به جاي آنكه قسمت منفي انرژي را به دليل
غير فيزيكي بودن آن كنار بگذارد، به پژوهش پيرامون پيامدهاي تمامي معادله پرداخت و
به نتايج بسيار جالبي رسيد. به طور خلاصه ديراك با توجه به قسمت منفي رابطه ي بالا
وجود پاد ماده را پيشگويي كرد. اگر اين پيشگويي درست مي بود، مي بايست براي ذره اي
مانند الكترون، ذره ي ديگري وجود داشته باشد كه حرم حالت سكون آن برابر جرم الكترون
باشد. تجزيه تحليل ديراك چنين نشان مي داد كه اين ذره بايد داراي بار الكتريكي مثبت
باشد. زمانيكه ديراك وجود چنين ذره اي را پيشگويي كرد با ناباواري فيزيكدانان مواجه
شد. اما چهار سال بعد، آندرسن اين ذره را در اشعه ي كيهاني كشف كرد و آن را
پوزيترون ناميدند. بعدها در آزمايشگاه نيز با واپاشي فوتون زوج الكترون - پوزيترون
توليد شد
فوتوني با انرژي زياد، تمامي
انرژي
E=hf
خود را در برخورد با هسته از دست مي دهد
و يك زوج الكترون - پوزيترون مي آفريند. پوزيترون ذره اي است كه كليه ي خواص آن با
خواص الكترون يكسان است مگر بار الكتريكي و علامت گشاور مغناطيسي آن، زيرا بار
الكتريكي پوزيترون مثبت است
توليد زوج الكترون - پوزيترون
در فرايند توليد زوج الكترون - پوزيترون اصولي بايد
محفوظ بماند تا اين پديده روي دهد. اين اصول عبارتند از بقاي انرژي نسبيتي كل، بقاي
اندازه حركت و بقاي بار الكتريكي، زيرا فوتون از نظر الكتريكي خنثي است و
مجموع بارهاي الكتريكي بعد از توليد نيز بايد صفر باشد. بقاي اندازه حركت نيز نشان
مي دهد كه يك فوتون نمي تواند در فضاي تهي محو شود و زوج توليد كند. چنين
فرايندي با حضور يك هسته ي سنگين امكان پذير است تا بقاي اندازه حركت و بقاي انرژي
نسبيتي نقض نشود
در ارتباط با توليد زوج، فرايند معكوسي وجود دارد كه
نابودي زوج ناميده مي شود. يك الكترون و يك پوزيترون مجاور يكديگر، در هم ادغام مي
شوند و به جاي آن انرژي تابشي به وجود مي آيد
بررسي فرايند توليد و واپاشي زوج
حال بايد فرايند توليد و واپاشي زوج ماده - پاد
ماده را با دقت مورد بررسي قرار داد تا ببينيم چگونه مي توان اتحاد بين
نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي را از آن نتيجه گرفت و چرا تا به حال اين تلاشها بي
نتيجه بوده است؟
فوتوني را در نظر بگيريد كه با
انرژي كافي در حركت است و در يك فرايند واپاشيده شده و يك زوج الكترون -
پوزيترون (يا پروتون - پاد پروتون) توليد مي كند. همجنانكه كه مي دانيم انرژي
نسبيتي فوتون با جرم - انرژي ذرات توليد شده برابر است. زوج توليد شده شامل دو
ذره يكي با بار الكتريكي مثبت و ديگري با بار الكتريكي منفي است. اين دو ذره در دو
برهم كنش با يكديگر شركت مي كنند. يكي برهم كنش گرانشي و ديگري برهم كنش الكتريكي.
طبق نظريه كوانتوم مكانيك اين برهم كنشها از طريق تبادل ذرات انجام مي شود. ذره ي
تبادلي الكترومغناطيسي، فوتون است كه نيروي الكترومغناطيسي را حمل مي كند و ذره ي
تبادلي گرانشي، گراويتون است كه نيروي گرانش را حمل مي كند. حال چندين سئوال
اساسي قابل طرح مي باشد
الف - ذرات باردار چگونه
از يك ذره ي خنثي توليد مي شوند؟
ب - ذره ي
تبادلي (فوتون) چگونه و از چه چيزي توليد مي شود؟
ج - فوتون
حامل انرژي الكترومغناطيسي است كه شامل دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي عمود بر
هم است. چه رابطه اي بين اين ميدانهاي الكترومغناطيسي و بار الكتريكي ذرات ماده -
پاد ماده كه در فرايند آفرينش توليد مي شوند، وجود دارد؟
د - نقش گرانش
(گراويتونها) در اين فرايند ها چيست؟
براي رسيدن به پاسخ اين سئوال ها نيازي
نيست كه روابط پيچيده اي را اختراع كنيم كه با طبيعت فيزيكي اين پديده ها
بيگانه است. همچنين نيازي نيست كه معادلات پيچيده تر رياضي ابداع كرده و بعد تلاش
كنيم اين معادلات را به طبيعت تحميل كنيم يا تحقيق كنيم كه كداميك از آنها و تحت چه
شرايطي سازگارند. راهنماي ما در اين زمينه خود امواج الكترومغناطيسي، نحوه ي توليد
آنها و اندركنش انرژي الكترومغناطيسي با گرانش (يا گراويتون ها) است
براي اين كار دو مورد خاص را در نظر مي
گيريم
يك - نحوه ي توليد و
انتشار امواج الكترومغناطيسي
دو - اثر گرانش بر امواج
الكترومغناطيسي
توليد امواج الكترومغناطيسي
قوانين الكتروديناميك نشان مي دهد هرگاه
يك ذره ي باردار شتاب بگيرد، يك موج الكترومغناطيسي در فضا منتشر مي شود كه با سرعت
نور حركت مي كند. اگر اين ذره ي باردار نوسان كند با هر نوسان آن يك كوانتوم انرژي
الكترومغناطيسي كه فوتون ناميده مي شود، توليد و منتشر مي گردد
با نوسان ذره ي باردار موج
الكترومغناطيسي در فضا منتشر مي شود
كه فركانس آن با فركانس نوسان ذره ي
باردار برابر است
بنابراين براي توليد يك موج الكترومغناطيسي (فوتونها)،
بايستي ذره ي بار دار را به نوسان در آوريم. هرچند روشهاي گوناگوني براي به نوسان
درآوردن ذره ي باردار وجود دارد، اما همه ي آنها از اين قانون كلي پيروي مي كنند كه
بايد روي ذره ي باردار كار انجام شود تا ذره شتاب بگيرد. ذره ي باردار (الكترون هاي
آزاد فلز) با گرفتن يك كوانتوم انرژي به مدار بالاتر صعود مي كند و با سقوط به مدار
پئين تر، انرژي را تابش مي كند. مستقل از اينكه منشاء نوسان چيست و چگونه الكترون
به نوسان در مي آيد، اين تابش وجود دارد و قابل آشكار سازي است
از طرف ديگر مي دانيم انرژي ها قابل تبديل به
يكديگرند. حال تبديل انرژي پتانسيل گرانشي را به انرژي الكترومغناطيسي، نظير آنچه
كه در سدها و با استفاده از توربين انجام مي شود در نظر بگيريد. در اين فرايند
مقداري آب در ارتفاع خاصي قرار دارد كه بر اثر سقوط در ميدان گرانشي، انرژي جنبشي
كسب مي كند و هنگام برخورد با پره هاي توربين، قسمتي از اين انرژي جنشي به توربين
منتقل مي گردد و سيم پيچ آن را به چرخشد در مي آورد. چرخش سيم پيچ موجب
مي شود شار مغناطيسي حاصل از آهنرباي موجود در وسط سيم پيچ تغيير كند و جريان
الكتريكي بر قرار گردد و در نتيجه الكترونهاي آزاد درون سيم ها نوسان كرده و انرژي
الكترومغناطيسي توليد شود. در واقع انرژي پتانسيل گرانشي به انرژي الكترومغناطيسي
تبديل شده است
تبديل انرژي گرانشي به انرژي الكترومغناطيسي را مي
توان از زاويه ديگري نيز مورد بررسي قرار داد
تاثير گرانش بر انرژي الكترومغناطيسي
طبق پيشگويي نسبيت هرگاه فوتوني در ميدان گرانشي سقوط كند، فركانس
و در نتيجه انرژي آن افزايش مي يابد كه آن را جابجايي به سمت آبي مي گويند. عكس اين
حالت نيز صادق است، يعني هنگاميكه نور در حال ترك (فرار) از يك ميدان گرانشي است،
فركانس و در نتيجه انرژي آن كاهش مي يابد كه جابجايي به سمت سرخ گرانش ناميده مي
شود. اين پيشگويي براي مدتها قابل آزمايش نبود تا آنكه موسبوئر در سال 1958 نشان
داد كه يك بلور در بعضي شرايط مي تواند دسته اشعه اي گاما با طول موج كاملاَ معيني
توليد كند. اشعه ي گاما با چنين طول موجي را مي توان با بلوري مشابه بلوري كه آن را
توليد كرده است جذب كرد. اگر طول موج اشعه ي گاما فقط مختصري با طول موج اشعه اي كه
توسط بلور توليد مي شود تفاوت داشته باشد، به وسيله آن جذب نخواهد شد. اين پديده را
اثر موسبوئر مي نامند. آزمايشهايي كه در سال 1960 توسط پوند و ربكا و سالهاي بعد،
بارها و با استفاده از اثر موسبوئر انجام شد، درستي پيشگويي نسبيت را تاييد كرد. در
نسبيت فركانس و در نتيجه انرژي فوتون در يك ميدان گرانشي تغيير مي كند كه براي آن
رابطه زير ارائه شده است
f'=f(1+MG/Rc^2)
يعني جابجايي به سمت آبي گرانش. كه در آن
M, G, R, c , f, f'
به ترتيب جرم جسمي كه موجب ايجاد ميدان گرانشي شده، ثابت جهاني
گرانش، شعاع جسم و سرعت نور و فركانس فوتون قبل از سقوط و بعد از سقوط
است
با افزايش انرژي فوتون، شدت ميدان الكتريكي و
مغناطيسي آن افزايش مي يابد بطوري كه رابطه ي زير همواره بر قرار است
بنابراين كاري كه توسط نيروي گرانش روي فوتون انجام
مي شود، تنها به معني ساده ي افزايش انرژي آن نيست، بلكه مفاهيم عميق تري در وراي
آن نهفته است. اگر اين پديده را بخواهيم از ديدگاه نظريه ميدان كوانتومي نگاه كنيم،
بايد بپذيريم كه گراويتونها در ساختمان فوتون نفوذ كرده و علاوه بر افزايش انرژي آن
موجب افزايش شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي آن شده اند. اما با توجه به خواصي كه
مكانيك كوانتوم براي گراويتونها قائل است، اين پديده قابل توجيه نيست. بلكه بايد در
مفاهيم بنيادي مكانيك كوانتوم تجديد نظر كنيم و از ماوراي مكانيك كوانتوم اين پديده
را مورد بررسي قرار دهيم. زيرا در مكانيك كوانتوم به گفته ي ديراك الكترون و فوتون
نقاط مادي هستند كه نمي توان ساختمان آنها را مورد كنكاش و بررسي قرار داد. در
حاليكه در نظريه سي. پي. اچ.
همه ي ذرات از تعدادي سي. پي. اچ. تشكيل مي شوند و سي. پي. اچ. در حالت
خاص گراويتون است
نگاهي نوين به شواهد تجربي
براي به دست آوردن يك نتيجه ي رضايت بخش كه بتوان با
استفاده از آن به اتحاد نيروهاي الكترومغناطيسي و گرانشي رسيد، نمي شود و نبايد با
ديدگاه معمول به آن برخورد كرد. زيرا اين ديدگاه در هشتاد سال گذشته با تمام تلاشي
كه انجام شده، موفقيت چنداني نداشته است
واقيعيت غير قابل انكار اين است كه كاري كه گرانش
روي فوتون انجام مي دهد، علاوه بر تغيير انرژي آن، بر شدت ميدانهاي الكتريكي و
مغناطيسي آن نيز موثر است و اين چيزي است كه مكانيك كوانتوم و نسبيت براي آن توضيحي
ندارند
از ديدگاه مكانيك كوانتوم، فوتون بسته انرژي در حال دوران است. همچنين ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي
اطراف يك پرتو نوري ازنوع ميدانهاي الكترومغناطيسي استاتيك نيست. ميدان
الكترومغناطيسي كه توسط يك فوتون ايجاد مي شود، بسيار قوي تر از ميدان گرانشي
آميخته با آن است. همچنين هنوز شناخته نشده كه اين دو ميدان الكترومغناطيسي و
گرانشي چگونه توسط فوتون توليد مي شود و چرا تا اين اندازه اختلاف دارند. اين يك
معماي حل نشده ي فيزيك است
بايد توجه داشت كه براي حل يك مسئله قديمي، نمي توان
به همان راه حل هاي كهنه و متداول بسنده كرد، بلكه بايد به دنبال راه حلهاي متفاوت
و نوين بود تا به نتايج قابل قبولي رسيد. البته بايد توجه داشت كه فيزيك دانشي متكي
بر تجربه است، بنابراين هر توصيفي از پديده هاي فيزيكي كه بخواهد نظريه اي را مطرح
كند، بايد متكي بر شواهد تجربي باشد. بر اين اساس است كه نمي توان و نبايد يك نظريه
جديد شواهد تجربي را نقض كند، بلكه بايد در شواهد تجربي ريشه گرفته و براي توجيه
همين شواهد تجربي بكار رود و در اين كارايي است كه سير تحول منطقي و تكامل خود را
خواهد پيمود
حتي چنين نگرشي نيز نمي تواند روابط پذيرفته شده و
متكي بر آزمايش را نفي كند، بلكه تنها مي تواند به تعديل يا تعميم آنها بپردازد.
نگاه نظريه سي. پي. اچ. به فيزيك از اين زاويه است. بهمين دليل در نظريه سي. پي.
اچ. تلاش مي شود با درك شهودي از پديده ها روابط پذيرفته شده را تعميم دهد. در اين
راستا به تعميم يكي از بنيادي ترين روابط شناخته شده ي فيزيك، يعني قضيه كار و
انرژي مي پردازيم
قضيه كار و انرژي و تابش الكترومغناطيسي
مي دانيم هرگاه روي جسم/ذره اي كار انجام شود،
كار انجام شده موجب تغيير انرژي جنبشي جسم/ذره مي شود. از طرفي فوتون تنها
حامل انرژي جنبشي است و سكون فوتون به معني از دست دادن انرژي آن است. خوب حال
فوتوني را در نظر بگيريد كه با انرژي
E=hf
در حال سقوط در يك ميدان گرانشي است. همچنانكه در
بالا اشاره شد، بر اثر سقوط فوتون، انرژي و در نتيجه فركانس آن افزايش مي يابد. حال
فرض كنيم يك گراويتون نيروي گرانشي برابر با
Fg
را حمل مي كند و فاصله ي
Lp
را طي مي كند تا از مرز خارجي فوتون وارد ساختمان
فوتون شود. در اين صورت كار انجام شده برابر است با
Wq=Fg.Lp=dE
كه در
Wq, Fg, Lp,
به ترتيب و از چپ به راست كوانتوم كار انجام شده، نيروي گرانشي كه
يك گراويتون حمل مي كند، طول پلانك كه تقريباً برابر
10-35
ده به توان منهاي سي و پنج متر و
dE
تغيير انرژي فوتون است. و در حالت كلي مقدار كار از رابطه ي رير به
دست مي آيد
W=nWq=nFg.Lp , n=...., -2. -1, 0, 1, 2, ...
تغيير ميدان الكتريكي و مغناطيسي فوتون
هنگاميكه فوتون در حال سقوط در ميدان گرانشي است،
گراويتونها وارد ساختمان فوتون مي شوند. با افزايش گراويتونها در ساختمان فوتون،
شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي فوتون نيز افزايش مي يابد. به شكل زير توجه
فرماييد
هنگاميكه گرانش روي فوتون كار انجام مي
دهد
شدت ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي فوتون
افزايش مي يابد
اگر كار انجام شده بر روي فوتون تنها موجب افزايش
انرژي آن مي شد و تاثيري بر روي ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي آن نداشت، اصولاً
دليلي بر وجود نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي وجود نمي داشت. وجود ميدانهاي الكتريكي
و مغناطيسي در امواج الكترومغناطيسي، ناشي از آن است كه اين ميدانها خود از اجزاي
كوچكتري تشكيل شده اند كه آنها نيز داراي خواص الكتريكي و مغناطيسي هستند. به عبارت
ديگر گراويتونها نه تنها حامل نيروي گرانش هستند، بلكه داراي خواصي هستند كه ما
آنها را تحت عناوين بار الكتريكي و شار مغناطيسي مي شناسيم
اين نگرش موجب مي شود كه ديدگاه خود را نسبت به
گراويتون تغيير دهيم و اعتراف كنيم كه گراويتونها داراي خواص الكتريكي و مغناطيسي
هستند كه مي توان آنها تحت عناوين بار - رنگ و مغناطيس - رنگ معرفي كرد. در واقع
انباشتگي اين بار-رنگ ها و مغناطيس - رنگ ها عامل توليد ذرات باردار
هستند
بار الكتريكي و نيروي الكتريكي
هنگاميكه انرژي به ذرات باردار تبديل مي شود، مانند
آنچه كه در پديده ي توليد زوج الكترون - پوزيترون روي مي دهد، اين ذرات موجوديت و
خواص الكتريكي خود را با انتشار فوتون هاي تبادلي بروز مي دهند. در واقع بار
الكتريكي يك ژنراتور (توليد كننده) نيروي الكتريكي است و گراويونهاي اطراف را
انباشته كرده و به صورت ذرات تبادلي نيروي الكتريكي در فضا منتشر مي كند. يك بار
الكتريكي منزوي را در نظر بگيريد كه دائم در حال انتشار نيروي الكتريكي است، و
هيچگاه جرم آن كاهش نمي يابد. اين امر به دليل آن است كه مواد مورد مصرف آن
گراويتون است كه در اطراف آن به وفور يافت مي شود. مقاومت گرانش در مقابل تغيير
ميدان الكتريكي بصورت ميدان مغناطيسي ظاهر مي شود. قانون آمپر را به ياد
آوريد
توليد ميدان مغناطيسي توسط بار الكتريكي
متحرك
ميدان مغناطيسي در اطراف دو سيم حامل جريان
الكتريكي
هرچند ديراك وجود تك قطبي هاي مغناطيسي را پيشگويي كرده است، اما
نه تنها هنوز چنين تك قطبي ها مشاهده نشده، حتي بدون بار الكتريكي ميدان مغناطيسي
نيز ايجاد نمي شود. ميدان مغناطيسي يك جريان است كه بر اثر مقاومت ميدان گرانشي در
مقابل تغيير ميدان الكتريكي ايجاد مي شود