نیروهای بنیادی

اندرکنش‌های بنیادی در فیزیک که (گاهی آن‌ها را نیروهای تعاملی نیز می‌نامند) روشی هستند که بوسیله آن‌ها ساده‌ترین ذرات در جهان هستی می‌توانند با یکدیگر اندرکنش داشته باشند. یک اندرکنش را زمانی می‌گوییم بنیادی است که نتوان آن را بوسیله دیگر نیروها توضیح داد. چهار نیروی بنیادی شناخته شده در جهان عبارتند از: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، الکترومغناطیس و گرانش. نیروهای هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف را به ترتیب با نام‌های قوی و اندرکنش ضعیف هم می‌شناسند. احتمالا به جز نیروی گرانشی، بقیه این نیروها به وسیله یک سری محاسبات تقریبی که به نظریه اختلال معروف است، قابل توصیف‌اند. گویی اعمال نیروی بنیادی معادل تبادل بوزون بین ذرات است. با این حال مواردی وجود دارد که نظریه اختلال نمی‌تواند به خوبی پدیده مشاهده شده را توصیف کند. مانند حالت پیوند و تک موج.
پیش‌گفتار
خلاصه‌ای از خانواده‌های متعدد ذرات اولیه و مرکب و نظریه‌های توصیف‌کننده اندرکنش میان آنان.
در مدل مفهومی نیروهای بنیادی، جرم از فرمیونها تشکیل شده‌است. فرمیون‌ها خود دارای دو ویژگی: بار و گردش (اسپین) ± هستند. (گشتاور زاویه‌ای ذاتی ħ/۲ ± که ħ ثابت کاهش یافته پلانک است) که آن‌ها توسط بوزون‌ها یکدیگر را می‌ربایند یا می‌رانند.
اندرکنش بین هر جفت از فرمیون‌ها بوسیله نظریه اختلال به شکل زیر مدل می‌شود.
۲ فرمیون وارد می‌شود ← اندرکنش بوسیله تبادل بوزون ← ۲ فرمیون تغییر یافته خارج می‌شود.
مبادله بوزون همواره با انرژی همراه است و بین فرمیون‌ها گشتاور ایجاد می‌کند و درنتیجه سرعت و جهت آن‌ها را تغییر می‌دهد. درطول این فرایند این احتمال وجود دارد که بین فرمیون‌ها انتقال بار صورت گیرد یا بار آن‌ها تغییر کند (مثلا فرمیون‌ها را از نوعی به نوعی دیگر تبدیل کند). از آنجایی که بوزون‌ها تنها یک واحد، گشتاور زاویه‌ای حمل می‌کنند درطول چنین فرایندی جهت گردش فرمیون‌ها (اسپین) از + به - (واحد ضریب کاهش‌یافته پلانک) تغییر می‌کند. (یا برعکس این حالت)
چون یک اندرکنش باعث ایجاد ربایش یا رانش در بین فرمیون‌ها می‌شود، به‌جای اندرکنش می‌توان از عبارت عمومی‌تر نیرو استفاده کرد.
مطابق درک امروز چهار نیرو یا اندرکنش بنیادی وجود دارد:
گرانش، الکترومغناطیس، اندرکنش ضعیف و اندرکنش قوی (نیروی قوی). بزرگی و رفتار آن‌ها همان‌طور که در جدول زیر نشان داده شده‌است، به طور کلی متفاوت است. فیزیک جدید سعی دارد تا هر پدیده فیزیکی قابل مشاهده را بوسیله این نیروهای بنیادی توضیح دهد. بعلاوه کاهش تعداد انواع نیروها به نظر مطلوب‌تر می‌آید. دو مورد از این یکپارچه سازی‌ها مربوط می‌شود به:
ادغام نیروهای الکتریکی و مغناطیسی به الکترومغناطیسی
ادغام نیروهای الکترومغناطیسی و اندرکنش ضعیف به نیروی الکتریکی‌ضعیف (کهربایی‌ضعیف)
هم بزرگی‌ها ("قدرت نسبی") و هم "محدوده‌ها که در جدول زیر نشان داده شده‌اند، تنها در چارچوب یک تئوری پیچیده معنی‌دار اند. یادآوری می‌شود که جدول زیر تنها ویژگی‌های چارچوبی صرفا مفهومی را بیان می‌دارد که خود هنوز در حال مطالعه‌اند)
محدوده(m)
رفتار در برد بلند
قدرت نسبی
ذرات حامل
تئوری فعلی
اندرکنش
10 −15
10 38
گلوئن
کرومودینامیک کوانتومی(QCD)
قوی
10 36
فوتون
الکترودینامیک کوانتومی(QED)
الکترومغناطیس
10 −18
10 25
بوزون‌های W و Z
تئوری الکتریکی-ضعیف (کهربایی-ضعیف)
ضعیف
۱
گراویتون (به صورت فرضی)
نسبیت عام (GR)
گرانش
از نگاه مکانیک کوانتوم جدید، در نیروهای بنیادی (غیر از گرانش)، ذرات ماده (فرمیون‌ها) با هم اندرکنش مستقیم ندارند بلکه بار حمل می‌کنند و ذراتی مجازی به نام بوزون واسطه را بین هم تبادل می‌کنند، که این ذرات حامل‌های اندرکنش یا واسطه‌های نیرو اند. مانند فوتون‌ها که واسطه اندرکنش میان بارهای الکتریکی‌اند و گلوئن که واسطه اندرکنش میان بارهای رنگی‌اند.
اندرکنش‌ها
گرانش
گرانش نسبت به چهار نیروی بنیادی دیگر از همه ضعیف‌تر است، بنابراین وقتی آن را در ابعاد ذرات بررسی می‌کنیم، قابل صرف‌نظر کردن است. مثلا اگر یک سوزن را به یک آهن‌ربا نزدیک کنیم به راحتی می‌بینیم که میزان ربایش آهن‌ربا بیشتر از میزان گرانش کل زمین نسبت به آن سوزن است و سوزن به سمت زمین سقوط نمی‌کند.
با این حال گرانش برای اجسام بزرگ (کلان) و فاصله‌های زیاد بسیار مهم است؛ دلایل این مطلب عبارتند از:
گرانش تنها اندرکنشی است که بر تمام ذراتی که جرم دارند اثر می‌کند.
گرانش مانند الکترومغناطیس محدوده‌اثر بینهایت دارد، درحالی که برای اندرکنش‌های ضعیف و قوی این طور نیست.
گرانش قابل جذب یا تبدیل شدن نیست و چیزی نمی‌تواند مقابل آن حائل شود.
گرانش همواره می‌رباید و هرگز نمی‌راند.
هرچند که الکترومغناطیس بسیار بزرگتر از گرانش است اما بحث ربایش الکتروستاتیکی (الکتریسیته ساکن) برای اجرام آسمانی مانند سیاره‌ها، ستاره‌ها و کهکشان‌ها اصلا مطرح نیست. به این دلیل که این اجرام به تعداد مساوی از پروتون‌ها و الکترون‌ها را در خود جای‌داده‌اند، بنابراین بار الکتریکی خالص آنها صفر است و درنتیجه نیروی الکتریسیته ساکن آن‌ها نیز صفر خواهد بود. اما در مقابل هیچ چیزی نمی‌تواند حضور گرانش را از بین ببرد و از آن‌جایی که هر جسمی که جرم داشته باشد در معرض نیروی ربایشی گرانش قرار می‌گیرد بنابراین این نیرو بر تمام اجرام کیهانی اثر می‌گذارد.
محدوده اثر خیلی بزرگ گرانش باعث می‌شود که بتواند بر پدیده‌هایی با ابعاد بزرگ مانند ساختار یک کهکشان، سیاه‌چاله یا انبساط جهان تاثیرگذار باشد. همچنین پدیده‌های آسمانی در ابعاد کوچکتر مانند گردش سیاره‌ها به دور خودشان که هر روز اتفاق می‌افتد، یا تجربیات روزمره مانند سقوط اجسام از ارتفاع و … را به خوبی توضیح می‌دهد.
گرانش اولین اندرکنشی بود که به وسیله ریاضی توضیح داده شد. در زمان باستان آریستول فرض کرد که اجسام با جرم‌های متفاوت با شتاب‌های متفاوت سقوط می‌کنند. در طول انقلاب علمی، گالیله به‌وسیله آزمایش دریافت که این فرض درست نیست؛ با صرف نظر از اصطکاک هوا، تمام اجسام با شتاب ثابت در یک لحظه به سمت زمین سقوط می‌کنند. قانون گرانش نیوتن (۱۶۸۷) نمونه خوبی برای تقریب رفتار گرانش است. دریافت امروزه ما از گرانش برگرفته از تئوری نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۵ است؛ که یک بیان دقیق‌تر گرانش با رویکرد هندسه فضازمانی (بخصوص برای اجرام و فاصله‌های کیهانی) است.
ادغام نسبیت عام و مکانیک کوانتومی (تئوری میدان کوانتومی) به تئوری عمومی‌تر گرانش کوانتومی یکی از حوزه‌های فعال تحقیق است. با این حال صدق نظریه نسبیت عام جز در مقیاس‌های بسیار کوچک (مقیاس‌های اتمی) که برای آن‌ها نظریه‌های جایگزین ارائه شده‌است، به صورت تجربی تایید شده است. نظریه‌هایی که در جامعه فیزیک جدی گرفته شده‌اند همگی با تغییراتی جزئی از نسبیت عام منشعب می‌شوند امروزه تمرکز مطالعات آزمایشگاهی و تجربی بر این است که تبیین کنند تا چه میزان انحراف از نسبیت عام امکان‌پذیر است.
اندرکنش کهربایی‌ضعیف
دو اندرکنش الکترومغناطیس و ضعیف، خیلی متفاوت به نظر می‌آیند و می‌توانند بوسیله دو تئوری متفاوت مدل شوند، اما طبق یکپارچه‌سازی که در بالا گفته شد، این دو اندرکنش در انرژیی حدود ۱۰۰GeV با یکدیگر ادغام می‌شوند و تبدیل به اندرکنش کهربایی‌ضعیف (الکتریکی‌ضعیف) می‌شوند.
کهربایی‌ضعیف در علم کیهان‌شناسی جدید، بخصوص در بحث نحوه تشکیل جهان هستی اهمیت بسیار زیادی دارد، این به این دلیل است که بلافاصله پس از مهبانگ دما به حدود ۱۰ ۱۵ K رسیده بود.عبدالسلام، گلاشو و واینبرگ کسانی هستند که به دلیل یکپارچه‌سازی الکترومغناطیس و ضعیف بین ذرات اولیه در سال ۱۹۷۹ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند.
اندرکنش الکترومغناطیس
الکترومغناطیس نیرویی است که بین ذرات باردار الکتریکی اثر می‌کند. این پدیده شامل دو قسمت است:
نیروی الکتریسیته ساکن که در بین ذرات باردار ساکن وجود دارد.
نیرویی که حاصل اثر مرکب نیروهای الکتریسیته و مغناطیس بین ذرات باردار متحرک نسبت به یکدیگر است.
الکترومغناطیس مانند گرانش محدوده اثر بینهایت دارد ولی بسیار وسیع‌تر، بنابراین در بسیاری از پدیده‌هایی که روزانه تجربه می‌کنیم می‌توان اثر الکترومغناطیس را یافت مانند: نفوذناپذیری مواد جامد، اصطکاک، رنگین کمان، آذرخش و تمام ساخته‌های بشر که در آن‌ها از جریان الکتریکی استفاده می‌شود مانند: تلویزیون، لیزر و رایانه. الکترومغناطیس به صورت بنیادی بسیاری از ویژگی‌های شیمیایی عناصر و هم چنین پیوندهای شیمیایی در سطح کلان (ماکروسکوپیک) و سطح اتمی را تعیین می‌کند.
برای اینکه بهتر بتوان تصور کرد که قدرت نیروی الکتریکی چقدر است از مثال زیر استفاده می‌کنیم:
در یک گالن آب (حدود ۴ لیتر)، تقریبا ۴۰۰۰ گرم آب وجود دارد، در این میزان آب مقدار بار الکترون موجود در آن به قرار زیر است:
حال اگر همین میزان آب را در فاصله ۱ متری از ظرف آب مشابه قرار دهیم، اگر الکترون‌های موجود در آب بخواهند به یکدیگر نیرو وارد کنند این نیرو برابر خواهد بود با:
نیروی بدست آمده از وزن کره زمین اگر قرار بود روی سطح کره دیگری مانند خودش قرار داشته باشد بیشتر است. همچنین هستههای موجود در یکی از ظرف‌های آب هسته‌های دیگری را نیز با همین نیرو می‌راند؛ اما این نیروهای رانشی توسط نیروی ربایشی موجود بین هسته‌های یک ظرف و الکترون‌های ظرف دیگر و برعکس، بی‌اثر می‌شود؛ بنابراین نیروی خالص صفر خواهد بود. آشکار است که نیروی الکترومغناطیس بسیار قوی‌تر از گرانشی است ولی به دلیل وجود این ویژگی که نیروهای الکترومغناطیسی می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند، در اجرام بزرگ، تنها اثر نیروی گرانش حاکم است.
پدیده‌های الکتریکی و آهن‌ربایی (مغناطیسی) از زمان باستان شناخته شده‌اند اما در قرن ۱۹ میلادی بود که دانشمندان دریافتند: ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی دو جنبه از یک اندرکنش بنیادی‌اند. در سال ۱۸۶۴ معادلات ماکسول به طور دقیق اندازه این اندرکنش متحد را تعیین کرد. تئوری ماکسول نشان داد که تحلیل برداری که تئوری الکترومغناطیس کلاسیک است برای بیشتر اهداف صنعتی به اندازه کافی دقیق است.
سرعت ثابت حرکت نور در فضای خالی (خلاء) که به صورت اختصار با c نمایش داده می‌شود، را می‌توان از معادلات ماکسول نتیجه گرفت؛ که البته این نتیجه‌گیری متناقض با نسبیت خاص نیست. تئوری نسبیت خاص اینشتین در سال ۱۹۰۵ با این فرض پیش می‌رود که سرعت نور بدون توجه به اینکه مشاهده‌گر با چه سرعتی سیر می‌کند همواره ثابت است؛ همچنین اینشتین نشان داد که نتایج تئوری بدست آمده از معادلات ماکسول بسیار فراتر از خاصیت‌های الکتریکی و مغناطیسی در همین فضا و زمان است.
اینشتین در کار دیگری غیر از الکترومغناطیس کلاسیک، اثر فوتوالکتریک را با این فرض که نور انتشار کوانتومی دارد توضیح داد (فوتون). پل دیراک در سال ۱۹۲۷ مکانیک کوانتوم را با تئوری نسبیتی الکترومغناطیس ادغام کرد پس از آن در دهه ۱۹۴۰ ریچارد فاینمن، فریمن دایسون، جولیان شوینگر و سین‌ایترو تومونوجا این تئوری را کامل کردند. این تئوری امروز با نام الکترودینامیک کوانتومی شناخته می‌شود (الکترومغناطیس بازبینی‌شده). الکترودیمامیک کوانتومی و مکانیک کوانتوم پایه تئوری برخی رفتارهای الکترومغناطیسی مانند تونل‌زنی کوانتومی است؛ به این معنی که درسدی از ذرات باردار الکتریکی در مسیری حرکت می‌کنند که در تئوری الکترومغناطیس کلاسیک غیرممکن است، این رفتار برای عمکرد بعضی از وسایل الکترونیکی مانند ترانزیستورها ضروری است.
اندرکنش ضعیف
اندرکنش ضعیف یا نیروی هسته‌ای ضعیف مسئول برخی پدیده‌های هسته‌ای مانند واپاشی بتا است. الکترومغناطیس و نیروی ضعیف امروزه به عنوان دو جنبه از کهربایی‌ضعیف یکپارجه درنظر گرفته می‌شوند. این کشف اولین قدم به سمت تئوری اتحاد معروف به مدل استاندارد است. در نظریه اندرکنش کهربایی‌ضعیف، حامل‌های نیروی ضعیف، حجم زیادی از بوزون‌های واسطه به نام بوزون‌های W و Z است. اندرکنش ضعیف تنها اندرکنشی است که زوجیت در آن پایسته نیست، دارای تقارن نسبت به چپ، نسبت به راست و نسبت به محور است.
اندرکنش قوی
اندرکنش قوی یا نیروی هسته‌ای قوی، پیچیده‌ترین اندرکنش بنیادی است، بیشتر به این دلیل که با تغییر فاصله مقدار آن نیز تغییر می‌کند. در فاصله‌های بیشتر از ۱۰ فمتومتر، نیروی قوی عملا غیرقابل جذب است، هم‌چنین این نیرو تنها در هسته اتم عمل می‌کند.
زمانی که هسته اتم در سال ۱۹۰۵ کشف شد، واضح بود که به نیروی دیگری نیاز است تا در مقابل نیروی رانشی الکتروستاتیک که ناشی از حضور بارهای مثبت در درون هسته است مقاومت کند. اگر این نیرو وجود نداشت هسته اتم هرگز تشکیل نمی‌شد. نیروی قوی باید به اندازه کافی قدرت داشته باشد تا بتواند پروتون‌ها را در حجمی به اندازه ۱۵- ۱۰ حجم اتم جای دهد. هیدکی یوکاوا پیش‌بینی کرد که این نیرو در برد کوچک مرتبط با ذره‌ای با جرم خیلی زیاد حدود ۱۰۰MeV است.
مدل استاندارد
نیروی هسته‌ای قوی
نیروی هسته‌ای ضعیف
گرانش
گرانش کوانتومی
نظریه ریسمان
نظریه همه‌چیز
نظریه وحدت بزرگ
افراد: آیزاک نیوتن، جیمز کلارک ماکسول، آلبرت اینشتین، شلدون لی گلاشو، عبدالسلام، استیون واینبرگ، دیوید گراس، ادوارد ویتن.
تقارن سی‌پی‌تی
نقض سی‌پی
Electroweak interaction
Unified Field Theory
Quintessence
Fifth force
People: Howard Georgi, Gerardt Hooft