غول بیدار شد

احسان سنایی

۲۳ اکتبر ۲۰۰۹، پس از یک سال وقفه و ده‌ها سال انتظار، نخستین اشعه پروتونی با حرکت در یک چهارم از مسیر تونل ۲۷ کیلومتری ابرتصادم‌گر هادرونی (LHC)، تولد دوباره بزرگ‌ترین آزمایشگاه علمی بشر را پس از یک‌سال به دانشمندان جهان نوید داد.

تونل شتاب دهنده LHC در عمق یکصد متری زمین

تمامی این پروسه تنها در ۱۰۰ پیکوثانیه انجام پذیرفت؛ یعنی ۱۰۰ میلیونیم از یک میلیونیم ثانیه!

دو اشعه به ترتیب حاوی میلیون‌ها پروتون و یون سرب، با حرکت در جهت، و خلاف جهت عقربه ساعت نشان دادند که آهن‌رباها، تأسیسات سردکننده و سیستم‌های الکتریکی شتاب دهنده LHC سالم هستند و این آزمایشگاه، آمادگی انجام آزمایشات هولناک خود را دارد.

سال گذشته، به دنبال ایجاد نقص فنی ساده‌ای در سیستم سردکننده آهن‌رباها، در حدود یک تن هلیوم مایع به درون تونل نشت کرد و به مدت یک سال، فعالیت‌های این شتاب دهنده ۳.۶ میلیارد یورویی از کار باز ایستاد.

اما در طول این یک سال، مهندسین و دانشمندان مرکز تحقیقات اتمی اروپا (CERN)، به رفع نقص مربوطه پرداخته و هم اکنون سیستم‌های سردکننده، دمای هر هشت قسمت شتاب دهنده را به ۱.۹ کلوین یا ۲۷۱- درجه سانتی‌گراد رسانده‌اند؛ یعنی حتی سردتر از اعماق فضا!

LHC را اما نمی‌توان قدم ساده‌ای پنداشت؛ ساخت چنین شتاب دهنده‌ای که در ذهن هیچ‌کس نمی‌گنجید، آن را به شاهکار خرد بشر بدل ساخته است.

در این مقاله، به بررسی چگونگی عملکرد این ماشین غول‌آسا می‌پردازیم؛ ماشینی که نه متعلق به یک کشور، که حاصل همکاری بالغ بر ۱۰ هزار دانشمند از ۸۰ کشور جهان است. اما در ابتدا نگاهی می‌اندازیم به آن‌چه بشر با ساخت چنین شتاب دهنده‌هایی به دنبال آن است.

طلوع تفکر علمی

ارسطو را شاید بتوان از نخستین پایه‌گذاران تفکر علمی دانست؛ کسی که با وجود پرداخت به موضوعات گسترده‌ای از زیست شناسی و فیزیک گرفته تا علوم سیاسی، و با سیطره بر اندیشه دانشمندان و فلاسفه تا هزاران سال؛ نامش را امروزه اما تنها در کتب تاریخ علم باید جست و به نظراتش توجهی نداشت.

شاید مهم‌ترین سهمی که ارسطو در مبحث علم فیزیک داشت، نام‌گذاری این علم، با اقتباس از واژه یونانی «فیزیس» به معنای طبیعت بود. نقطه ضعف ارسطو در پژوهش پیرامون پدیده‌های فیزیکی، عدم تمایل وی به ابزار کارآمدی چون ریاضیات بود.

نظرات نافذ وی در خصوص حرکت اجسام آسمانی و ماهیت نیروهای طبیعت، پیوند محکمی با فلسفه داشت. او دلیل سقوط اجسام را نه با نیرویی به نام جاذبه، که با تمایل جسم سقوط کننده به مبدآ و منشأ اصلی اش یعنی زمین توصیف می‌کرد.

هر چند این نظرات به طرز چشمگیری به دست دانشمندان قرون وسطی جرح و تعدیل شد، اما تلاش ارسطو را در ایجاد تمایز و نهایتاً دسته بندی نیروهای طبیعت، بایستی ستود.

در فلسفه ارسطویی، جهان در ساده ترین حالت خود به دو عالم «بالا» و «پایین» تقسیم می‌شود. عالم پایین را چهار عنصر بنیادین طبیعت یعنی آب، باد، خاک و آتش ساخته‌اند و عالم بالا تنها از ماده فسادناپذیری موسوم به اثیر (اتر) تشکیل شده است.

عالم بالا، عالمی دست نایافتنی و کامل بود؛ تمامی اجرام سماوی در مدارهای مستدیر (دایره‌ای) به گرد زمین می‌چرخیدند و این «کامل»‌ترین حرکت طبیعی بود.

عالم زیرین اما فسادپذیر و متغیر بود. اجسام، دارای حرکت «طبعی» بودند و این حرکت از دو حالت خارج نبود: بالا برای عناصر باد و آتش؛ و پایین برای عناصر خاک و آب.

انسان اما در این میانه می‌توانست ماهیت چنین حرکاتی را دستخوش تغییراتی خودخواسته کند. از این رو، حرکتی که پدیدآورنده آن نه خود جسم متحرک، که عاملی خارجی باشد را «قسری» می‌گفتند.

پس تا به اینجای کار دریافتیم که ارسطو برای نخستین بار، در قالبی علمی مابین انواع حرکت تمایز قائل شد و به نوعی دسته‌بندی نیروها را بنیان گذاشت؛ هر چند این گفته ها امروزه از اعتباری برخوردار نیستند.

بر اساس فلسفه ارسطویی، نیروی های طبیعت به سه دسته کامل، طبعی و قسری تقسیم بندی می‌شدند و با بهره گیری از این نیروها بود که ارسطو مفهوم علم مکانیک را نیز در نظریات خود وارد ساخت...

نیوتن 12 ساله در حال نگاه به آسمان – اثر تی ال آتکینسون / آرشیو لایف

اما عالم بلورین و متحدالمرکز ارسطو که بر ستون‌هایی از سه نیرو و پنج عنصر استوار شده بود، در مقابل طوفان انقلاب علمی قرون وسطی و سیل سؤالات چالش برانگیز متفکران نوظهور، دوام چندانی نداشت.

آزمایشات گالیله در خصوص سقوط آزاد و سطوح شیبدار، و مشاهدات تلسکوپی او از اجرام منظومه شمسی، به همراه محاسبات دقیق یوهانس کپلر از مدارات بیضوی سیارات، خط پایانی بر فلسفه دوهزاران ساله ارسطویی و نگرش نادرست آن به نیروهای طبیعت بود؛ نگرشی آن‌چنان استوار که کوپرنیک لهستانی در طول حیاتش با وجود مدارک متقن و مستدل، از جدال با آن هراسان بود و حتی نخستین کتاب خود را زمانی که در بستر مرگ افتاده بود، به چشم خود دید.

گالیله اما تن به چنین جدالی سپرد و جان و مال خود را در راه تحول اندیشه‌های مذهب گونه ارسطویی از دست داد.

گالیله که بواسطه وفور مشاهدات تلسکوپی‌اش از خورشید، بینایی‌اش را از دست داده و در تبعید ابدی‌اش پیر و فرتوت شده بود، بی‌آنکه کسی بداند چشم از جهان فروبست؛ اما در پاییز همان سال، کودکی در لینکولن شایر انگلستان چشم به جهان گشود که بعدها شاعر انگلیسی، «الکساندر پوپ» درباره او گفت:

«طبیعت و قوانین طبیعت در تاریکی پنهان بودند؛ خداوند گفت: نیوتن باشد؛ و همه جا روشن شد...»

علم فیزیک را به جرأت می‌توان به پیش و پس از حیات نیوتن تقسیم کرد و این مرز مشخص را نیز بایستی همان هجده ماهی دانست که نیوتن جوان، بواسطه شیوع سراسری طاعون و تعطیلی دانشگاه‌ها مجبور شد آن را در زادگاهش سپری کند.

با این حال، نتایج پژوهش ها و تفکرات نیوتن در این دوران، تا ۱۷ سال بعد منتشر نشد. کتاب سترگ «اصول فلسفه ریاضی طبیعت» یا به اختصار «اصول»، نقطه عطفی در تاریخ علم فیزیک بود.

نیوتن در این کتاب، به بسط نظریاتش در باب قوانین سه گانه و نیز مفاهیمی چون گشتاور و جرم پرداخت؛ اما آن‌چه در اینجا مد نظر ماست، چیزی جز قانون جهانی گرانش نیوتن نیست. هر چند نیوتن به توصیف و توضیح ماهیت جرم نپرداخت، اما با فرمول‌بندی قانون گرانش خود، نه تنها انقلابی را در دانش فیزیک برپا کرد؛ که تقسیم بندی نیروهای سه گانه ارسطو را نیز رسماً از اعتبار انداخته و با اتحاد آن‌ها، مفهومی یگانه به نام نیروی گرانش یا جاذبه را معرفی کرد.

از طرفی به موازات تحقیقات علمی دانشمندان در خصوص نیروها و مفهوم گرانش، خاصیت الکتریکی و مغناطیسی برخی از مواد نیز شناخته شده بود؛ اما تا اوایل قرن شانزدهم میلادی و پژوهش‌های دانشمند انگلیسی ویلیام گیلبرت، کسی پی به ماهیت «نیرو» بودن آن‌ها نبرد.

بعدها دانشمندانی چون هانس کریستین اورستد، آندره ماری آمپر، مایکل فارادی، کارل فردریش گاوس و جورج اهم، نگرش بشر را نسبت به این دو نیرو دچار تحول ساخته و ویژگی‌های خارق‌العاده آن‌ها را به جامعه علمی معرفی کردند.

هر چند آن‌ها به ارتباط ناگسستنی الکتریسیته و مغناطیس نیز پی برده بودند اما نهایتاً در سال ۱۸۷۳ و با انتشار مقاله «رساله‌ای بر الکتریسیته و مغناطیس» به قلم دانشمند اسکاتلندی جیمز کلارک ماکسول بود که نیرویی به نام «الکترومغناطیس» معرفی شد.

نیرویی که نمود بارز آن نور است. پس از اتحاد نیروهای سه گانه ارسطو اینبار نوبت الکتریسیته و مغناطیس بود که تحت عنوان نیرویی واحد به نام الکترومفناطیس به هم بپیوندند.

سال‌ها بعد، دانشمندانی چون آلبرت اینشتین و ماکس پلانک، پا را فراتر گذاشته و به بررسی این نیروها در بزرگترین و کوچکترین حالت ممکن پرداختند. اینشتین، در نظریه نسبیت عام خود ماهیت گرانش را دچار تحول ساخت و با این حال، موفق به توضیح علت ایجاد چنین نیرویی نشد.

از طرفی مطالعه بر کوچکترین ساختارهای ماده، ما را به ملاقات جهانی متلاطم و گیج کننده می‌برد که نمی‌شد چنین رفتارهایی را با تکیه بر دو نیروی شناخته شده تا آن زمان توضیح داد.

از آن پس بود که مفاهیمی چون نیروهای قوی و ضعیف هسته‌ای مطرح گردید و دانشمندان دریافتند که با این چهار نیروی بنیادین (گرانش، الکترومغناطیس، نیروی قوی هسته‌ای و نیروی ضعیف هسته‌ای)، می‌توان تمامی واکنش های موجود در طبیعت را توصیف کرد.

حال بیایید نگاهی دقیق‌تر به عملکرد این چهار نیرو بپردازیم.

چهار نیروی بنیادین

گرانش، نیرویی دوربرد است؛ به این معنا که حوزه عملکرد آن محدود به فواصل کوچک نیست. به ماه نگاهی بیاندازید. ۳۸۰ هزار کیلومتر از ما فاصله دارد و با این حال، تحت فرمان جاذبه سیاره ماست.

کمی آن‌طرف‌تر، خورشید را ببینید. ۱۵۰ میلیون کیلومتر از ما فاصله دارد و میلیاردها سال است که زمین گرفتار نیروی جاذبهاش است. الکترومغناطیس نیز نیرویی دوربرد است؛ با این تفاوت که قدرت تأثیر آن شدیداً بیشتر از گرانش است.

به عنوان مثال، نیروی الکترومغناطیسی مابین یک الکترون و پروتون، ۱۰ به توان ۳۹[۱] برابر بیشتر از نیروی جاذبه مابین این دو ذره است! از این رو در ابعاد مولکولی و اتمی، این نیروی الکترومغناطیس است که بر گرانش می‌چربد و الکترون‌ها را به گرد هسته نگاه داشته است.

با این حال، نیرویی چون الکترومغناطیس نمی‌تواند در ابعاد بسیار عظیم کاربری داشته باشد؛ چراکه نیرویی دوقطبی است و به ازای هر بار مثبت الکتریکی، یک بار منفی و به ازای هر قطب شمال مغناطیسی، یک قطب جنوب مغناطیسی نیز وجود دارد و از این رو در مقیاس های بزرگ، دوقطبی بودن این نیرو موجب خنثی شدن برآیند نیروها شده و نهایتاً جهان به هم می ریزد.

از طرفی مفهومی به نام «جرم منفی» وجود ندارد تا در مقابله با نیروی گرانش، آن را خنثی کند. به همین دلیل، اثر گرانش را تنها در ابعاد نجومی و بزرگ می‌توان حس کرد.

تمام نیروی هایی که در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم؛ به جز جاذبه زمین، مربوط به نیروی الکترومغناطیسی است و این تنها مختص الکتریسیته و یا آهنرباها نیست. نیروهایی چون اصطکاک که به راه رفتن ما کمک می‌کند و حتی نیروی منسجمی که بدن ما و بسیاری از اشیاء دیگر را پابرجا نگه داشته نیز از نوع الکترومغناطیس است.

اما پروتون‌های موجود در هسته یک اتم، همگی بار موافق داشته و طبق قوانین فیزیک باید از هم دور شوند. اگر قوانین فیزیک همدیگر را نقض نکنند، پس چرا بدن من انسجام خود را حفظ کرده و هم اکنون نیز بدون هیچ مشکلی در حال خواندن این مقاله‌ام؟ پاسخ، در نیروی پنهان دیگری نهفته است.

مراتب ذرات تشکیل دهنده ماده. در خصوص کوارک ها، u مخفف کوارک بالا و d مخفف کوارک پایین است. عکس از بروشور LHC

پروتون ها و نوترون های درون هسته یک اتم، توسط نیروی قوی هسته ای در کنار یکدیگر محکم نگه داشته شده اند.

اما با وجود اهمیت وافر این نیرو در طبیعت، چرا تاکنون هیچ گاه آن را مستقیماً حس نکرده‌ایم؟ دلیلش این است که نیروی قوی هسته‌ای، نیرویی کوتاه برد است؛ به این معنا که حوزه عملکرد آن فقط به اندازه ابعاد یک پروتون (در حدود ۱۰ به توان ۱۵- متر) و نه بیشتر است.

تا به اینجای کار، می‌توان تمامی رویدادهای جهان را توصیف کرد؛ پس نقش نیروی ضعیف هسته‌ای در این میان چیست؟

نیروی ضعیف هسته‌ای نیز هر چند نیرویی کوتاه برد است و حوزه عملکردش حتی ۱۰ برابر کوچک‌تر از نیروی قوی هسته‌ای است؛ اما غرش آتشفشان‌ها، درخشش خورشید و دیگر ستارگان و حتی انفجارهای هسته‌ای بدون وجود این نیرو معنایی خواهد داشت.

برای پی بردن به چگونگی عملکرد این نیرو بایستی به درون یک پروتون سفر کنیم!

پروتون‌ها و نوترون‌ها، خود از ذرات بنیادینی موسوم به کوارک تشکیل شده‌اند. به طور کلی شش نوع کوارک در طبیعت وجود دارد اما در اینجا به بیشتر از دوتای آن‌ها که «کوارک بالا» و «کوارک پایین» نامیده می‌شوند، نیازی نداریم.

زمانی‌که دو کوارک بالا و یک کوارک پایین به هم متصل شوند؛ آن‌‌گاه یک پروتون تشکیل می‌شود. اگر یکی از کوارک‌های بالا به کوارک پایین تبدیل شود؛ آن‌گاه یک نوترون خواهیم داشت.

در واقع زمانی‌که چنین تبدیلاتی رخ داده و ماهیت درونی ذره دستخوش تغییر می‌شود، پای نیروی ضعیف هسته‌ای در میان است. از این رو، تمامی واکنش های رادیواکتیو که در آن‌ها پروتون‌ها و نوترون‌ها به یک‌دیگر «تبدیل» می‌شوند، وابسته به نیروی ضعیفند.

در دهه‌ی ۴۰ میلادی، دو دانشمند آمریکایی به نامهای ریچارد فاینمن و جولین شووینگر، و یک دانشمند ژاپنی به نام سین ایتیرو توموناگا به طور مستقل به بررسی ماهیت «نیرو» پرداختند.

آن‌ها با تمرکز بر نیروی الکترومغناطیس، درصدد درک چگونگی واکنش ذرات زیراتمی بودند. آن‌ها سرانجام با دست‌یابی به نظریه‌ای به نام «الکترودینامیک کوانتومی»، به هدف مورد نظر خود رسیدند. آن‌ها دریافتند که ذرات باردار، با تبادل ذرات فوق العاده ریزی به نام فوتون با هم ارتباط برقرار می‌کنند که به طور مستقیم نمی‌توان به وجود آن‌ها پی برد.

الکترودینامیک کوانتومی، شاید موفق ترین نظریه در فیزیک جدید بود؛ چراکه با تکیه بر فرض وجود فوتون‌ها توانست با دقت بی سابقه‌ای چگونکی واکنش‌های متقابل ذرات زیراتمی را توصیف کند.

به پاس چنین کشف بزرگی این سه دانشمند، موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک ۱۹۶۰ شدند. اما این، آغاز راه بود.

بعدها دانشمندان زیادی با الهام از نظریه الکترودینامیک کوانتومی، تصمیم به بررسی ماهیت بقیه سه نیروی بنیادین طبیعت گرفتند. نتیجه آنکه نظریات جدیدتری آرام آرام به دنیای فیزیک معرفی شد.

این نظریات، دلیل برقراری نیروی قوی هسته ای را تبادل ذرات ریزی موسوم به «بوزون‌های برداری متوسط» دانسته و گرانش و نیروی ضعیف هسته‌ای را نیز با تبادل ذراتی موسوم به «گراویتون» و «گلوئون» توصیف می‌کردند.

در دهه ۷۰ میلادی اما سه دانشمند به نام های استیون وینبرگ، شلدون گلاشو و محمد عبدالسلام، فعالیت‌شان را بر نیروی ضعیف هسته‌ای متمرکز کردند. آن‌ها با پیشنهاد سه گونه از «بوزون‌های برداری متوسط»، مکانیسم برقراری نیروی ضعیف را بسط بیشتری دادند و سرانجام در یک دهه بعد بود که با کشف این ذرات پیش‌بینی شده، تئوری این سه دانشمند از پشتیبانی بسیاری برخوردار شد و جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۹ را به نام خود ثبت کرد.

براساس تئوری وینبرگ-گلاشو-عبدالسلام، ذراتی که نیروهای الکترومغناطیس و ضعیف هسته ای را انتقال می‌دهند، در انرژی های بالاتر از یکصد گیگا الکترون ولت**، یکی می شوند.

به عبارتی اگر دو ذره زیراتمی را با انرژی های بیشتر از ۱۰۰ گیگاالکترون ولت به هم برخورد دهند، آن‌گاه نیروی الکترومغناطیسی را نمی‌توان از نیروی ضعیف تفکیک کرد. در چنین شرایطی، نیروی یگانه‌ای به نام «الکتروضعیف» (الکتروویک) تولید می‌شود.

در واقع در چنین انرژی‌های بالایی، هر سه نوع بوزون های متوسط برداری، مشابه فوتون عمل کرده و نیروی ضعیف، همچون الکترومغناطیس به نیرویی دوربرد بدل می شود. به زبان فیزیکی، در انرژی‌های بالاتر از ۱۰۰ گیگاالکترون ولت، تقارن به حالت اولیه اش بازمی گردد.

اما در زندگی روزمره ما، حتی به ندرت انرژی مابین واکنش‌ها به یک الکترون ولت می‌رسد! از این رو دانشمندان در خصوص انرژی‌های پایین‌تر از ۱۰۰ گیگاالکترون ولت می‌گویند: تقارن شکسته شده است.

به دلیل همین عدم تقارن است که ما نیروی الکترومغناطیسی را متفاوت از نیروی ضعیف می‌بینیم.

چندی بعد، شلدون گلاشو، هاوارد گئورگی، جوزف پتی، و محمد عبدالسلام، پا را از این نیز فراتر گذاشته و نظریه‌ای به نام «وحدت میدان» را پیش کشیدند. طبق این نظریه، نیروهای الکتریسیته، قوی و ضعیف هسته‌ای در انرژی‌هایی بالاتر از ۱۰ به توان ۱۴ گیگاالکترون ولت، متحد می‌شوند.

به بیان دیگر اگر دو ذره زیراتمی را با انرژی‌هایی بیشتر از ۱۰ به توان ۱۴ گیگاالکترون ولت به هم برخورد دهیم، تمام این سه نیرو دوربرد شده و تشخیص آن‌ها از هم‌دیگر غیرممکن است.
تا به اینجای کار، تنها یک نیرو خود را کنار کشیده و در واکنش‌های سهمگین شرکت نمی‌کرد و آن، نیروی گرانش بود.

دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که اگر دو ذره را با انرژی‌های بالاتر از ۱۰ به توان ۱۹ گیگاالکترون ولت به هم برخورد دهند، تمامی چهار نیروی بنیادین طبیعت با هم متحد شده و ابرنیروی یگانه‌ای ایجاد می‌شود که تمامی قوانین طبیعت را می‌توان به آن وسیله توجیه کرد.

شاید هیچ‌گاه ارسطو فکرش را نمی‌کرد که چنین ابرنیرویی وجود داشته باشد. در این‌صورت او نیازی به معرفی ده‌ها دلیل فلسفی برای توجیه پدیده‌های کاملاً ساده پیرامون خود نداشت و تنها با ارائه یک نیروی متحد می‌توانست از بزرگ‌ترین فیزیک‌دانان تاریخ شود؛ نیرویی که حتی امروزه نیز ابزاری جز فلسفه قادر به ورود به منطقه ممنوعه‌اش نیست.

بشر اما تاکنون با استفاده از شتاب دهنده‌های غول پیکری چون شتاب دهنده تواترون در ایالت ایلیونز ایالات متحده به انرژی‌هایی در حدود یکصد گیگا الکترون ولت دست پیدا کرده و بدین ترتیب موفق به بازسازی نیروی الکتروضعیف شود.

اما چگونه چنین کاری ممکن است؟

ادامه دارد ...

پاورقی‌ها

۱- در نماد گذاری علمی، ۱۰ به توان ۳۹ به معنای «یک با ۳۹ صفر در مقابلش» است. به همین صورت، هزار را می‌توان بصورت ۱۰ به توان ۳ نیز گفت.

این در حالی است که اگر جسمی یک کیلوگرمی را از ارتفاع یک متری به پایین بیاندازیم، انرژی‌ای معادل ۹.۸ ژول آزاد می شود. اما شتاب دهنده‌ها با تمرکز این انرژی بر ذرات زیراتمی، قادر به ایجاد شرایط سهمگینی در دنیای ریز اتم‌ها هستند.