نیروهای بنیادی

نیروهای بنیادی چهارگانه

نیرو چیست؟

در فیزیک، هر برهمکنشی است که حرکت یک جسم یا ذره را تغییر دهد نیرو نامیده می‌شود. چنین تعریفی برای نیرو پس از نیوتن در جامعه‌ی علمی رواج یافت. فیلسوف‌های اروپای عصر باستان مفهوم نیرو را در مطالعه‌ی ایستایی و حرکت اجسام و ماشین‌های ساده استفاده می‌کردند، اما اندیشمندانی چون ارسطو و ارشمیدس بر خطاهای بنیادینی در مفهوم نیرو باقی ماندند. این درک ناکامل از مفهوم نیرو موجب شده بود دانشمندان دیدگاه دقیقی به طبیعت و حرکت طبیعی نداشته باشند. یکی از این خطاهای بنیادی این بود که فرض می‌شد برای بقای حرکت هر جسمی باید نیرو به صورت مداوم وجود داشته باشد، حتی برای حرکت با سرعت ثابت.

بسیاری از بدفهمی‌ها در مورد حرکت و نیرو توسط گالیله و نیوتن تصحیح شد. بیش از سیصد سال پیش نیوتن قوانین حرکت را فرمول‌بندی کرد. در قرن بیستم نیز انیشتین نظریه‌ی نسبیت را ارائه داد که عمل نیروها روی اجسام را در هر سرعتی به درستی پیش‌بینی می‌کرد.

پس از آن و با پیشرفت علم فیزیک به خصوص در زمینه‌ی ذرات بنیادی، نظریه‌هایی مانند مدل استاندارد به توصیف نیروهای بین ذرات زیراتمی پرداختند.

مفهوم نیرو، معنای خود را در مکانیک کوانتمی نیز حفظ کرد. شاید تنها در نظریه‌ی میدان‌های کوانتمی این تعریف کمی متفاوت باشد.

نیروهای بنیادی

اساس همه‌ی نیروها در کیهان ما، چهار برهمکنش بنیادی است. چهار نیروی اصلی و بنیادی که باعث برهمکنش ذرات می‌شوند عبارت‌اند از: نیروی قوی، نیروی ضعیف، نیروی الکترومغناطیس و نیروی گرانشی. ورای هر یک از این نیروها یک نظریه‌ی فیزیکی وجود دارد.

نیروهای بنیادی چهارگانه

گرانش

نیروی گرانش یا جاذبه، نیرویی است که بین جرم‌ها عمل می‌کند. نظریه‌ی کلاسیک گرانش، همان قانون جامع گرانش نیوتنی است، و تعمیم نسبیتی آن نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین است.

نیوتن برای نخستین بار در سال ۱۶۸۷ میلادی قوانین حرکت خود را در کتاب «اصول ریاضی فلسفه طبیعی» منتشر کرد و از این سه قانون برای توصیف حرکات اشیاء و دستگاه‌های مختلف استفاده کرد. قوانین حرکتی که نیوتن ارائه کرد تا امروز نیز در حد سرعت‌های پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد و در این حد به قدر کافی دقیق است. این سه قانون فیزیکی که بنیان مکانیک کلاسیک را شکل می‌دهند، به قرار زیر هستند.

قانون اول نیوتن: اگر هیچ نیروی خالصی بر جسم اثر نکند (F=0) سرعت جسم نمی‌تواند تغییر کند. یعنی جسم شتاب ندارد. به بیان دیگر، اگر جسم تحت تاثیر هیچ نیروی خارجی قرار نگیرد، جسم ساکن است یا با سرعت ثابت در مسیر مستقیم حرکت می‌کند.

چارچوب‌هایی که در آن قانون اول نیوتن برقرار است را چارچوب لخت می‌نامند.

قانون دوم نیوتن: شتاب یک جسم برابر است با مجموع نیروهای وارده بر جسم تقسیم بر جرم آن. فرمولی که از این قانون برمی‌آید $\left( F=ma \right)$ به معادله‌ی بنیادین مکانیک کلاسیک معروف است.

قانون سوم نیوتن: هرگاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند. این قانون را قانون کنش و واکنش نیز می‌نامند.

نیروی گرانش بین همه‌ی اجسامی که جرم داشته باشند اثر می‌کند و تنها به صورت جاذبه است. معادله‌ی این نیرو به شکل زیر است:

$F=G\frac{{{m}_{1}}{{m}_{2}}}{{{r}^{2}}}.$

که در آن m₁ و m₂ دو جرمی که برهم‌کنش گرانشی دارند، r فاصله‌ی دو جرم و G ثابت جهانی گرانش است که مقدار آن برابر است با ۶٫۶۷×۱۰^-۱۱ Nm²/Kg².

در نسبیت عام اثرات گرانشی به جای این که به وجود یک نیرو نسبت داده شود به هندسه‌ی فضا-زمان نسبت داده می‌شود. یعنی حرکت جسم شتابدار (مانند سقوط آزاد یک جسم روی زمین) نتیجه‌ی وارد شدن نیروی گرانشی از طرف زمین به جسم نیست، بلکه زمین در فضا-زمان اطراف خود انحنا ایجاد می‌کند. جسم ناگزیر است در انحنای فضا-زمان حرکت کند تا در یک حالت پایدار قرار گیرد. مسیر حرکت جسم در این حالت یک مسیر مستقیم است، هرچند ممکن است به دلیل انحنای فضا-زمان این مسیر خمیده باشد. این مطلب درست معادل این است که زمانی که شما می‌پندارید در حال حرکت در یک مسیر مسقیم هستید، چون روی سطح کره‌ی زمین قرار دارید، در حقیقت مسیری که طی می‌کنید خمیده است. این مسیرهای مستقیم ژئودزیک نامیده می‌شوند.

قوانین نیوتن و انیشتین به ما می‌گویند که گرانش چگونه عمل می‌کند اما از منشأ پیدایش آن چیزی بیان نمی‌کنند. در حال حاضر مردم فرض می‌کنند که چون گرانش خیلی ضعیف است و اثرات آن تنها در مقیاس بزرگ محسوس است، نقش مهمی در فیزیک ذرات بنیادی ایفا نمی‌کند.

الکترودینامیک

نظریه‌ی فیزیکی که نیروهای الکترومغناطیس را توصیف می‌کند، الکترودینامیک نام دارد. برای نخستین بار ویلیام گیلبرت در سال ۱۶۰۰ عنوان کرد که گرچه الکتریسیته و مغناطیس هر دو موجب ایجاد جاذبه یا دافعه بین اجسام خاصی می‌شوند اما با هم متفاوتند.

در سال ۱۷۸۴ کولن (Coulomb) نیروی الکتروستاتیک را که به صورت ذاتی بین دو بار الکتریکی وجود دارد توصیف کرد. معادله‌ی ریاضی این نیرو که برهمکنش بین بارهای الکتریکی را نشان می‌دهد مشابه با رابطه‌ی گرانش نیوتن بین دو جرم است؛ با این تفاوت که نیروی الکتروستاتیک می‌تواند جاذبه یا دافعه باشد. فرمول‌بندی ریاضی آن به شکل زیر است:

$F=K\frac{{{q}_{1}}{{q}_{2}}}{{{r}^{2}}}.$

که در آن q₁ و q₂ مقادیر بار الکتریکی دو جسم، r فاصله‌ی دو بار و ثابت کولن برابر با K= 8.99×۱۰^۹ N m² C^−۲.

فرمول کلاسیک الکترودینامیک صدها سال پیش توسط ماکسول کشف شد. ماکسول الکتریسیته و مغناطیس را تحت عنوان یک نظریه‌ی واحد فرمول‌بندی و ارائه کرد. در الکترودینامیک کلاسیک رفتار میدان‌های الکترومغناطیس با مجموعه‌ای از معادلات توصیف می‌شوند که معادلات ماکسول نامیده می‌شوند. این معادلات در دستگاه گاؤسی (CGS) به شکل زیر نوشته می‌شوند،

$\nabla \times \mathbf{E}+\frac{1}{c}\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}=0,$

$\nabla .\mathbf{D}=4\pi \rho ,$

$\nabla \times \mathbf{H}-\frac{1}{c}\frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}=\frac{4\pi \mathbf{J}}{c},$

$\nabla .\mathbf{B}=0.$

در این نظریه نیروی الکترومغناطیس با رابطه‌ی زیر به دست می‌آید که نیروی لورنتز نام دارد:

$\mathbf{F}=q\left( \mathbf{E}+\frac{v}{c}\mathbf{B} \right).$

نظریه‌ی ماکسول و نظریه‌ی نسبیت خاص با هم سازگاری داشتند.

نیروی ضعیف

یکی دیگر از انواع نیروهای موجود در طبیعت که پس از شناخت ساختار ماده و اتم شناخته شد، نیروی هسته‌ای است. نیروهای ضعیفی که به نحوی واپاشی هسته‌ای بتا را توصیف می‌کنند (و نیز ما شاهد واپاشی پایون، میون و شمار زیادی ذرات شگفت‌آور بوده‌ایم) برای فیزیک کلاسیک امری ناشناخته محسوب می‌شدند. توصیف نظری این فرآیندها فرمول‌بندی کوانتوم نسبیتی را ارئه داد. در واقع دو نوع نیروی هسته‌ای وجود دارد، نیروی هسته‌ای ضعیف یا همان نیروی ضعیف، و نیروی هسته‌ای قوی که نیروی قوی نیز نامیده می‌شود.

نخستین نظریه‌ی نیروهای ضعیف در سال ۱۹۳۳ توسط فرمی ارائه شد. این نظریه در دهه‌ی ۵۰ توسط لی و یانگ، فاینمن و گلمان و دیگران بازنگری و اصلاح شد و در دهه‌ی ۶۰ گلاشو، واینبرگ و سلام آن را به شکل کنونی ارائه دادند. این نظریه به نظریه‌ی گلاشو-واینبرگ-سلام (GWS) مشهور است و این سه تن، در سال ۱۹۷۹ برای ارائه‌ی این نظریه برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شدند. مدل GWS واکنش‌های ضعیف و الکترومغناطیس را، گرچه در انرژی‌های پایین خیلی متفاوت ظاهر می‌شوند، به عنوان جلوه‌های متفاوت یک نیروی واحد الکتروضعیف به شمار می‌آورد. به این ترتیب چهار نیروی یاد شده به سه نیرو کاهش می‌یابد.

نیروی ضعیف که مسئول واپاشی‌های رادیواکتیو است نقش مهمی در شکافت هسته‌ای ایفا می‌کند. این که این نیرو را ضعیف نامیده‌اند تنها در قیاس با نیروی هسته‌ای قوی است. نیروی ضعیف در مقایسه با گرانش در فواصل کوتاه بسیار قوی‌تر است.

نیروی قوی

در کل نیروهای هسته‌ای امروزه موضوع بحث نظریه‌های کوانتمی فیزیک ذرات بنیادی است. نقش این نیرو پایدار نگاه داشتن هسته‌ی اتم‌ها و کنار هم نگاه داشتن کوارک‌ها است. این نیرو بسیار قوی‌تر از نیروی الکترومغناطیس است و فقط به طور مستقیم بین ذرات بنیادی عمل می‌کند.

غیر از پژوهش‌های یوکاوا در سال ۱۹۸۳، تا پیش از ظهور کرومودینامیک هیچ نظریه‌ی دیگری کشف نشده بود.

ذرات واسطه‌ی انتقال نیرو

هر کدام از این نیروها با ذرات واسطه‌ای بین ذرات بنیادی یا اجسام انتقال می‌یابند. ذره‌ی واسطه‌ی نیروی گرانش، گراویتون نامیده می‌شود. گراویتون‌ها ذرات فرضی بدون جرم، با بار الکتریکی صفر، اسپین۲ و پایدار هستند که هنوز مشاهده نشده‌اند.

نیروهای الکترومغناطیس با کمک فوتون‌ها منتقل می‌شوند. فوتون نیز ذره‌ای بدون جرم، پایدار، بدون بار و اسپین یک است.

نیروهای ضعیف با بردارهای واسطه‌ی بوزونی Z و W منتقل می‌شوند. بوزون‌های Z و W جرم‌دارند، ناپایدارند، هر دو اسپین یک دارند، و W بار الکتریکی معادل منفی یا مثبت یک الکترون دارد، اما Z بدون بار است.

ذره‌ی واسطه برای انتقال نیروی قوی گلوئون است. این ذره بدون جرم و بدون بار الکتریکی است اما بار رنگی دارد و اسپین آن یک است.

مرتبه‌ی بزرگی نیروهای چهارگانه

این چهار نیرو را از نظر مرتبه‌ی بزرگی و در مقایسه با هم می‌توان به صورتی که در جدول زیر آمده است دسته‌بندی کرد. اما در حقیقت مقدار نیرو ذاتاً مبهم است و به منبع نیرو و فاصله از آن بستگی دارد. بنابراین استناد به این جدول دقیق نیست؛ و به خصوص در مورد نیروی ضعیف ممکن است مقادیر کاملاً متفاوتی نیز ببینید.

نیرو	مرتبه‌ی بزرگی	نظریه	ذره‌ی واسطه
قوی	۱۰	کرومودینامیک	گلوئون
الکترومغناطیس	۱۰^-۲	الکترودینامیک	فوتون
ضعیف	۱۰^-۱۳	فلاوردینامیک	بوزون Z و W
گرانش	۱۰^-۴۲	دینامیک هندسی	گراویتون

منابع:

– مقدمه‌ای بر ذرات بنیادی؛ دیوید جفری گریفیس

– مبانی فیزیک؛ دیوید هالیدی، رابرت رزنیک، جرل واکر

– Wikipedia

نیروهای بنیادی ِ چهارگانه در کیهان ما

نیروهای بنیادی چهارگانه

نیرو چیست؟

نیروهای بنیادی

گرانش

الکترودینامیک

نیروی ضعیف

نیروی قوی

ذرات واسطه‌ی انتقال نیرو

مرتبه‌ی بزرگی نیروهای چهارگانه

دیدگاه خود را بنویسید لغو پاسخ

تماس با ما

نوشته‌های تازه