نوشته بلاگ

منظور از «نیروی قَوی» چیست؟

نیروی قَوی، توانمندترین نیرو در میان چهار نیروی اساسی در طبیعت است. این نیرو، ذرات بنیادی ماده که به نام کوارک شناخته می‌شوند را به هم متصل می‌کند تا ذرات بزرگتر را تشکیل دهند.

نیروی قوی یا نیروی توانمند هسته‌ای در کنار گرانش، الکترومغناطیس و نیروی ضعیف، یکی از چهار نیروی اساسی در طبیعت است. همانطور که از نام آن پیداست، نیروی قَوی، توانمندترین نیرو در میان این چهار نیروست؛ در واقع ذرات بنیادی ماده که به نام کوارک شناخته می‌شوند را به هم متصل می‌کند تا ذرات بزرگتر را تشکیل دهند.

نظریه حاکم بر فیزیک ذرات، مدلی استاندارد است که اجزای سازنده اصلی ماده و نحوه تعامل آنها را توصیف می‌کند.

به گفته مقامات CERN (سازمان تحقیقات هسته‌ای در اروپا، سرن)، این نظریه در اوایل دهه ۱۹۷۰ مطرح شد و با گذشت زمان و از طریق آزمایش‌های فراوان، در فیزیک به عنوان یک نظریه شناخته شد که آزمایش خود را هم به خوبی پس داده است.

بنابر این مدل استاندارد، یکی از کوچکترین و اساسی‌ترین ذرات بنیادی، یعنی ذراتی که نمی‌توانند به قطعات کوچکتر تقسیم شوند، کوارک است. این ذرات بلوک‌های سازنده دسته‌ای از ذرات عظیم به نام هادرون را تشکیل می‌دهند که شامل پروتون‌ها و نوترون‌ها می‌شود. دانشمندان هیچ نشانه‌ای از وجود چیزی کوچکتر از کوارک ندیده‌اند، اما هنوز هم سرگرم جست‌وجو هستند.

نیروی قَوی، نخستین‌بار برای توضیح این که چرا هسته‌های اتم از هم جدا نمی‌شوند، پیشنهاد شد. به نظر می‌رسید که این هسته‌ها به دلیل نیروی الکترومغناطیسی دافعه بین پروتون‌های دارای بار مثبت واقع در هسته از یکدیگر جدا نمی‌شوند. فیزیکدانان بعداً دریافتند که نیروی قوی نه تنها هسته‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، بلکه علت اتصال کوارک‌هایی است که هادرون‌ها را می‌سازند.

با توجه به مطالب درسی فیزیک از دانشگاه دوک، «برهم کنش‌های نیروهای قوی در نگه داشتن هادرون‌ها در کنار هم حائز اهمیت هستند». برهم‌کنش قوی بنیادی، کوارک‌های تشکیل‌دهنده هادرون را کنار هم نگه می‌دارد و نیروی باقیمانده هادرون‌ها را نیز در کنار یکدیگر حفظ می‌کند؛ مانند پروتون و نوترون در یک هسته.

کوارک‌ها و هادرون‌ها
کوارک‌ها در سال ۱۹۶۴ به طور مستقل توسط دو فیزیکدان با نام‌های موری گِل-مان و جورج تسوایگ نظریه‌پردازی شدند. البته فیزیکدانان برای نخستین‌بار در سال ۱۹۶۸ این ذرات را در آزمایشگاه ملی شتابدهنده خطی استنفورد مشاهده کردند.

به گفته بنیاد نوبل، کوارک توسط گل-مان نامگذاری شد و گفته می‌شود از شعری در رمان «فینیگان‌های بیدار» نوشته جیمز جویس آمده است.

آزمایش بر روی شتاب‌دهنده‌های ذرات در دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی نشان داد که پروتون‌ها و نوترون‌ها صرفاً نماینده‌ی خانواده بزرگی از ذرات هستند که امروزه «هادرون» نامیده می‌شوند. گفته می‌شود تا به امروز بیش از ۲۰۰ هادرون شناسایی شده‌اند.

دانشمندان روش‌هایی تشکیل این ذرات هادرون توسط کوارک‌ها را به تفصیل شرح داده‌اند. لنا هانسن در مقاله‌ای که توسط دانشگاه دوک به صورت آنلاین منتشر شده است، نوشته است: «دو نوع هادرون وجود دارد: باریون و مزون. هر باریون از سه کوارک و هر مزون از یک کوارک و یک آنتی‌کوارک ساخته شده است».

لازم به توضیح است که آنتی‌کوارک، همتای ضدماده کوارکی است که بار الکتریکی مخالف دارد. باریون‌ها دسته‌ای از ذرات هستند که از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌اند. مزون‌ها نیز ذراتی با عمر کوتاه هستند که در شتاب‌دهنده‌های ذرات بزرگ و در تعامل با پرتوهای کیهانی پرانرژی تولید می‌شوند.

طعم و رنگ کوارک
کوارک‌ها شش نوع هستند که فیزیکدانان آنها را «طعم»های مختلف کوارک می‌نامند. به آنها به ترتیب افزایش جرم، «بالا»، «پایین»، «عجیب»، «جذاب»، «کف» و «سقف» گفته می‌شود. گفتنی است کوارک‌های بالا و پایین پایدار هستند و پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند. به عنوان مثال، پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است.

طعم‌های دیگر و گسترده‌تر، تنها در فعل و انفعالات پرانرژی تولید می‌شوند و به سرعت تجزیه می‌گردند. این طعم‌ها معمولاً در مزون‌ها مشاهده می‌شوند که می‌توانند ترکیبات مختلفی از طعم‌ها را به عنوان جفت کوارک-آنتی‌کوارک داشته باشند.

تازه‌ترین این طعم‌ها، آنها یعنی کوارک سقف، در سال ۱۹۷۳ و توسط ماکوتو کوبایاشی و توشیهیده ماسکاوا نظریه‌پردازی شد. اما تا سال ۱۹۹۵ و در یک آزمایش شتاب‌دهنده مشاهده نشد. به دلیل اینکه این دو فیزیکدان توانسته بودند طعم فوق را پیش‌بینی کنند، جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۰۸ آنها اهدا شد.

کوارک‌ها دارای خاصیت دیگری هستند که آن هم در شش حالت نمود پیدا می‌کند. این ویژگی «رنگ» نامیده می‌شد، اما نباید آن را با درک رایج از رنگ اشتباه گرفت. این شش حالت، عبارتند از قرمز، آبی، سبز، ضدقرمز، ضدآبی و ضدسبز. ضدرنگ‌ها به آنتی‌کوارک‌ها تعلق دارند.

هانسن می‌گوید ویژگی‌های رنگ توضیح می‌دهند که چگونه کوارک‌ها می‌توانند از اصل طرد پائولی پیروی کنند. بنابر اصل پائولی، هیچ دو جسم یکسانی نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند. یعنی کوارک‌هایی که هادرون یکسان را تشکیل می‌دهند باید رنگ‌های متفاوتی داشته باشند.

بنابراین، هر سه کوارک موجود در یک باریون، رنگ‌های متفاوتی دارند و یک مزون باید حاوی یک کوارک رنگی و یک آنتی‌کوارک ضدرنگ مربوطه باشد.

گلوئون‌ها و نیروی قوی
 ذرات ماده با تبادل ذرات حامل نیرو که به «بوزون» معروف هستند (boson) به یکدیگر انرژی منتقل می‌کنند.نیروی قَوی توسط نوعی بوزون به نام «گلوئون» حمل می‌شود. این ذرات مثل «چسب» عمل می‌کنند و هسته و باریون‌های سازنده آن را در کنار هم نگه می‌دارند.

اما در جاذبه بین دو کوارک یک اتفاق عجیب رخ می‌دهد: نیروی قوی با بیشتر شدن فاصله بین دو ذره کاهش نمی‌یابد، برعکس نیروی الکترومغناطیسی که کاهش پیدا می‌کند. در واقع، با بیشتر شدن فاصله این نیرو افزایش می‌یابد؛ شبیه به کشش فنر مکانیکی.

مانند فنرهای مکانیکی، برای فاصله دو کوارک از یکدیگر محدودیتی وجود دارد که تقریباً به اندازه قطر یک پروتون است. هنگامی که دو کوارک تا این حد از هم فاصله می‌گیرند، انرژی فوق‌العاده مورد نیاز برای جداسازی به طور ناگهانی، در قالب یک جفت کوارک-آنتی‌کوارک به جرم تبدیل می‌شود. این تبدیل انرژی به جرم مطابق با معادله معروف انیشتین E = mc² یا در این مورد، m = E/c² صورت می‌گیرد که در آن E انرژی، m جرم، و c سرعت نور است.

از آنجا که این تبدیل هر بار که سعی می‌کنیم کوارک‌ها را از یکدیگر جدا کنیم، رخ می‌دهد، هیچ کوارک آزادی مشاهده نشده و فیزیکدانان معتقدند که کوارک‌ها به شکل ذرات منفرد وجود ندارند. برخی از فیزیکدانان بر این باور هستند که مشاهده قطعی کوارک‌های آزاد انقلابی برپا خواهد کرد.

نیروی قوی باقیمانده
 هنگامی که سه کوارک در یک پروتون یا یک نوترون به یکدیگر متصل می‌شوند، نیروی قوی تولیدشده توسط گلوئون‌ها عمدتاً خنثی می‌شود؛ زیرا تقریباً تمام این نیروی قوی، صرف اتصال کوارک‌ها به یکدیگر می‌شود.

در نتیجه، نیرو عمدتاً در درون ذره محدود می‌شود. با این حال، بخش کوچکی از نیرو خارج از پروتون یا نوترون عمل می‌کند. این بخش از نیرو می‌تواند بین پروتون‌ها و نوترون‌ها که در مجموع به عنوان نوکلئون شناخته می‌شوند، عمل کند.

به گفته فیزیکدانان، مشخص شده است که نیروی بین نوکلئون‌ها نتیجه یا عارضه جانبی یک نیروی قوی‌تر و اساسی‌تر است که کوارک‌ها را در پروتون‌ها و نوترون‌ها به هم متصل می‌کند. این «عارضه جانبی»، «نیروی قوی باقیمانده» یا «نیروی هسته‌ای» نامیده می‌شود و همان چیزی است که با وجود نیروی الکترومغناطیسی دافعه بین پروتون‌های دارای بار مثبت، هسته‌های اتم را کنار هم نگه می‌دارد.

با این حال و برخلاف نیروی قَوی، نیروی قوی باقیمانده به سرعت و در فواصل کوتاه کاهش می‌یابد و تنها بین ذرات مجاور درون هسته قابل توجه است. اما نیروی الکترومغناطیسی دافعه، آهسته‌تر کاهش می‌یابد و از اینرو، در سراسر هسته عمل می‌کند.

بنابراین، در هسته‌های سنگین، به‌ویژه هسته‌های با اعداد اتمی بیشتر از ۸۲ (سرب)، با اینکه نیروی هسته‌ای روی یک ذره تقریباً ثابت می‌ماند، اما کل نیروی الکترومغناطیسی روی آن ذره با عدد اتمی افزایش می‌یابد تا جایی که در نهایت می‌تواند بر هسته فشار بیاورد.

در واقع شکافت را می‌توان به عنوان یک «طناب‌کشی» بین نیروی جاذبه هسته‌ای قوی و نیروی الکترواستاتیک دافعه در نظر گرفت. گفتنی است در واکنش‌های شکافت، دافعه الکترواستاتیکی برنده است.

انرژی حاصل از شکستن پیوند نیروی قَوی باقیمانده به شکل ذرات پرسرعت و پرتوهای گاما است و چیزی را تولید می‌کند که آن را با نام «رادیواکتیویته» می‌شناسیم.

برخورد با ذرات حاصل از فروپاشی هسته‌های مجاور می‌تواند این فرآیند را تسریع کند و باعث واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای شود. انرژی حاصل از شکافت هسته‌های سنگین، مانند اورانیوم-۲۳۵ و پلوتونیوم-۲۳۹ همان چیزی است به راکتورهای هسته‌ای و بمب‌های اتمی نیرو می‌دهد.

محدودیت‌های مدل استاندارد
 علاوه بر تمام ذرات زیراتمی شناخته شده و پیش‌بینی شده، مدل استاندارد شامل نیروهای قوی و ضعیف و الکترومغناطیس است و نحوه عمل این نیروها بر ذرات ماده را توضیح می‌دهد.

با این حال، این نظریه شامل گرانش نمی‌شود. قرار دادن گرانش در چهارچوب این مدل، دهه‌هاست که دانشمندان را سرگردان کرده است.

اما، به گفته مقامات سرن، اثر گرانش در مقیاس این ذرات کوچک، آنقدر ناچیز است که این مدل با وجود حذف آن نیروی اساسی، باز هم می‌تواند به خوبی کار کند.نیروی قَوی