که امروز برای میدان الکترومغناطیسی کوانتومی داریم، در واقع شکل کوانتومی نظریه‌ی الکترومغناطیس کلاسیک ماکسول است. تعمیم دادن مفهوم میدان به سایر حوزه‌های فیزیک از همان جا آغاز شد و همچنان ادامه دارد.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

قسمت‌های قبلی:

قسمت اوّل

قسمت دوّم

قسمت سوّم

قسمت چهارم

قسمت پنجم

برچسب‌ها: ,

0 Comments:

ارسال یک نظر

Links to this post:

ایجاد یک پیوند

<< Home