شاهین توتونچی دكتر فیزیک ذرات اولیه از دانشگاه ماساچوست
حال برگردیم به بوزونها، هم چون فوتون که موج کوانتومی آن در برابر عمل تعویض به شکل متقارن رفتار میکند. این خاصیت سبب میشود که فوتونها بتوانند و ترجیح دهند که به طور بسیار هماهنگ رفتار کنند. فوتونهایی که از نور خورشید ساطع میشود هماهنگ با یکدیگر نیستند. اولاً مخلوطی از رنگهای گوناگون هستند و ارتعاشات الکترومغناطیسی که فوتون را توضیح میدهد هماهنگ با یکدیگر نیستند، ولی نور و فوتون میتواند به شکلی بسیار هماهنگ رفتار کند، چرا که بوزون است. نمونه این رفتار هماهنگ را در لیزرها میبینیم. نور لیزر با نور معمولی فرق دارد، به این شکل که فوتونها در لیزر به شکلی کاملاً هماهنگ حرکت میکنند. این که نور میتواند چنین خاصیتی داشته باشد به این دلیل است که فوتون یک بوزون است. لیزر دارای قدرت زیادی است و نور لیزر میتواند بسوزاند. از این جهت استفادههای صنعتی و پزشکی پیداکرده است. این قدرت به این دلیل است که تمامی فوتونها با یکدیگر و همراه یکدیگر عمل میکنند. مثل مجموعهیی که همزمان حرکات یکسانی را انجام میدهد. همانند تیم قایقرانی که به طور همزمان پارو میزنند و در نتیجه عمل هر کدام یکدیگر را ختثی نکرده بلکه سبب سرعت کل سیستم میشود. این شباهت زیادی به عمل فوتونها در نور لیزر دارد. این بدان جهت است که فوتونها همگی یک موج کوانتومی دارند و موج کوانتومی کل سیستم مجموع موج کوانتومی هر یک میشود. البته به طور معمول این شرایط مهیا نیست، به همین دلیل اغلب نوری که میبینیم لیزری نیست. میبایست شرایطی مهیا شود که فوتونها همگی یک موج کوانتومی را اشغال کنند. شایان ذکر است که فقط بوزونها امکان آن را دارند که به شکل هماهنگ عمل کنند و در مورد فرمیونها این امکان حتی در شکل تئوریک آن نیز امکانپذیر نیست.
نمونه دیگر خاصیت تقارنی بوزونها را میتوان در پدیده فوقهادیها مشاهده کرد. برخی از فلزات در درجههای نزدیک صفر مطلق مقاومت الکتریکی خود را در برابر عبور جریان برق از دست داده و مقاومت آنها به صفر میرسد و اصطلاحاً فوقهادی نامیده میشوند. یعنی جریان برق با حرکت در این گونه سیمهای فوقهادی پتانسیل خود را از دست نداده و بدون افت توان منتقل میشوند. از این خاصیت برای ساختن مغناطیسهای بسیار قوی که مصارف پزشکی و صنعتی دارند استفاده میشود. به طور معمول جریان برق حاصل حرکت الکترونها در فلز هادی است. هر الکترون مستقل از دیگری حرکت کرده و به اتمهای در حال ارتعاش این فلز هادی برخورد کرده و بدین گونه به جلو میرود. این برخوردها باعث از دست دادن انرژی الکترون به شکل گرما میشود و همین عامل مقاومت آن فلز در برابر جریان برق است. اما با سرد شدن این فلزها هدایت الکتریسته میتواند توسط الکترونهای مستقل صورت نگیرد، بلکه جریان برق توسط زوج الکترونها انجام پذیرد. گرچه الکترونها به تنهایی فرمیون هستند ولی وقتی که به شکل یک زوج در کریستال فلز فوق هادی پدیدار میشوند بوزون محسوب میشوند. یعنی مجموعه زوج الکترونها در کریستال فلز بوزون است. این مجموعه را زوجهای کوپر
(cooper pair) نامگذاری کردهاند. همانند فوتونها در لیزر، این زوجها همگی با یکدیگر عمل میکنند. به گونهیی اعجابانگیز ارتعاش اتمهای کریستال که به آنها فونون(Phonons) گفته میشود این زوجها را بدون آن که برخوردی با اتمهای در حال ارتعاش کریستال داشته باشند به جلو هدایت میکنند. این پدیده به آن دلیل به وجود میآید که زوجهای کوپر، بوزون هستند و توانستهاندهماهنگ با یکدیگر و کل کریستال حرکت کنند. در سالیان اخیر موادی کشف شده است که در درجه حرارتهای بالاتری خواص فوقهادی از خود بروز میکنند. گر چه کلیات رفتار این عده از فوق هادیها قابلفهم است، ولی جزئیات آن هنوز مورد بررسی و مطالعه دانشمندان است.
پدیدههای بسیاری در طبیعت وجود دارد که میتوان آن را بر حسب بوزون یا فرمیون بودن ذرات تشکیل دهنده آن توضیح داد. برای بوزونها ما مثال لیزرها و فوقهادیها را زدیم و برای فرمیونها ما مثال جدول مندلیف و اربیتال اتمها و اصل انحصار را آوردیم که پایه شیمی است. یک مثال دیگر در رابطه با فرمیونها، توضیح ستارگان نوترونی است. این گونه ستارگان زمانی به وجود میآیند که تمامی سوخت آن ستاره مصرف شده و عناصر بسیار سنگین به وجود آمده باشد. اتمهایی که در مرکز این ستارگان قرار دارند به جهت سنگینی و فشاری که روی خود احساس میکند فشرده میشوند. این فشردگی به قدری است که الکترون وارد هسته اتم شده و پروتون داخل هسته را خنثی و تبدیل به نوترون میکند. این گونه ستارگان نوترونی حجمی نسبتاً کوچک با وزنی بسیار زیاد دارند. این سنگینی میتواند که منجر به انقباض هر چه بیشتر این ستارگان شود ولی از آن جایی که نوترونها هم فرمیون هستند، بنا به اصل انحصار در مقابل نزدیک شدن به یکدیگر مقاومت میکنند و به زندگی خود ادامه میدهند. قطر این ستارگان گر چه از حدود چند صد کیلومتر تجاوز نمیکند، ولی وزنی معادل وزن خورشید را دارا هستند. این گونه ستارگان به سبب چرخش فوق العادهیی که پیدا میکنند قابل مشاهده میشوند.
اگر اصل انحصار وجود نمیداشت سرنوشت تمامی ستارگان بعد از اتمام سوخت خود بدین صورت بود که منقبض شده و سرانجام تبدیل به یک حفره سیاه(Black Hole) میشدند. در این صورت جهان مملو از حفرههای سیاه میشد و دنیایی بدین گونه که میبینیم وجود نداشت. خوشبختانه با وجود اصل انحصار، سرنوشت تمامی ستارگان، حفره سیاه نیست، بلکه میتوانند به شکل ستاره نوترونی به آرامی بمیرند. اگر وزن ستارهیی از 5/1 برابر وزن خورشید کمتر باشد، تبدیل به ستاره نوترونی میشود و گر نه تبدیل به حفره سیاه میشود.
از جدول مندلیف تا ستارگان نوترونی، از لیزرها تا فوقهادیها همه توسط خواص تقارنی امواج کوانتومی که قابل مشاهده نیستند، توضیح داده میشود. این موفقیت عظیمی برای یک تئوری است. این موفقیت به بهای قبول مفاهیم مشاهده نشدنی در تئوری کسب شده است.
ضد ماده
یکی دیگر از بدیعترین نتایج قبول مفاهیم مشاهده نشدنی در تئوری، زمانی حاصل شد که برای توضیح الکترون، مکانیک کوانتوم و نسبیت خاص با یکدیگر ادغام شد. دیراک، فیزیکدان انگلیسی، این کار را در دهه 1930 میلادی انجام داد.
تئوری نسبیت از ابتدا وجود انرژی منفی را پیشبینی کرده بود. اما از آن جایی که انرژی منفی هیچگاه مشاهده نشده بود، فیزیکدانان آن را جزو عوارض و آثار «غیر واقعی» تئوری به حساب میآوردند. منطق و تئوری وجود مفهومی مشاهدهنشدنی را نشان میداد، ولی برای مدتها این مفهوم تازه جدی گرفته نمیشد.
تمامی سیستمها به طور طبیعی سعی در آن دارند که به انرژی پایینی برسند. تا آن دوره تصور بر آن بود که پایین ترین انرژی، مثبت است. اگر انرژی منفی وجود داشت آن گاه همه چیز میبایست به سمت انرژی منفی سقوط کند. این به نظر منطقی نمیرسید. از این جهت وجود انرژی منفی جدی گرفته نمیشد. تا این که دیراک، تعبیر بدیعی را ارائه داد. از دید دیراک تمامی انرژیهای منفی هم چون اربیتالهایی هستند که توسط الکترونها پر شده است. از آن جایی که الکترون یک فرمیون است هر الکترون میبایست یکی پس از دیگری این اربیتالها را که انرژی منفی دارند پر کند. پس خلأ از الکترونهایی که انرژی منفی دارند پر شده است. ولی از آن جایی که انرژی منفی قابل مشاهده نیست ما خلأ را خالی میبینیم. در حالی که در واقع مملو از الکترونهایی است که انرژی منفی دارند. شاید سؤال کنید که آیا به اندازه کافی انرژی مثبت در جهان نیست که حالا باید سراغ انرژیهای منفی که قابل مشاهده هم نیستند برویم؟! جواب آن است که از منطق گریزی نیست و این مفاهیم غیرقابل مشاهده را باید جدی گرفت. فهم آنها میتواند دنیایی جدید برای ما باز کند و به نتایجی بدیع برسد و حقیقت را بگشاید.
پس اجازه بدهید این داستان را کمی دنبال کنیم. با تعبیری که در بالا گفتیم این سؤال مطرح شد که آیا میتوان یکی از این الکترونها را که انرژی منفی دارند از خلأ بیرون کشید و آن را تبدیل به یک الکترون با انرژی مثبت و قابل مشاهده کرد؟ مثلاً با یک فوتون بسیار قوی یکی از این الکترونها را به انرژی مثبت فرستاد و حفرهیی را در اقیانوس انرژی منفی به وجود آورد. این «حفره» بار مثبت خواهد داشت و جرم آن مساوی با الکترون خواهد بود و انرژی آن نیز مثبت خواهد بود! پس اگر انرژی آن مثبت باشد باید بتوان این «حفره» را مشاهده کرد. دیراک این «حفره» را ضد ماده خواند. ضد الکترون، پوزیترون نامگذاری شد. دیراک وجود یک چنین ذراتی را پیشبینی کرد. این ذرات توسط آزمایشهایی مشابه آنچه شرح داده شد، مشاهده شد! ضد ماده که حاصل مفهومی غیرقابل مشاهده ولی منطقی در تئوری بود، واقعی بود! پوزیترونها نه تنها به لحاظ علمی جالب هستند بلکه هم اکنون برای عکسبرداری از بدن انسان مورد استفاده قرار گرفته و استفادههای پزشکی هم دارند.
در ابتدای جهان میزان ماده و ضد ماده یکسان بود ولی ضد ماده در حالت طبیعی در جهان یافت نمیشود. اگر چنین چیزی نبود دنیا با این شکل وجود نمیداشت. چگونگی این عدم تقارن بین ماده و ضد ماده با استفاده از تئوریهای جدید قابل توضیح است که از قضا استفاده زیادی از مفاهیم غیر قابل مشاهده میکند. ما به این موضوع دوباره باز خواهیم گشت.
البته تعبیر دیراک از ضد ماده فقط یکی از این تعابیر است. در تعبیر دیگری که توسط فاینمن فیزیکدان آمریکایی، ارائه شد، ضد ماده در واقع مادهیی است که در جهت مخالف زمان در حرکت است! این هم یک مفهوم دیگر که مشاهده نشدنی است. حرکت ماده در جهت مخالف زمان. طبق تعبیر فاینمن میبایست یک چنین مفاهیمی وجود داشته و واقعی باشند و گرنه ماده میتوانست با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند. اما ثابت بودن سرعت نور امری مشاهده شدنی است. شاید از خود سؤال کرده باشید که چرا طبیعت انتخاب کرده است که سرعت نور ثابت باشد. بنا به تعبیر فاینمن به این دلیل که در دنیا ضد ماده وجود دارد!
فیزیک نو مملو از این گونه مثالهاست که تئوری با قبول و توسعه مفاهیم مشاهده نشدنی میتواند نتایج بدیعی را حاصل شود که مشاهده شدنی هستند.
بدون شک در ریاضی بسیاری مفاهیم مجرد و غیرقابل مشاهده وجود دارد که شاید ربطی به واقعیت نداشته باشد ولی مفاهیمی که ما از آن یاد کردیم به طور منطقی از دل تئوریهایی که صحت آنان با مشاهده مشخص شده بیرون آمده است.
این فکر جدید مهمتر از آن است که محدود به فیزیک بماند، بدون شک در دیگر علوم و فلسفه مصداقی خواهد یافت. امید داریم که خوانندگان این مقاله در مورد تعمیم این مباحث به دیگر علوم و فلسفه توجه کافی کنند.
ادامه دارد
