گسستگی زمان و فضا-قسمت۱

گسستگی زمان و فضا-قسمت۱

انديشه‌هاي جديد زمان و فضا را، هنوز همه فيزيكدانها نپذيرفته‌اند و عملاً هم تا كنون مورد تأييد قرار نگرفته است.

بيش از سي سال است كه انديشه‌هاي مذكور پديدار گشته‌اند، اما رواج كامل نيافته‌اند؛ با اينحال اغلب دانشمندان عقيده دارند، كه چندان هم از حقيقت به دور نمي‌باشند.

خلاصه نظريه‌ي روابط زمان ومكان با ذرات و حركت آنها (درجهان بي‌نهايت كوچكها) را، مي‌توانيم به شكل زير بيان كنيم :

چون ذرات و حركات آنها ويژگيهاي كوآنتيزه دارند، لذا زمان و فضا نيز بايد كوآنتيزه باشند. در اين صورت، آخرين دژهاي مستحكم مكانيك كلاسيك نيز فروخواهد ريخت؛ زمان و مكان پيوستگي خود را از دست مي‌دهند و به تكه‌هاي مجزائي تقسيم مي‌شوند.

اين تكه‌هاي مجزا را طبق معمول, کوانتومیي زمان وفضا خواهيم ناميد. بديهي است كه کوانتومیي زمان و فضا كوچكترين كميت‌هاي ممكن بوده و احتمالاً اندازه آنها برحسب جرم, انرژي, ممانتوم و ساير مشخصات اساسي قابل محاسبه خواهد بود.

تاكنون از اينگونه طولها و يا فواصل زماني بنيادي اطلاعي نداريم. بدين معني كه حتي از چهارچوب حساسيت دقيق‌ترين ابزارهاي اندازه‌گيري دنياي بي‌نهايت كوچكها نيز خارجند. دقت ماكزيمم اين گونه ابزارها براي طول, در حدود 13 ـ 10 سانتيمتر و براي زمان تقريباً ^23-10 ثانيه است. بعضي از دانشمندان عقيده دارند كه کوانتومیي مكان, (اگر وجود داشته باشد) بايستي صدها و يا هزارها برابر از مقدار فوق كمتر باشد.

انديشه‌ها بسيار جالبند؛ اما کوانتومیي زمان و فضا بسيار كوچك بوده و لذا اندازه‌گيري آنها امكان ندارد و به همين جهت آنها را احساس نمي‌كنيم. در واقع راهي براي اندازه‌گيري اين كميات بنيادي وجود ندارد, زيرا ابزارها خشونت نشان مي‌دهند و جهان بي‌نهايت كوچكها را به هنگام وارسي واژگون مي‌كنند.

سرانجام آشكار مي‌گردد, كه تصورات كلاسيك زمان وفضا, در دنياي بي‌نهايت كوچكها محدود مي‌شوند و فقط به مقياسهاي معيني باارزشند. حدود مذكور, همان جنبه‌ي دوگانگي ذرات بنيادي و همچنين کوانتومیي فضا و زمان هستند, كه درباره آنها گفتگو كرده‌ايم.بدين ترتيب, آيا شناسائي کوانتومیي زمان و مكان چه نتيجه‌اي دارد, آنها كه در تصورات روزانه ما از زمان و مكان, انعكاسي ندارند.واقعيت همين است, اما بارها يادآور شده‌ايم كه هر بخشي از دانش بخودي خود به وجود نمي‌آيد، بلكه برپايه بخشهاي گذشته بنياد مي‌گيرد. پيشرفت انديشه‌هاي جديد نيز يك شبه انجام نمي‌شود، بلكه به آهستگي اتفاق مي‌افتد و هميشه نمودهائي نيز از گذشته دارد. استقرار تصورات جديد هميشه پرزحمتي است.بدين گونه مكانيك کوانتومی، مسير خويش را از آغاز استقرار تا حال حاضر كه با موانع زيادي روبرو شده است، مي‌پيمايد. آيا كماكان پيروز است و يا شكست خورده و تئوري قويتري جاي آن را خواهد گرفت؟

جرم، بار الكتريكي، اسپين و پاريته، هركدام ويژگي مشخصي از ذره را به دست مي‌دهند و تعاريف را مستقل مي‌سازند، بدين معني كه كميتها برحسب يكديگر تعريف نمي‌شوند. مثلاً جرم برحسب نيروي وزن و بار الكتريكي برحسب نيروهاي دافعه يا جاذبه مشخص نشده است.البته بيش از اين چيزي نمي‌دانيم. ما هميشه اين انديشه‌ها را به كار مي‌گيريم ولي حتي يك نفر نمي‌داند كه مفهوم حقيقي آنها چيست؟

مكانيك کوانتومی درحال حاضر، چنين دوراني را مي‌گذراند. كميتهاي بسياري مانند جرم، بار الكتريكي و غيره را از مكانيك كلاسيك گرفته است و انديشه‌هائي مانند اسپين، پاريته و غيره را خود كشف نموده است. اما مفاهيم دقيق هيچ يك از آنها را تشريح نمي‌كند. همان طوري كه منشأ جرم و بار الكتريكي را نمي‌شناسد.

آيا واقعاً جرم چيست؟ دو پاسخ براي اين پرسش موجود است. اولاً جرم مقدار ماده‌اي است كه جسم را تشكيل مي‌دهد و ممكن است با مقدار هسته‌اي كه در حجم معين جسم وجود دارد (چون هسته اتم اكثريت جرم آن را دربردارد), مشخص گردد. به همين طريق مي‌توانيم جرم هسته را, بر حسب ذرات تشكيل دهنده آن (پرتون و نوترون), تشريح كنيم.

اما جرم پرتون چيست؟ آيا بازهم مقدار ماده‌اي است كه آن را تشكيل داده است؟ كدام ماده؟ كدام مقدار؟ تصور اندازه‌گيري جرم, خودبخود نشان مي‌دهد كه هر جسم, قابل تقسيم به تكه‌هاي كوچكتر است, در حاليكه پرتونها قابل تقسيم نيستند. بنابراين از ماده درون پرتون, با حدس و گمان بايد گفتگو كرد.

وقتي ادعا مي‌كنيم كه جرم پرتون, تقريباً ^24-10 گرم است, تنها منظورمان آن است كه يك گرم از آن شامل 10²⁴ پرتون خواهد بود. بدين ترتيب تعريف جرم, براي پرتون و ساير ذرات بنيادي, بر مبناي مقدار ماده‌اي كه آنها را تشكيل مي‌دهد, بي‌معني است.

تعريف دوم اين است كه, جرم مقدار اينرسي و يا به بيان ديگر مقاومتي است كه جسم, در برابر تغيير حالت از خود نشان مي‌دهد. البته در موارد معمولي كافي است كه جرم را,   مقاومت در مقابل تغيير مكان توصيف كنيم.با اين ترتيب امكان دارد كه جرم پرتون را, ميزان مقاومتي كه در برابر حركت (در اثر نيروهاي ساير ذرات.) ظاهر مي‌سازد, تعريف نمائيم. اما اين تعريف هم كامل نخواهد بود.

نيروها نماينده برهمکنش هستند و برهمکنش نمود ميدان است. وقتي پرتون‌ در ميدان سرعت مي‌گيرد, مقداري جرم اضافي از ميدان كسب مي‌كند. و وقتي سرعتش كاهش يافت, جرم مزبور را به ميدان بازمي‌گرداند. با اينكه جرم داده شده يا گرفته شده ناچيز است، ولي بهرحال تغيير جرم وجود دارد. لذا جرم، يك كميت متغير خواهد بود و خواص خويش را به عنوان يك كميت قابت، از دست مي‌دهد.

از اينجا آشكار مي‌گردد، كه درجهان بي‌نهايت كوچكها مجبوريم خود جرم را برحسب كميت ديگري بيان نمائيم. درمورد اخير، جرم پروتون را برحسب جرم سكون آن و نسبت سرعتش به سرعت سير نور تعريف مي‌كنيم.

ظاهراً روزنه اميدي حاصل شده است، زيرا جرم سكون هر ذره مقداري است ثابت و در واقع تغيير جرم سكون يك ذره به منزله تعويض آن مي‌باشد. آيا كماكان جرم سكون، نماينده مقاومت ذره نمي‌باشد؟ البته مقاومت ذره در برابر حركات مكانيكي معمولي نخواهد بود، بلكه مقاومت در برابر حركت به معناي همگاني آن، يعني تبديل ذرات مي‌باشد.

اين مطلب به حقيقت نزديك است. اگر يادتان باشد، وقتي انرژي سينتيك ذرات، به ميزان انرژي ويژه آنها (معادل با جرم سكون) مي‌رسيد، امكان تبديل واقعي آنها به کوانتومي ميدان وجود داشت.

با اين توصيف، مي‌توانيم جرم سكون ذرات را، برمبناي كيفيت پايداري آنها تعريف كنيم. درمورد بعضي از ذرات، جرم اخير قابل ملاحظه نيست و بنابراين در انرژيهاي كم نيز قابل تبديل به فوتون مي‌باشند. ذراتي كه جرم سكونشان بيشتر است، پايدارترند.

براساس نظريات امروزي، ذرات، در تبادلات حقيقي و مجازي كه نماينده برهمکنش‌هاي آنهاست شركت مي‌كنند. بنابراين جرم, از جنبه‌ي کوانتومیي مجازي ميدان‌ها نيز مي‌تواند مورد مداقه قرار گيرد.

 تمام اين مسائل موجب پيچيدگي تصور جرم مي‌گردند. از يك طرف جرم, نماينده نوعي از ويژگيهاي ذره است و از طرف ديگر, يكي از عوامل مشخص كننده تمام برهمکنشهاي آن محسوب مي‌گردد.

بدون شك, ساير مشخصات ذرات نيز به همين اندازه پيچيده هستند. امروزه كليه مسائلي كه براي شناسائي جوهر اساسي حقايق دنياي بي‌نهايت كوچكها مطرح مي‌گردند, سرانجام با بزرگترين معماي ناگشوده فيزيك, يعني چگونگي روابط ميدان وماده روبرو مي‌شوند.ذرات مادي, خواص ميداني دارند و کوانتومیي ميدان ويژگي‌هاي مادي نشان مي‌دهد. آيا كداميك نهادي و اساسي هستند, ماده يا ميدان؟

يك قرن قبل كه فيزيك به تازگي انديشه ميدان را پذيرفته بود, جواب ساده به نظر مي‌رسد. ذرات ماده ميدان را ايجاد مي‌كنند و ميدان يك وسيله كمكي براي دريافت برهمکنش ذرات است. ميدان بدون ماده وجود ندارد.

اما به مرور زمان روشن گرديد, كه ميدان نيز مي‌تواند ماده را بوجود آورد و بنابراين انديشه ميدان, چندان هم فرعي و كمكي نمي‌‌باشد.

سپس, فيزيكدانها به جانب ديگر متمايل شدند و راه انيشتن را برگزيدند. بدين معني كه ميدان را اساسي دانسته و بقيه را تظاهرات گوناگون آن به شمار آوردند. دراين صورت، ماده بدون ميدان وجود نخواهد داشت و ذرات ماده، خرده پاره‌هاي ميدان محسوب مي‌گردند.

نيروهاي موجود در طبيعت در4 دسته نيروي گرانشي، الكترومغناطيسي، هسته‌اي ضعيف و هسته‌اي قوي تقسيم‌بندي مي‌شوند. در دهه 1960 نظريه‌اي تحت عنوان نظريه واينبرگ ـ سلام (Weinberg-salam Theory) توسط فيزيك‌دان مسلمان پاكستاني، عبدالسلام و واينبرگ مستقلاً پيشنهاد شد و هدفش توجيه نيروهاي ضعيف و الكترومغناطيسي بود.

نظريه‌هاي وحدت بزرگ (Grand unified Theories = GUT) نظريه‌هايي هستند كه كار آنها توحيد نيروهاي قوي، ضعيف و الكترومغناطيسي است. نظريه ميدان وحدت يافته (unified field Theory) نظريه‌اي است كه مي‌كوشد دو، سه و يا چهار نيروي موجود در طبيعت را در يك ابر نيرو (ميدان) وحدت بخشد. اما آنچه كه دراين مقال از سير تاريخي كوانتوم بدون اين پيش زمينه بدان اشاره شده در واقع نظريه ميدانهاي كوانتومي (Quantum Field Theory) است كه منظور از ميدان دراين بخش همان ابرنيرويي است كه تمام نيروهاي موجود در طبيعت شاخه‌هايي ازآن هستند.

اين نظريه در واقع مكانيك كوانتومي نسبيتي را كه در مورد آن صحبت كرديم را در مورد ميدانها بكار مي‌برد.