نیروی بین بارهای الکتریکی:
قانون کولن برای نیروی الکتریکی
قانون کولن به‌خوبی چیزی را که در طبیعت مشاهده می‌کنیم توضیح می‌دهد. در حقیقت داریم:
F=K.q1.q2/r^2
در این معادله F نیروی الکتریکی است که به‌صورت بردار بین دو بار الکتریکی یا دو جسم باردار قرار می‌گیرد k ثابت الکتریکی است که قسمت چپ معادله که بر حسب نیوتن است را به سمت راست معادله که بر حسب کولن و متر است را به هم مرتبط می‌کند. این ثابت نیاز است تا جوابی که از معادله به دست می‌آید باتجربه ما از طبیعت همخوانی داشته باشد و q1 و q2 مقدار بار الکتریکی در هر جسم را بر حسب کولن نشان می‌دهند. کولن واحد بار الکتریکی در سیستم اندازه‌گیری SI است. r فاصله بین اجسام باردار است. همان‌طور که گفتیم این نیرو برای دو جسم با بار الکتریکی یکسان (هم‌نام) دافعه و برای دو جسم با بار الکتریکی غیریکسان (با علامت مخالف) جاذبه است. یعنی در محیط منظومه‌ای تابع یا معادله نیروی الکتریکی مشابه تابع نیروی گرانشی است.
نیروی قوی هسته‌ای، یکی از چهار نیروی پایه در فیزیک است که نقش آن کنار هم قراردادن، کوارک‌ها و ذرات تشکیل‌شده از آنها (مانند نوترون‌ها و پروتون‌ها) در هسته اتم‌ها است. به این معنی که نیروی هسته‌ای نیز نام‌گذاری می‌شود. این نیرو به همین خاطر، از نیروی الکترومغناطیسی بسیار قوی‌تر است و می‌تواند هستهٔ اتم‌ها را، با وجود نیروی دافعه بین پروتون‌های آن (با بار الکتریکی مثبت) پایدار نگه دارد. نیروی قوی هسته‌ای - نیروی الکترومغناطیس - نیروی ضعیف هسته‌ای - گرانش، به ترتیب قدرت چهار نیروی اصلی طبیعت‌اند همانند نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته‌ای ضعیف، این نیرو نیز توسط تبادل بوزون‌ها انجام می‌گیرد (توجیه می‌شود) که در اینجا، ذّرهٔ تبادل شده گلوئون نام دارد. گلوئون‌ها از ۸ نوع مختلف هستند که دارای بار رنگی هستند و آن را بین کوارک‌ها انتقال می‌دهند. برهم‌کنش یا نیروی قوی با آرایه برهم‌کنش میان کوارک‌ها و گلوئون‌ها درک شده است و جزئیات با نظریهٔ کرومودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف می‌شود. این نیروی بنیادی عامل اتحاد ذرات در هستهٔ اتم‌هاست، واسطهٔ انتقال این نیرو گلوئون‌ها (نوعی بوزون) هستند که با عمل بروی کوارک‌ها، پادکوارک‌ها و بین گلوئون‌ها انجام می‌گیرد. نیروی هسته‌ای قوی در دو مقیاس کوچک و بزرگ بررسی می‌شود. مقیاس بزرگ در حدود ۱ تا ۳ فمتو متر (fm) است. این مقیاس مربوط به نیرویی است که پروتون‌ها و نوترون‌ها و در کل نوکلئون‌ها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. مقیاس کوچک‌تر مربوط به ابعاد کمتر از ۰٫۸ فمتو متر (کمتر از شعاع یک نوکلئون) است که کوارک‌ها را در کنار هم نگاه می‌دارد تا پروتون‌ها و نوترون‌ها شکل بگیرند. نیروی قوی فقط روی ذرات بنیادی اثر می‌کند، بااین‌حال اثر بین هادرون‌ها به نیروی هسته‌ای مشاهده می‌شود (بهترین مثال برای فهم نیرویی که بین گلوئون‌ها اثر می‌کند هسته‌ها هستند) در اینجا نیروی هسته‌ای قوی به طور غیرمستقیم عمل می‌کند،
ما برای طرح معادلات دیفرانسیل حاکم بر کهکشان و ... از انتگرال‌گیری استفاده کردیم؛ ولی این بار از عملیات مشتق‌گیری استفاده می‌کنیم.
که بیان می‌کند:
نیروی الکتریکی یا الکترواستاتیکی با نیروی هسته‌ای قوی ماهیت و منشأ واحدی دارند. لازم نیست که قدرت این نیروی هسته‌ای، قوی‌تر از نیروی دافعه الکتریکی باشد؛ چون این نیرو به دو مؤلفه منفی و مثبت تجزیه می‌شود و نوکلئون‌ها تبدیل به دو یا چندقطبی الکتریکی می‌شوند.
هیچ نیازی به بوزون گلوئون وجود ندارد تا ذره تبادل این نیرو باشد؛ چون هر دو بار الکتریکی مثبت و منفی در نوکلئون‌ها یا پروتون‌ها به وجود می‌آید. گلوئون‌ها هشت نوع نیستند؛ بلکه با هر بار مشتق‌گیری، نیروهای هسته‌ای جدید پدیدار می‌شوند.
همان‌طور که مشخص می‌شود برد این نیرو بسیار کم است و با افزایش فاصله در ابعاد زیر هسته‌ای مقدار این نیرو صفر می‌شود؛ ولی در فواصل بسیار کوتاه زیر هسته‌ای مقدار این نیرو افزایش بسیار زیادی از خود نشان می‌دهد.
در آشکارسازها زمانی که هادرون‌ها با سرعت بالا با یکدیگر تصادم می‌کنند هر نیروی الکتریکی آشکار شده به یک کوارک یا گلوئون مربوط می‌شود. درحالی‌که کوارک‌ها و گلوئون ها وجود خارجی ندارند؛ بلکه از تجزیه نیرو یا میدان‌های مثبت و منفی الکتریکی پروتون‌ها این استنباط نادرست ناشی می‌شود.
که مشخص می‌کند در یک فاصله یا برد میدان الکتریکی ثابت، قدرت و شدت نیروی الکتریکی می‌تواند با ضریب دنباله عددی ۲- ، ۶، ۲۴- ، ۱۲۰، ۷۲۰- ، ۵۰۴۰ و ... افزایش چشمگیر و قابل‌توجهی داشته باشد که باعث انسجام و پایداری هسته‌ها تا مقدار معینی شود. یعنی چیزی که در آزمایشگاه‌های اتمی و ذرات زیراتمی شناسایی می‌شود این دنباله عددی است که مربوط به پیوند این نیروهای قوی با برد کوتاه می‌شود نه ذراتی به نام کوارک‌ها یا گلوئون‌ها.
و از همه مهم‌تر اینکه این دنباله عددی نشان می‌دهد که یک‌ذره یا نیروی واحد می‌تواند به‌طورکلی دو نوع بار الکتریکی مثبت و منفی از خود نشان دهد. یک‌ذره پروتون یا نوترون نوکلئون خود را به‌صورت شش نوع کوارک نشان دهد. فیزیک‌دانان را به فکر ارائه نظریه مدل استاندارد با ۲۴ عضو فرمیون بی اندازد. سه کوارک با هم ۱۲۰ درجه زاویه داشته باشند. اسپین ذرات 2*360=720 درجه قابلیت چرخش را داشته باشند و ...
مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، نام نظریه‌ای مربوط به نیروهای الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و همچنین طبقه‌بندی ذرات زیراتمی شناخته‌شده است. این مدل در نیمه دوم قرن بیستم در نتیجه تلاش‌های مشارکت‌آمیز دانشمندان در عرصه جهانی شکل گرفت. فرمول‌بندی کنونی آن در اواسط دهه ۱۹۷۰ پس از تأیید تجربی وجود کوارک، نهایی شد. از آن زمان تا کنون کشف کوارک سر (۱۹۹۵)، تاو نوترینو (۲۰۰۰) و به‌تازگی، بوزون هیگز (۲۰۱۳) بر اعتبار این مدل افزوده‌اند. به دلیل توانایی آن در توضیح نتایج تجربی، از مدل استاندارد گاهی با نام نظریه تقریباً همه چیز یاد می‌شود. اگرچه این باور وجود دارد که مدل استاندارد از لحاظ نظری خود - سازگار است و موفقیت زیاد و پیوسته‌ای در ارائه پیش‌فرض‌های تجربی داشته است، هنوز از توضیح برخی از پدیده‌های فیزیکی بازمانده است و همچنین نظریه جامعی برای توصیف بر همکنشهای بنیادی نیست؛ زیرا نظریه کاملی برای گرانش آن‌طور که توسط نسبیت عام بیان شده، نیست و همچنین از توضیح انبساط شتاب‌دار جهان ناتوان است. مدل شامل هیچ ذره قابل‌قبولی برای ماده تاریک که با ویژگی‌های منتج از مشاهدات کیهان‌شناسی تجربی سازگار باشد، نیست. این مدل همچنین نوسان نوترینو (و جرم‌های غیرصفرشان) را شامل نمی‌شود. بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:
لپتونها کوارک‌ها واسطه‌ها
مدل استاندارد بر همکنشهای قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با به‌کارگیری نظریه میدان‌های کوانتومی بیان می‌کند. نظریه پیمانه‌ای آن بر پایهٔ تقارن موضعی گروه‌های SU(3)C× SU(2)L ×U(1)Y است. C نشان‌دهندهٔ رنگ، L کایرالیتی چپگرد و Y فوق بار ضعیف است.
تاریخچه
نخستین گام به‌سوی مدل استاندارد، کشف شلدون گلاشو در سال ۱۹۶۱ بود که راهی برای ترکیب الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف یافت. در سال ۱۹۶۷ استیون واینبرگ و عبدالسلام سازوکار هیگز را به نظریه الکتروضعیف گلاشو افزودند و شکل امروزی آن را پدید آوردند. چنین پنداشته می‌شود که سازوکار هیگز به همه ذرات بنیادی مدل استاندارد جرم می‌بخشد. این موضوع جرم بوزون‌های دبلیو و زد و همچنین جرم فرمیون‌ها یعنی کوارک‌ها و لپتونها را نیز شامل می‌شود. پس از کشف جریان خنثای ناشی از تبادل بوزون زد در سرن در سال ۱۹۷۳، نظریه الکتروضعیف مورد پذیرش همگانی قرار گرفت و واینبرگ، عبدالسلام و گلاشو جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۹ را برای این کشف به طور مشترک به خود اختصاص دادند. بوزون‌های دبلیو و زد در سال ۱۹۸۱ به شکل تجربی کشف شدند و مشاهده شد که جرمشان با مقدار پیش‌بینی شده در مدل استاندارد مطابقت داشت. نظریه برهم‌کنش هسته‌ای قوی (یعنی کرومودینامیک کوانتومی، QCD) که بسیاری در آن مشارکت داشتند، شکل امروزین خود را در حدود سال‌های ۷۴–۱۹۷۳ یافت، هنگامی که آزادی مجانبی پیشنهاد شد (پیشرفتی که QCD را تبدیل به موضوع اصلی تحقیقات نظری کرد) و آزمایش‌ها تأیید کردند که هادرون‌ها از کوارک‌ها با بارهای کسری تشکیل شده‌اند. اصطلاح «مدل استاندارد» اولین‌بار توسط آبراهام پایس و سام تریمن در ۱۹۷۵ میلادی ابداع شد که در آن به نظریه الکتروضعیف با چهار کوارک ارجاع داده شد.
پیش‌زمینه
در حال حاضر، بهترین راه فهمیدن ماده و انرژی، از طریق سینماتیک و برهمکنشهای ذرات بنیادی است. تا به امروز فیزیک قوانین حاکم بر برهمکنشهای میان تمام شکل‌های شناخته‌شده ماده و انرژی را به مجموعه کوچکی از نظریه‌ها و قوانین بنیادی کاهش داده‌است. یکی از اهداف اصلی دانش فیزیک این است که زمینه مشترکی بیابد تا بتوان تمام این نظریه‌ها را در قالب یک نظریه همه‌چیز یکپارچه سازد، به گونه‌ای که همه قوانین شناخته‌شده دیگر حالت خاصی از آن باشند.
ذرات موجود در مدل استاندارد
اعضایی از دسته‌های مختلف ذرات بنیادی (فرمیون‌ها، بوزون‌های پیمانه‌ای و بوزون هیگز) را شامل می‌شود که به نوبه خود توسط ویژگی‌های دیگری مانند بار رنگ از هم تمایز پیدا می‌کنند. با متمایز شمردن ذرات از پاد ذرات متناظرشان و همچنین حالت‌های رنگی مختلف کوارک‌ها و گلوئون‌ها، در مجموع ۶۱ ذره بنیادی در مدل استاندارد وجود دارند.
فرمیون‌ها
خلاصه برهمکنشهای میان ذرات بر اساس مدل استاندارد.
مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین ½ می‌شود که فرمیون نام دارند. بر اساس قضیه اسپین - آمار، فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند. هر فرمیون یک پادذره متناظر دارد. فرمیون‌های مدل استاندارد بر اساس چگونگی برهم‌کنش آنها (بارهایی که حمل می‌کنند) طبقه‌بندی می‌شوند. فرمیون‌ها شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می‌شوند. در هر رده ذرات به‌صورت دوبه‌دو جفت می‌شوند و تشکیل یک نسل را می‌دهند که ذرات آنها رفتار فیزیکی متشابهی از خود نشان می‌دهند. ویژگی تعریف‌کننده کوارک این است که دارای بار رنگ است و به همین دلیل در برهم‌کنش هسته‌ای قوی شرکت می‌کند. پدیده‌ای به نام حبس رنگ سبب می‌شود که کوارک‌ها تمایل زیادی به ایجاد پیوندهای قوی با یکدیگر و تشکیل ترکیب‌های از نظر رنگی، خنثی (هادرون) می‌شود که یا از یک کوارک و پادکوارک (مزون) یا از سه کوارک (باریون) تشکیل شده‌اند. ذرات شناخته‌شده پروتون و نوترون، دو باریون با کوچک‌ترین جرم ممکن هستند. کوارک‌ها همچنین حامل بار الکتریکی و ایزو اسپین ضعیف هستند. به همین دلیل با سایر فرمیون‌ها هم از طریق الکترومغناطیس و هم نیروی هسته‌ای ضعیف، برهم‌کنش دارند. شش فرمیون باقی‌مانده دارای بار رنگ نیستند و لپتون نامیده می‌شوند. هر سه نوع نوترینو فاقد بار الکتریکی نیز هستند و ازاین‌رو حرکت آنها تنها تحت‌تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرد و آشکارسازی آنها بسیار دشوار است؛ اما الکترون، میون و تاو به دلیل داشتن بار الکتریکی از طریق الکترومغناطیس نیز برهم‌کنش دارند. هریک از اعضای یک نسل از ذره متناظر خود در نسل قبلی جرم بزرگ‌تری دارد. نسل نخست ذرات باردار دچار واپاشی نمی‌شوند؛ به همین دلیل ماده معمولی (باریونی) از چنین ذراتی تشکیل شده است. تمام اتم‌هایی که از الکترون‌هایی تشکیل شده‌اند که به‌دور هسته اتم می‌گردند، در نهایت از کوارک‌های بالا و پایین تشکیل می‌شوند. نسل‌های دوم و سوم ذرات باردار نیمه‌عمرهای بسیار کوتاه دارند و به‌سرعت واپاشی می‌شوند و تنها در محیط‌های بسیار پرانرژی یافت می‌شوند. هیچ‌یک از نسل‌های نوترینوها واپاشی نمی‌شوند و جهان را دربرگرفته‌اند اما به‌ندرت با ماده باریونی برهم‌کنش دارند.
ولی خود فیزیک‌دانان به نیکی متوجه شده‌اند که یک ذره و یا نیروی واحد طبق یک منطق جبری و نظام هندسی، منشأ و مبدأ پیدایش و شکل‌گیری تمام ذرات شناخته شده است.
يَوْمَ نَطْوِي السَّمَاءَ كَطَيِّ السِّجِلِّ لِلْكُتُبِ كَمَا بَدَأْنَا أَوَّلَ خَلْقٍ نُعِيدُهُ وَعْدًا عَلَيْنَا إِنَّا كُنَّا فَاعِلِينَ ﴿۱۰۴﴾
روزی كه می‌پيچيم آسمان را همچون پيچيدن شناسه ( كاغذ ، مدرك ، طومار ، جلد ) برای نامه‌ها ( نوشته‌ها ) ، آنچنانكه آغاز كرديم اولين خلقتی را ، برمی گردانيم آن را ، وعده‌ای است برايمان ، ما ، ماييم انجام دهندگان
وَإِذَا النُّفُوسُ زُوِّجَتْ ﴿۷﴾ تکویر
و هنگامی که نفس ها زوج کرده شوند (ادغام نوترونی)
در حقیقت خطرناک‌ترین پدیده برای کیهان، تراکم نوکلئون‌ها یا همان نوترون‌ها و پروتون‌ها در ستارگان نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها است. چون اگر جرم و فشار درون آنها از حد مشخصی گذر کند، نوکلئون‌ها خیلی‌خیلی به هم نزدیک شده و در هم فرومی‌روند و کل جرم آنها به انرژی تابشی تبدیل شده و کیهان درهم‌پیچیده و فرومی‌ریزد. چون با نزدیک‌شدن این ذرات به یکدیگر نیروی جاذبه مابین آنها بی‌نهایت شده و ادغام آنها با یکدیگر اجتناب‌ناپذیر خواهد شد و باتوجه‌به اینکه میلیاردها میلیارد ازاین‌گونه اجرام نوترونی در کیهان وجود دارد، یک بازیافت کامل ماده باریونی در انتظار کیهان است که در طول مدت ۵۰٫۰۰۰ سال قمری به وقوع خواهد پیوست.
محمدرضا طباطبايي ۱۴۰۱/۱۲/۰۸
