English

Contact us

نظر دهید

تماس با ما

فارسی

Welcome to CPH Theory Siteبه سایت نظریه سی پی اچ خوش آمدید

 

   

نظریه سی پی اچ بر اساس تعمیم سرعت نور از انرژی به ماده بنا شده است.

اخبار

آرشیو مقالات

 

سی پی اچ در ژورنالها

   

 

از الکتروگراویت و مگنتوگراویت تا الکترومغناطیس

 

 

 

مقدمه:

 

در این نوشته هدف اصلی توجیه اثر متقابل فوتون و گراویتون با توجه به نظریه سی. پی. اج. است. نخستین برخورد ها با اثر فوتوالکتریک از دیدگاه الکترومغناطیس کلاسیک صورت گرفت که توانایی توجیه آن را نداشت. سپس انیشتین این پدیده را با توجه به دیدگاه کوانتومی توجیه کرد. بنابراین نخست میدانها و امواج الکترومغناطیسی کلاسیک را بطور فشرده بیان کرده، آنگاه با ذکر نارسایی آن به تشریح پدیده فوتوالکتریک از دیدگاه انیشتین می پردازم و سرانجام هر سه اثر فوتوالکتریک، اثر کامپتون و تولید و واپاشی زوج ماده - پاد ماده را با توجه به نظریه سی. پی. اچ. بررسی خواهم کرد. و سرانجام تلاش خواهد شد تا وحدت نیروهای الکترومغناطیس و گرانش را نتیجه گیری کنیم.

 

 

نیروهای الکتریکی و مغناطیسی

 

نیروهای بین بارهای الکتریکی را می توان به دو نوع تقسیم کرد. دو بار نقطه ای ساکن یا متحرک به یکدیگر نیروی الکتریکی وارد می کنند که از رابطه ی زیر به دست می آید

 

Fe=kqQ/r2

 

که در آن

 

وقتی دو بار الکتریکی نسبت به ناظری در حرکت باشند، علاوه بر نیروی الکتریکی، نیروی مغناطیسی نیز بر یکدیگر وارد می کنند. از آنجاییکه بررسی نیروها با استفاده از مفاهیم میدان عمیق تر و ساده تر است، می توان گفت که هر بار الکتریکی در اطراف خود یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که شدت آن در فاصله r از آن، از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

E=kq/r2

 

حال اگر ذره ی باردار حرکت کند، در اطراف آن علاوه بر میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی نیز ایجاد می شود که وجود چنین میدان مغناطیسی بصورت تجربی قابل اثبات است. اگر ذره ای با بار الکتریکی q در یک میدان مغناطیسی B  و با سرعت v حرکت کند، نیرویی بر آن وارد می شود که بر صفحه ی B, v عمود است که از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

F=qvxB

 

از این رو، بار q که به فاصله ی r از Q قرار دارد و با سرعت v حرکت می کند، یک میدان مغناطیسی در محل Q تولید می کند که از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

 

 

 

بطور خلاصه، در نقطه ای که میدان الکتریکی و مغناطیسی E , B وجود دارد، نیروی الکترومغناطیسی وارد بر ذره ی باردار، با بارq که با سرعت v حرکت می کند برابر است با:

 

 

 

میدانهای الکترومغناطیسی

 

در یک میدان الکتریکی موجود در فضا، به عنوان مثال در بین صفحات یک خاذن باردار، انرژی الکتریکی وجود دارد. چگالی انرژی یا انرژی الکتریکی در واحد حجم از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

 

 

بطور مشابه چگالی انرژی مغناطیسی مثلاً انرژی مغناطیسی در ناحیه بین قطب های یک آهنربا برابر است با:

 

 

 

امواج الکترومغناطیسی

 

بار الکتریکی ساکن میدان الکتریکی می آفریند. اما بار الکتریکی متحرک علاوه بر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی نیز ایجاد می کند که در قانون آمپر بخوبی نشان داده شده است. بنابراین در اطراف یک بار الکتریکی متحرک دو میدان الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد. یعنی با تغییر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می شود. همچنین میدان مغناطیسی متغییر نیز نیز به نوبه خود، یک میدان الکتریکی می آفریند که با قانون فاراده نشان داده می شود. این مطالب نشان می دهد که چگونه امواج الکترومغناطیسی تولید می شوند. بنابراین یک بار الکتریکی در حال نوسان (شتابدار) در فضا امواج الکتریکی و مغناطیسی تولید می کند. فرکانس این امواج برابر است با فرکانس بار الکتریکی تولید کننده ی امواج. این میدانها، یک میدان الکترومغناطیسی تشکیل می دهند که پس از انتشار با سرعت نور c  در فضا منتشر می شود.

 

 

امواج الکترومغناطیسی که در بالا توصیف شد بطور نظری در سال 1864 توسط معادلات کلارک ماکسول پیشگویی شد. علاوه بر آن ماکسول نشان داد که سرعت انتشار این امواج در خلاء از رابطه ی زیر به دست می آید:

 

 

 

شدت موج الکترومغناطیسی

 

شدت موج الکترومغناطیسی برابر است با مقدار انرژی که از واحد سطح در واحد زمان می گذرد که از روابط زیر به دست می آید:

 

 

امواج الکترومغناطیسی برای اولین بار توسط هانریش هرتز در سال 1887 در آزمایشگاه مشاهده شد. طیبف امواج الکترومغناطیسی از امواج رادیویی با طول موجهای بلند تا امواج کوتاه گاما را شامل می شود و نور معمولی بخش بسیار ناچیزی از آن را تشکیل می دهد.

 

 

 

کشف اثر فوتوالکتریک

 

هرتز در جریان آزمایشهایی که برای تایید پیشگویی های نظری ماکسول در مورد امواج الکترومغناطیسی انجام می داد، اثر فوتوالکتریک را نیز کشف کرد. بدین معنی که هرگاه نور بر فلزات بتابد، سبب صدور الکترون از سطح فلز می شود. وقتی که فیزیکدانان به تکرار این آزمایش پرداختند، با کمال تعجب متوجه شدند که شدت نور، تاثیری بر انرژی الکترونهای صادر شده ندارد. اما تغییر طول طول موج نور بر انرژی الکترونها موثر است، مثلاً سرعتی که الکترونها بر اثر نور آبی به دست می آورند، بیشتر از سرعتی است که بر اثر تابش نور زرد به دست می آورند

همچنین تعداد الکترونهایی که در نور آبی با شدت کمتر از سطح فلز جدا می شوند، کمتر از تعداد الکترونهایی است که بر اثر نور زرد شدید صادر می شوند. اما باز هم سرعت الکترونهایی که بر اثر نور آبی صادر می شوند، بیشتر از سرعت الکترونهایی است که توسط نور زرد صادر می شوند. علاوه بر آن نور قرمز، هر قدر هم که شدید باشد، نمی تواند از سطح بعضی از فلزات الکترون جدا کند.

 

 

نارسایی الکترومغناطیس کلاسیک در توجیه اثر فوتوالکتریک

 

می دانیم الکترونهای ظرفیت در داخل فلز آزادی حرکت دارند، اما به فلز مقید هستند. برای جدا کردن آنها از سطح فلز بایستی انرژی به اندازه ای باشد که بتواند بر این انرژی مقید فائق آید. در صورتیکه این انرژی کمتر از مقدار لازم باشد، نمی تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند. طبق نظریه ی الکترومغناطیس کلاسیک، انرژی الکترومغناطیسی یک کمیت پیوسته بود، لذا هر تابشی می بایست در الکترون ذخیره و با انرژی قدیمی که الکترون داشت، حمع می شد تا زمانیکه انرژی مورد نیاز تامین گردد و الکترون از فلز جدا شود.

از طرف دیگر چون مقدار انرژی مقید الکترونهای داخل فلز هم ارز هستند، اگرانرژی لازم برای جدا شدن آنها به اندازه ی کافی می رسید، می بایست با جدا شدن یک الکترون از سطح فلز، تعداد زیادی الکترون  آزاد شود.

همچنین با توجه به اینکه انرژی پیوسته است، می بایست انرژی تابشی بین الکترونهای آزاد توزیع می شد تا هنگامیکه انرژی همه ی الکترونها به میزان لازم نمی رسید، نمی بایست انتظار جدا شدن الکترونی را داشته باشیم. به عبارت دیگر نمی بایست به محض تابش، شاهد جدا شدن الکترون از سطح فلز بود.

  

مکانیک کوانتومی

 

همزمان با این مشکلات که مکانیک کلاسیک با آن رو به رو بود، یک رویداد دیگر در شرف تکوین بود. در سال 1893 ویلهلم وین نظریه ای در باره ی توزیع انرژی تابش جسم سیاه یعنی مقدار انرژی که در یک طول موج معین تابش می کند وضع کرد. بر طبق این نظریه فورمولی به دست آمد که توزیع انرژی را در انتهای بنفش با دقت توصیف می کرد، اما در باره ی توزیع انرژی در انتهای قرمز طیف صدق نمی کرد. از طرف دیگر لرد ریلی و جیمز جینز معادله ای به دست آوردند که توزیع انرژی را در انتهای قرمز طیف بیان می کرد ولی در انتهای بنفش صدق نمی کرد. ماکس پلانک در باره ی این مسئله به پژهش پرداخت و متوجه شد که به جای منطبق ساختن معادلات با واقعیات، باید مفهوم کاملاً جدیدی مطرح کند. به این ترتیب اولین قدم را ماکس پلانک در سال 1900 با معرفی مفهوم کوانتوم یا گسستگی انرژی برداشت. وی تنها زمانی توانست پدیده تابش جسم سیاه را توصیف کند که فرض کرد مبادله انرژی بین تابش و محیط با مقدارهای گسسته یا کوانتیزه انجام می شود. این نظر پلانک باعث کشف های جدیدی شد که نتیجه آن ارائه راه حل هایی برای برجسته ترین مسئله های آن زمان بود.

 وی اعلام کرد انرژی E  کمیتی گسسته است که آن را کوانتوم انرژی نامید و هر کوانتوم انرژی ضریبی از یک پایه انرژی است که در رابطه ی زیر صدق می کند:

 

E = nhf

 n عدد صحیح  h ثابت پلانک  است.

 

توجیه کوانتومی پدیده فوتوالکتریک توسط انیشتین

 

انیشتین در سال 1905 با استفاده از نظریه کوانتومی انرژی پدیده فوتوالکتریک را توضیح داد. بنابر نظریه ی کوانتومی امواج الکترومغناطیسی که به ظاهر پیوسته اند، کوانتومی می باشند. این کوانتومهای انرژی را که فوتون می نامند، از رابطه ی پلانک تبعیت می کنند. بنابر نظریه کوانتومی، یک باریکه ی نور با فرکانس f شامل تعدادی فوتونهای ذره گونه است که هر یک دارای انرژی E=hf می باشد. یک فوتون تنها می تواند با یک الکترون در سطح فلز برهم کنش کند، این فوتون نمی تواند انرژی خود را بین چندین الکترون تقسیم کند. چون فوتونها با سرعت نور حرکت می کنند، بر اساس نظریه نسبیت، باید دارای جرم حالت سکون صفر باشند و تمام انرژی آنها جنبشی است.

هنگامیکه ذره ای با جرم حالت سکون صفر از حرکت باز می ماند، موجودیت آن از بین می رود و تنها زمانی وجود دارد که با سرعت نور حرکت کند. از این رو وقتی فوتونی با یک الکترون مقید در سطح فلز برخورد می کند و پس از آن دیگر با سرعت منحصر بفرد نور c حرکت نمی کند، تمام انرژی hf خود را به الکترونی که با آن برخورد کرده است می دهد. اگر انرژیی که الکترون مقید از فوتون به دست می آورد از انرژی بستگی به سطح فلز بیشتر باشد، زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی فوتوالکترون در می آید.

اگر فرض کنیم انرژی بستگی الکترون بر سطح فلز w باشد که این مقدار برابر باشد با انرژی w=hf0 آنگاه یک فوتون با انرژی

hf زمانی می تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند که:

 

hf>w=hf0

 

چنانچه انرژی فوتون فرودی بیشتر از انرژی بستگی الکترون باشد، مابقی انرژی بصورت انرژی جنبشی الکترون ظاهر می شود. و خواهیم داشت:

 

hf=1/2 m0 v2 +hf0

 

 

بهمین دلیل اگر انرژی نور تابشی کمتر از انرژی بستگی فوتون باشد، با هر شدتی که بر سطح فلز بتابد، پدیده فوتوالکتریک روی نمی دهد. علاوه بر آن به محض رسیدن فوتون با انرژی کافی بر سطح فلز، گسیل فوتوالکتریک بی درنگ اتفاق می افتد. هرچند در اینجا بحث در مورد اثر تابش بر سطح فلز بود، اما این اثر به فلزات محدود نمی شود. بطور کلی هرگاه فوتونی با انرژی کافی به الکترون مقید برخورد کند، الکترون را از اتم جدا می کند و اتم یونیزه می شود.

همچنین شدت موج الکترومغناطیسی در نظریه مکانیک کوانتوم مفهوم جدیدی پیدا کرد. در مکانیک کوانتوم شدت موج تکفام الکترومغناطیسی برابر است با حاصلضرب انرژی هر فوتون در تعداد فوتونهایی که در واحد زمان از واحد سطح عبور می کنند.

 

 

اثر کامپتون

 

در اثر فوتوالکتریک، فوتون همه ی انرژی خود را به الکترون می دهد، اما ممکن است در برخورد فوتون با ذره ی باردار، فوتون تنها قسمتی  از انرژی خود را از دست بدهد. این نوع برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و اجسام، همان پراکندگی امواج الکترومغناطیسی توسط ذرات باردار جسم است. نظریه کوانتومی پراکندگی امواج الکترومغناطیسی، به اثر کامپتون مشهور است.

کامپتون در سال 1922 با استفاده از تعبیر موفق انیشتین در مورد اثر فوتوالکتریک، مفهوم ذره گونه ی فوتون یعنی طبیعت کوانتومی تابش الکترومغناطیسی را برای توضیح پراکندگی پرتوهای x به کار برد. در نظریه کوانتومی یک فوتون با نرژی:

 

E=hf=mc2

 

و جرم حالت سکون صفر، که با سرعت c در حرکت است، دارای اندازه حرکت خطی p می باشد. با در نظر گرفتن اینکه اندازه حرکت یک فوتون باید برابر جرم نسبیتی در سرعت فوتون باشد، می توان نوشت:

 

p=mc=hf/c=h/l

که در آن l طول موج است.

وقتی یک باریکه ی الکترومغناطیسی تکفام را به عنوان مجموعه ای متشکل از فوتونهای ذره گونه که هریک دارای انرژی و اندازه ی حرکت دقیقاً معلوم در نظر بگیریم، عملاً پراکندگی تابش الکترومغناطیسی به صورت مسئله ای که شامل برخورد فوتون با یک ذره ی باردار است در می آید.

نظریه کوانتومی ایجاب می کند که ذره ی باردار در هنگام برخورد با فوتون، انرژی کسب کند. در اینجا فوتون قسمتی از انرژی خود را از دست می دهد و این انرژی به ذره ی باردار منتقل می شود. در این صورت ذره و فوتون هر دو با انرژی و اندازه ی حرکت جدید در مسیرهایی که الزاماً مسیر قبلی نیست به حرکت خود ادامه می دهند.

 

 

بررسی برخورد کامپتون بین یک فوتون و یک الکترون را می توان در حالت کلی، حتی زمانی که الکترون مقید است، در نظر گرفت.

 

 

نتیجه گیری

با دقت به اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون بخوبی مشاهده می شود که

یک - یک فوتون تمام انرژی خود را به الکترون منتقل می کند

دو - یک الکترون ممکن است قسمتی از انرژی خود را به الکترون منقل کند

سه - در نسبیت فرض می شود که فوتون دارای جرم حالت سکون صفر است

در ادامه این موارد را مجدداً مورد بررسی قرار می دهیم

 

اثر موسبوئر

بياييد يكي از پيشگويي هاي نسبيت اينشتين را مورد توجه قرار دهيم. طبيق پيشگويي نسبيت هرگاه نور 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 مي گويند جابجايي به سمت سرخ گرانش است. 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 ي 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 - ربکا با استفاده از اثر موسبوئر انجام شد و سالهاي بعد نیز تکرار 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 روابط زير ارائه شده است.

 

1- هنگاميكه فوتون در حال سقوط در يك ميدان گرانشي است

 

f'=f(1+MG/Rc2)

 

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 فركانس فوتون بعد از سقوط است.

 

2- هنگاميكه فوتون در حال فرار از يك ميدان گرانشي است

 

f'=f(1-MG/Rc2)

يعني جابجايي به سمت سرخ گرانش

 

حال سئوال اين است كه براي انرژي آن چه اتفاقي مي افتد؟ انرژي فوتون چه مي شود؟ و چگونه انرژی آن افزایش می یابد؟ يعني انرژي به چه چيزي تبديل مي شود؟ و در یک میدان گرانشی چه چیزی به انرژی فوتون تبدیل می شود؟

در نسبیت فوتون دارای جرم حالت سکون صفر است و تنها در شرایط سرعت نور تولید می شود. اما نسبیت هیچ توضیحی در این مورد ندارد که فوتون چگونه تولید می شود و اجزای تشکیل دهنده ی آن چیست که موجب می شود فوتون با سرعت نور حرکت کند. همچنین مکانیک کوانتوم نیز در این مورد توضیحی ندارد.

اثر موسبوئر نشان می دهد که انرژی فوتون در میدان گرانشی تغییر می کند. خوب اگر فوتون تنها دارای انرژی جنبشی است، همانطور که در توجیه پدیده ی فوتوالکتریک مورد توجه و استفاده قرار گرفت، و تغییر انرژی فوتون در میدان گرانشی، حامل نکات بسیار مهمی است که می تواند ما را به بررسی ساختمان فوتون رهنمون شود تا اجزای تشکیل دهنده ی آن را بشناسیم.

 

 

نظریه سی. پی. اچ. . ساختمان فوتون

 

 

تعریف CPH  


 

فرض کنیم یک ذره با جرم ثابت m وجود دارد که با مقدار سرعت ثابت Vc نسبت به تمام دستگاه های لخت حرکت می کند. و
:

 

Vc>c, c is speed of light

 

بنابراین سی. پی. اچ. دارای اندازه حرکت خطی برابر mVc است.

 


 


اصل CPH

Principle of CPH


سی. پی. اچ. یک ذره بنیادی با جرم ثابت است که با مقدار سرعت ثابت حرکت می کند. این ذره داری لختی دورانی است. در هر واکنش بین این ذره با سایر ذرات یا نیروها در مقدار سرعت آن تغییری داده نمی شود، بطوریکه :

 

gradVc=0 in all inertial frames and any space

 

هنگامیکه نیروی خارجی بر آن اعمال شود، قسمتی از سرعت انتقالی آن به سرعت دورانی (یا بالعکس ) تبدیل می شود، بطوریکه در مقدار Vc  تغییری داده نمی شود. یعنی اندازه حرکت خطی آن به اندازه حرکت دورانی و بالعکس تبدیل می شود. بنابراین مجموع انرژی انتقالی و انرژی دورانی آن نیز همواره ثابت است. تنها انرژی انتقالی آن به انرژی دورانی و بالعکس تبدیل می شود.هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای حرت دورانی حول محوری که از مرز جرم آن می گذرد است، یعنی زمانیکه سی. پی. اچ. دارای Spin  است، آن را گراویتون می نامیم.

 

When CPH has Spin,  it calls Graviton

 

هنگامیکه گراویتون روی یک ذره/جسم کار انجام می دهد، گروایتون ناپدید شده و به انرژی جسم تبدیل می شود. زیرا این امر قابل توجیه نیست که نیرو تولید انرژی کند و هیچ تغییری در آن ایجاد نشود. تمام تلاشها برای پیدا کردن یک نیروی اساسی واحد در طبیعت به این دلیل بی نتیجه بوده است که فیزیکدانان هیچ توجهی به تغییرات نیرو نداشته اند. در حقیقت نیرو و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند. یعنی نیرو به انرژی تبدیل می شود و انرژی نیز به نیرو تبدیل می شود.

همچنین یک گراویتون روی گراویتون دیگر کار انحام می دهد، اما نتیحه ی این کار تغییر انرژی جنبشی به انرژی دورانی است. هنگامیکه گراویتون ها در کنار یکدیگر قرار می گیرند (ادغام می شوند) همان جلوه ای را از خود بروز می دهند که ما آن را انرژی می نامیم. 
شکل زیر نشان می دهد که دو سی. پی. اچ.  با در فاصله 
r , یکدیگر را حس کرده و یکدیگر را جذب می کنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حرکت انتقالی آنها به حرکت دورانی Spin تبدیل می شود. 

 

 


یک فوتون از تعدادی گراویتون تشکیل می شود که دارای Spin هستند. 

 



 

همچنین فوتون دارای اسپین است. بنابراین هنگامیکه فوتون با سرعت نور حرکت می کند، گرایتون هایی که فوتون را تشکیل داده اند دارای حرکتهای زیر می باشند:

 
حرکت انتقالی برابر سرعت نور، زیرا فوتون با سرعت نور منتقل می شود و اجزای تشکیل دهنده آن نیز الزاماً با همین سرعت منتقل می شوند. 

حرکت دورانی (اسپین)، زیرا طبق اصل سی. پی. اچ. مقدار سرعت سی. پی. اچ. بیشتر از سرعت نور است و هنگامیه سی. پی. اچ. ها با یکدیگر ادغام می شوند و سایر ذرات را تشکیل می دهند، مقداری از سرعت انتقالی آنها به اسپین تبدیل می شود
. 

و حرکت ناشی از اسپین فوتون، زیرا گراویتون ها در ساختمان فوتون هستند و از حرکت اسپینی فوتون سهم می برند.

 

 

 

با توجه به نظریه سی. پی. اچ. ، یک فوتون شامل تعدادی سی. پی. اچ. است که همراه فوتون با سرعت نور حرکت می کنند. اگر اندازه حرکت خطی هر سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون را برابر  p=mc  در نظر بگیریم و فرض کنیم یک فوتون از تعداد n  سی. پی. اچ. تشکیل شده ، آنگاه برای فوتون  داریم:



p=nmc

 

 

هنگامیه فوتون با یک الکترون برخورد می کند، تعدادی (یا همه ی ) سی. پی. اچ. های خود را از دست می دهد. این سی. پی. اچ. ها وارد ساختمان الکترون می شوند.

 

 

 

در پدیده فوتوالکتریک تمام سی. پی. اچ. های فوتون وارد ساختمان الکترون می شوند.

در اثر کامپتون تعدادی از سی. پی. اچ. های فوتون وارد ساختمان الکترون می شوند.


 

حالا می توانیم به این سئوال جواب دهیم که چرا فوتون در حالت سکون قابل مشاهده نیست. زیرا فوتون از گراویتونها تشکیل می شود و گراویتونها با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت می کنند و هنگامیکه فوتون واپاشیده می شود، به اچزای خود، یعنی گراویتونها تبدیل می شود. اصولا فوتون قبل از آنکه بخواهد به حالت سکون در آید، واپاشیده می شود.

 

 

از تولید زوج تا اتحاد الکترومغناطیس-گرانش

 

از دیرباز فیزیکدانان توجه زیادی به اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی نشان دادند. نخستین بار فارادی که درک عمیقی از نیروهای الکترومغناطیسی داشت، خاطر نشان کرد که نیروهای گرانشی و الکترومغناطیسی تشابه بسیار زیادی به یکدیگر دارند و احتمالاً رابطه ی مشابهی نظیر آنچه که بین نیروهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد، بین گرانش و نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد. پلانک نیز نظر مشابهی داشت. آلبرت اينشتين نیز تلاش بسيار كرد كه این دو نیرو را متحد كند. وی بیش از سی سال در این زمینه کار کرد، اما موفق نشد. البته در زمان اینشتین نیروهای مهم و مطرح همین دو نیروی گرانشی و الکترومغناطیسی بودند و نیروهای قوی و ضعیف تازه مورد توجه قرار گرفته بود.

علاوه بر آن امروزه مفهوم نیرو با زمان انیشتین تفاوت اساسی پیدا کرده است. در مکانیک کوانتوم به نیرو به عنوان ذراتی نگریسته می شود که بین ذرات شرکت کننده در برهم کنش مبادله می گردد. ذره ی تبادلی برای نیروهای الکترومغناطیسی، فوتون است و ذره تبادلی برای گرانش، گراویتون نامیده می شود. اگر بخواهیم اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی را مورد توجه قرار دهیم، راهی نداریم چز آنکه ارتباط بین فوتون و گراویتون را مورد کنکاش قرار دهیم. اما قبل از ادامه ی بحث لازم است به تولید و واپاشی زوج ماده - پاد ماده توجه کنیم، زیرا بررسی این پدیده برای شناخت وابستگی و ایجاد وحدت بین نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی نقش اساسی دارد.

 

 

 ماده و پاد ماده

در مقاله بالا اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون با استفاده از نظریه سی. پی. اچ. مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون، فرایند جالبی تحت عنوان تولید زوج ماده - پاد ماده وجود دارد که از نظر اهمیت و مفاهیم بنیادی بی نظیر است. تولید و واپاشی زوج یک مثال بسیار بارز و عالی از تبدیل انرژی به ماده  و بالعکس است. بررسی نظری این پدیده نخستین بار توسط دیراک در سال 1928 صورت گرفت. دیراک با حل معادله:

 

 

بصورت:

 

 

 

به جای آنکه قسمت منفی انرژی را به دلیل غیر فیزیکی بودن آن کنار بگذارد، به پژوهش پیرامون پیامدهای تمامی معادله پرداخت و به نتایج بسیار جالبی رسید. به طور خلاصه دیراک با توجه به قسمت منفی رابطه ی بالا وجود پاد ماده را پیشگویی کرد. اگر این پیشگویی درست می بود، می بایست برای ذره ای مانند الکترون، ذره ی دیگری وجود داشته باشد که حرم حالت سکون آن برابر جرم الکترون باشد. تجزیه تحلیل دیراک چنین نشان می داد که این ذره باید دارای بار الکتریکی مثبت باشد. زمانیکه دیراک وجود چنین ذره ای را پیشگویی کرد با ناباواری فیزیکدانان مواجه شد. اما چهار سال بعد، آندرسن این ذره را در اشعه ی کیهانی کشف کرد و آن را پوزیترون نامیدند. بعدها در آزمایشگاه نیز با واپاشی فوتون زوج الکترون - پوزیترون تولید شد.

 فوتونی با انرژی زیاد، تمامی انرژی E=hf خود را در برخورد با هسته از دست می دهد و یک زوج الکترون - پوزیترون می آفریند. پوزیترون ذره ای است که کلیه ی خواص آن با خواص الکترون یکسان است مگر بار الکتریکی و علامت گشاور مغناطیسی آن، زیرا بار الکتریکی پوزیترون مثبت است:

 

 

تولید زوج الکترون - پوزیترون

 

در فرایند تولید زوج الکترون - پوزیترون اصولی باید محفوظ بماند تا این پدیده روی دهد. این اصول عبارتند از بقای انرژی نسبیتی کل، بقای اندازه حرکت و بقای بار الکتریکی،  زیرا فوتون از نظر الکتریکی خنثی است و مجموع بارهای الکتریکی بعد از تولید نیز باید صفر باشد. بقای اندازه حرکت نیز نشان می دهد که یک فوتون نمی تواند  در فضای تهی محو شود و زوج تولید کند. چنین فرایندی با حضور یک هسته ی سنگین امکان پذیر است تا بقای اندازه حرکت و بقای انرژی نسبیتی نقض نشود.

در ارتباط با تولید زوج، فرایند معکوسی وجود دارد که نابودی زوج نامیده می شود. یک الکترون و یک پوزیترون مجاور یکدیگر، در هم ادغام می شوند و به جای آن انرژی تابشی به وجود می آید.

 

 

 

نابودی زوج

 

 

امروزه مشاهده ی تولید و واپاشی زوج الکترون - پوزیترون در آزمایشگاه یک پدیده ی عادی بشمار می رود. در سال 1955 برای نخستین بار زوجهای پروتون- پاد پروتون و نوترون - پاد نوترون در آزمایشگاه آفریده شدند.

 

 

بررسی فرایند تولید و واپاشی زوج

حال باید فرایند تولید و واپاشی زوج ماده - پاد ماده را با دقت مورد بررسی قرار داد تا ببینیم چگونه می توان اتحاد بین نیروهای الکتریکی و مغناطیسی را از آن نتیجه گرفت و چرا تا به حال این تلاشها بی نتیجه بوده است؟

 فوتونی را در نظر بگیرید که با انرژی کافی در حرکت است و در یک فرایند واپاشیده شده و یک زوج الکترون - پوزیترون (یا پروتون - پاد پروتون) تولید می کند. همجنانکه که می دانیم انرژی نسبیتی فوتون با جرم - انرژی ذرات تولید شده برابر است. زوج تولید شده شامل دو ذره یکی با بار الکتریکی مثبت و دیگری با بار الکتریکی منفی است. این دو ذره در دو برهم کنش با یکدیگر شرکت می کنند. یکی برهم کنش گرانشی و دیگری برهم کنش الکتریکی. طبق نظریه کوانتوم مکانیک این برهم کنشها از طریق تبادل ذرات انجام می شود. ذره ی تبادلی الکترومغناطیسی، فوتون است که نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کند و ذره ی تبادلی گرانشی، گراویتون است که نیروی گرانش را حمل می کند. حال چندین سئوال اساسی قابل طرح می باشد

 

الف - ذرات باردار چگونه از یک ذره ی خنثی تولید می شوند؟

 

ب - ذره ی تبادلی (فوتون) چگونه و از چه چیزی تولید می شود؟

 

ج - فوتون حامل انرژی الکترومغناطیسی است که شامل دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم است. چه رابطه ای بین این میدانهای الکترومغناطیسی و بار الکتریکی ذرات ماده - پاد ماده که در فرایند آفرینش تولید می شوند، وجود دارد؟

 

د - نقش گرانش (گراویتونها) در این فرایند ها چیست؟

 

برای رسیدن به پاسخ این سئوال ها نیازی نیست که روابط پیچیده ای را اختراع کنیم که با طبیعت فیزیکی این پدیده ها بیگانه است. همچنین نیازی نیست که معادلات پیچیده تر ریاضی ابداع کرده و بعد تلاش کنیم این معادلات را به طبیعت تحمیل کنیم یا تحقیق کنیم که کدامیک از آنها و تحت چه شرایطی سازگارند. راهنمای ما در این زمینه خود امواج الکترومغناطیسی، نحوه ی تولید آنها و اندرکنش انرژی الکترومغناطیسی با گرانش (یا گراویتون ها) است

برای این کار دو مورد خاص را در نظر می گیریم.

 

یک - نحوه ی تولید و انتشار امواج الکترومغناطیسی

 

دو - اثر گرانش بر امواج الکترومغناطیسی

 

تولید امواج الکترومغناطیسی

 

قوانین الکترودینامیک نشان می دهد هرگاه یک ذره ی باردار شتاب بگیرد، یک موج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود که با سرعت نور حرکت می کند. اگر این ذره ی باردار نوسان کند با هر نوسان آن یک کوانتوم انرژی الکترومغناطیسی که فوتون نامیده می شود، تولید و منتشر می گردد.

 

 

 

 با نوسان ذره ی باردار موج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود

که فرکانس آن با فرکانس نوسان ذره ی باردار برابر است.

 

بنابراین برای تولید یک موج الکترومغناطیسی (فوتونها)، بایستی ذره ی بار دار را به نوسان در آوریم. هرچند روشهای گوناگونی برای به نوسان درآوردن ذره ی باردار وجود دارد، اما همه ی آنها از این قانون کلی پیروی می کنند که باید روی ذره ی باردار کار انجام شود تا ذره شتاب بگیرد. ذره ی باردار (الکترون های آزاد فلز) با گرفتن یک کوانتوم انرژی به مدار بالاتر صعود می کند و با سقوط به مدار پئین تر، انرژی را تابش می کند. مستقل از اینکه منشاء نوسان چیست و چگونه الکترون به نوسان در می آید، این تابش وجود دارد و قابل آشکار سازی است.

از طرف دیگر می دانیم انرژی ها قابل تبدیل به یکدیگرند. حال تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی را به انرژی الکترومغناطیسی، نظیر آنچه که در سدها و با استفاده از توربین انجام می شود در نظر بگیرید. در این فرایند مقداری آب در ارتفاع خاصی قرار دارد که بر اثر سقوط در میدان گرانشی، انرژی جنبشی کسب می کند و هنگام برخورد با پره های توربین، قسمتی از این انرژی جنشی به توربین منتقل می گردد و سیم پیچ آن را به چرخشد در می آورد.   چرخش سیم پیچ موجب می شود شار مغناطیسی حاصل از آهنربای موجود در وسط سیم پیچ تغییر کند و جریان الکتریکی بر قرار گردد و در نتیجه الکترونهای آزاد درون سیم ها نوسان کرده و انرژی الکترومغناطیسی تولید شود. در واقع انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل شده است. تبدیل انرژی گرانشی به انرژی الکترومغناطیسی را می توان از زاویه دیگری نیز مورد بررسی قرار داد.

 

تاثیر گرانش بر انرژی الکترومغناطیسی

طبق پيشگويي نسبيت هرگاه فوتونی 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 نامیده می 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 ربکا 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/Rc2)

 

 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 فوتونقبل از سقوط و بعد از سقوط است. با افزایش انرژی فوتون، شدت میدان الکتریکی و مغناطیسی آن افزایش می یابد بطوری که رابطه ی زیر همواره بر قرار است.

 

 

 

بنابراین کاری که توسط نیروی گرانش روی فوتون انجام می شود، تنها به معنی ساده ی افزایش انرژی آن نیست، بلکه مفاهیم عمیق تری در ورای آن نهفته است. اگر این پدیده را بخواهیم از دیدگاه نظریه میدان کوانتومی نگاه کنیم، باید بپذیریم که گراویتونها در ساختمان فوتون نفوذ کرده و علاوه بر افزایش انرژی آن موجب افزایش شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن شده اند. اما با توجه به خواصی که مکانیک کوانتوم برای گراویتونها قائل است، این پدیده قابل توجیه نیست. بلکه باید در مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتوم تجدید نظر کنیم و از ماورای مکانیک کوانتوم این پدیده را مورد بررسی قرار دهیم. زیرا در مکانیک کوانتوم به گفته ی دیراک الکترون و فوتون نقاط مادی هستند که نمی توان ساختمان آنها را مورد کنکاش و بررسی قرار داد. در حالیکه در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرات از تعدادی سی. پی. اچ. تشکیل می شوند و سی. پی. اچ. در حالت خاص گراویتون است.

 

 

نگاهی نوین به شواهد تجربی  

 

برای به دست آوردن یک نتیجه ی رضایت بخش که بتوان با استفاده از آن به اتحاد نیروهای الکترومغناطیسی و گرانشی رسید، نمی شود و نباید با دیدگاه معمول به آن برخورد کرد. زیرا این دیدگاه در هشتاد سال گذشته با تمام تلاشی که انجام شده، موفقیت چندانی نداشته است. واقیعیت غیر قابل انکار این است که کاری که گرانش روی فوتون انجام می دهد، علاوه بر تغییر انرژی آن، بر شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نیز موثر است و این چیزی است که مکانیک کوانتوم و نسبیت برای آن توضیحی ندارند.

از دیدگاه مکانیک کوانتوم، فوتون بسته انرژی در حال دوران است. همچنین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی اطراف یک پرتو نوری ازنوع میدانهای الکترومغناطیسی استاتیک نیست. میدان الکترومغناطیسی که توسط یک فوتون ایجاد می شود، بسیار قوی تر از میدان گرانشی آمیخته با آن است. همچنین هنوز شناخته نشده که این دو میدان الکترومغناطیسی و گرانشی چگونه توسط فوتون تولید می شود و چرا تا این اندازه اختلاف دارند. این یک معمای حل نشده ی فیزیک است.

باید توجه داشت که برای حل یک مسئله قدیمی، نمی توان به همان راه حل های کهنه و متداول بسنده کرد، بلکه باید به دنبال راه حلهای متفاوت و نوین بود تا به نتایج قابل قبولی رسید. البته باید توجه داشت که فیزیک دانشی متکی بر تجربه است، بنابراین هر توصیفی از پدیده های فیزیکی که بخواهد نظریه ای را مطرح کند، باید متکی بر شواهد تجربی باشد. بر این اساس است که نمی توان و نباید یک نظریه جدید شواهد تجربی را نقض کند، بلکه باید در شواهد تجربی ریشه گرفته و برای توجیه همین شواهد تجربی بکار رود و در این کارایی است که سیر تحول منطقی و تکامل خود را خواهد پیمود.

حتی چنین نگرشی نیز نمی تواند روابط پذیرفته شده و متکی بر آزمایش را نفی کند، بلکه تنها می تواند به تعدیل یا تعمیم آنها بپردازد. نگاه نظریه سی. پی. اچ. به فیزیک از این زاویه است. بهمین دلیل در نظریه سی. پی. اچ. تلاش می شود با درک شهودی از پدیده ها روابط پذیرفته شده را تعمیم دهد. در این راستا به تعمیم یکی از بنیادی ترین روابط شناخته شده ی فیزیک، یعنی قضیه کار و انرژی می پردازیم.

 

قضیه کار و انرژی و تابش الکترومغناطیسی

می دانیم هرگاه روی جسم/ذره ای کار انجام شود،  کار انجام شده موجب تغییر انرژی جنبشی جسم/ذره می شود. از طرفی  فوتون تنها حامل انرژی جنبشی است و سکون فوتون به معنی از دست دادن انرژی آن است. خوب حال فوتونی را در نظر بگیرید که با انرژی E=hf در حال سقوط در یک میدان گرانشی است. همچنانکه در بالا اشاره شد، بر اثر سقوط فوتون، انرژی و در نتیجه فرکانس آن افزایش می یابد. حال فرض کنیم یک گراویتون نیروی گرانشی برابر با Fg را حمل می کند و فاصله ی Lp را طی می کند تا از مرز خارجی فوتون وارد ساختمان فوتون شود. در این صورت کار انجام شده برابر است با:

 

 

Wq=Fg.Lp=dE

 

که در Wq, Fg, Lpبه ترتیب و از چپ به راست کوانتوم کار انجام شده، نیروی گرانشی که یک گراویتون حمل می کند، طول پلانک که تقریباً برابر 10-35 ده به توان منهای سی و پنج متر و dE تغییر انرژی فوتون است. و در حالت کلی مقدار کار از رابطه ی ریر به دست می آید:

 

 W=nWq=nFg.Lp , n=...., -2. -1, 0, 1, 2, ...

 

 

 

تغییر میدان الکتریکی و مغناطیسی فوتون

هنگامیکه فوتون در حال سقوط در میدان گرانشی است، گراویتونها وارد ساختمان فوتون می شوند. با افزایش گراویتونها در ساختمان فوتون، شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون نیز افزایش می یابد. به شکل زیر توجه فرمایید.

 

 

هنگامیکه گرانش روی فوتون کار انجام می دهد

 شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فوتون افزایش می یابد  

 

 

اگر کار انجام شده بر روی فوتون تنها موجب افزایش انرژی آن می شد و تاثیری بر روی میدانهای الکتریکی و مغناطیسی آن نداشت، اصولاً دلیلی بر وجود نیروهای الکتریکی و مغناطیسی وجود نمی داشت. وجود میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در امواج الکترومغناطیسی، ناشی از آن است که این میدانها خود از اجزای کوچکتری تشکیل شده اند که آنها نیز دارای خواص الکتریکی و مغناطیسی هستند. به عبارت دیگر گراویتونها نه تنها حامل نیروی گرانش هستند، بلکه دارای خواصی هستند که ما آنها را تحت عناوین بار الکتریکی و شار مغناطیسی می شناسیم. این نگرش موجب می شود که دیدگاه خود را نسبت به گراویتون تغییر دهیم و اعتراف کنیم که گراویتونها دارای خواص الکتریکی و مغناطیسی هستند که می توان آنها تحت عناوین بار - رنگ و مغناطیس - رنگ معرفی کرد. در واقع انباشتگی این بار-رنگ ها و مغناطیس - رنگ ها عامل تولید ذرات باردار هستند.

 

بار الکتریکی و نیروی الکتریکی

 

هنگامیکه انرژی به ذرات باردار تبدیل می شود، مانند آنچه که در پدیده ی تولید زوج الکترون - پوزیترون روی می دهد، این ذرات موجودیت و خواص الکتریکی خود را با انتشار فوتون های تبادلی بروز می دهند. در واقع بار الکتریکی یک ژنراتور (تولید کننده) نیروی الکتریکی است و گراویونهای اطراف را انباشته کرده و به صورت ذرات تبادلی نیروی الکتریکی در فضا منتشر می کند. یک بار الکتریکی منزوی را در نظر بگیرید که دائم در حال انتشار نیروی الکتریکی است، و هیچگاه جرم آن کاهش نمی یابد. این امر به دلیل آن است که مواد مورد مصرف آن گراویتون است که در اطراف آن به وفور یافت می شود. مقاومت گرانش در مقابل تغییر میدان الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی ظاهر می شود.( قانون آمپر را به یاد آورید).

 

 

 

 

 

 

 

تولید میدان مغناطیسی توسط بار الکتریکی متحرک

 

 

 

 

میدان مغناطیسی در اطراف دو سیم حامل جریان الکتریکی

 

 

 

هرچند دیراک وجود تک قطبی های مغناطیسی را پیشگویی کرده است، اما نه تنها هنوز چنین تک قطبی ها مشاهده نشده، حتی بدون بار الکتریکی میدان مغناطیسی نیز ایجاد نمی شود. میدان مغناطیسی یک جریان است که بر اثر مقاومت میدان گرانشی در مقابل تغییر میدان الکتریکی ایجاد می شود.

 

 

زیر کوانتوم کروموداینامیک

Sub Quantum Chromo dynamics  SQCD

 

مقدمه:

کوانتوم کروموداینامیک که بطور خلاصه QCD نامیده می شود، یک نظریه مدرن در مورد واکنش قوی است. از نظر تاریخی ریشه آن به فیزیک هسته ای بر می گردد و توضیحی است برای ماده و درک اینکه پروتون و نوترون چه هستند و چگونه با هم واکنش دارند. در توضیح لفظی می توان گفت QCD یک ویرایش جدید و توسعه یافته از QED , Quantum Electrodynamic الکترودینامیک کوانتومی است.

 در الکترودینامیک کوانتومی تنها یک نوع بار الکتریکی (مثبت یا منفی) وجود دارد، اما در کوانتوم کرمودینامیک سه نوع مختلف بار الکتریکی با برچسب رنگ Color وجود دارد. برای دوری جستن از هرگونه تعصب، رنگهای قرمز، سبز و آبی را انتخاب می کنند. اما البته بار-رنگ کوانتوم کروموداینامیک هیچگونه ارتباطی با رنگهای معمولی فیزیک ندارد. در واقع اینها تشبیح خواص بار الکتریکی هستند. بویژه بار-رنگها در هر فرایند فیزیکی پایسته هستند و ذرات بدون جرمی شبیه ذره ی بدون جرم فوتون، وجود دارد که گلوئون-رنگ نامیده می شود.

 

 

 

برهمكنش الكترومغناطيسى 


فيزيكدانان توانسته اند به كمك تئورى الكتروديناميك كوانتومى  QED توصیف مناسبی برای برهمکنش الکترومغناطیسی ارائه ناید.

اين تئورى يكى از موفقيت آميزترين تئورى هاى فيزيكى است كه با دقت يك در ده ميليون با نتايج آزمايشگاهى توافق دارد. يكى از دلايل موفقيت اين نظريه وجود يك ثابت كوچك به اسم ثابت كوپلاژ با مقدار 137 /1در معادلات است. وجود اين ثابت كوچك تر از يك اين امكان را فراهم مى سازد كه براى محاسبه اثر نيروى الكترو مغناطيس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. اين روش رياضى كه به آن روش حل اختلالى مى گويند توسط فاينمن بسط و گسترش يافت. 
يكى از خواص مهم نظريه الكترو ديناميك كوانتومى (QED)  اين است كه ثابت كوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادير مختلفى دارد. اين مقدار با افزايش انرژى افزايش مى يابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN  مقدار آن در انرژى حدود ۱۰۰ بيليون الكترون ولت به جاى 137 /1، 1/128 اندازه گيرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت كوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه اين منحنى داراى يك شيب آرام به سمت بالا خواهد بود كه فيزيكدانان اصطلاحاً مى گويند شيب منحنى يا تابع بتا مثبت است.
 

 

 

 

 

 

کوارکها

Quarks

 

از دهه ۱۹۶۰ مشخص شده بود كه پروتون و نوترون از ذرات بنيادى ترى به اسم كوارك ساخته شده اند. اما نكته عجيب اين بود كه امكان مشاهده ذره كوارك به صورت آزاد وجود نداشت. آنها هميشه محبوس هستند و اين خاصيتى بنيادى براى اين ذرات است.  تنها جمع كوارك ها به صورت دوتايى و سه تايى مى تواند وجود داشته باشد. بار الكتريكى كوارك ها كسرى از بار الكتريكى پروتون است به صورت يك سوم يا دو سوم بار پروتون و اين خاصيتى است عجيب كه هنوز توضيحى براى آن يافت نشده است.

 

گلوئون و بار -رنگ

 

هر كوارك علاوه برداشتن بار الكتريكى خاصيت ويژه ديگرى نيز دارد كه مانند بار الكتريكى كميتى كوانتومی است و تنها مى تواند مقادير ويژه اى داشته باشد. به اين خاصيت بار-رنگ گفته مى شود. كوارك ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر كوارك يك پادكوارك نيز وجود دارد مانند پوزيترون كه پاد ذره الكترون است. پادكوارك ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى يا پاد سبز هستند. جمع كوارك هايى كه در طبيعت مى توانند وجود داشته باشند بايد داراى بار-رنگ خنثى باشند همانطور كه تشكيل مولكول هاى خنثى (از نظر الكتريكى) به خاطر جاذبه الكتريكى بين اجزاى مثبت و منفى آن است. نيروى بين پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نيروى بين بار هاى رنگى كوارك هاى تشكيل دهنده آنها به وجود مى آيد. نيروى بين كوارك ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. اين ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار-رنگ هستند. همين خصوصيت باعث پيچيدگى توضيح اين نيرو و تفاوت آن با نيروى الكترو مغناطيس است.
 

مقادیر منفی تابع بتا

 

براى سال ها فيزيكدانان اعتقاد داشتند كه نمى توان روشى براى محاسبه برهم كنش قوى ميان كوارك ها يافت كه شبيه روش محاسبات برهم كنش هاى الكترو مغناطيسى باشد. به اين دليل كه ثابت كوپلاژ براى برهم كنش قوى بزرگ تر از يك است و نمى توان روش اختلالى فاينمن (كه در بالا توضيح داده شد) را براى محاسبات اين نظريه به كار برد. كورت زيمانسكى فيزيكدان آلمانى دريافت كه تنها راه رسيدن به يك نظريه معقول پيدا كردن يك تابع بتا منفى براى اين نظريه است. اين رهيافت همچنين مى تواند علت آنكه گاهى اوقات كوارك ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشكار مى سازند توضيح دهد. اثرى كه در آزمايش برخورد ميان الكترون و پروتون ديده مى شود.
متاسفانه زيمانسكى خود نتوانست به اين نظريه دست يابد حتى جرارد هوفت در تابستان ۱۹۷۲ به اين كشف نزديك شده بود. اما فيزيكدانان نااميد بودند زيرا شواهد نشان مى داد كه يك نظريه واقعى بايد داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه ديگر مشخص شده است كه اين موضوعى نادرست است زيرا در ژانويه 1973دو مقاله پى در پى در مجله فيزيكال ريويولترز توسط گراس و ويلچك و پوليتزر به چاپ رسيدند كه در كمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادير منفى داشته باشد. آنها زمانى اين كشف را انجام دادند که دانشجو بودند. مطابق نظريه آنها حامل هاى نيروى برهم كنش قوى يعنى گلوئون ها داراى خاصيتى غيرمنتظره و ويژه هستند به اين صورت كه آنها نه تنها با كوارك ها بلكه با خودشان نيز برهم كنش مى كنند. طبق اين خاصيت هنگامى كه كوارك ها به يكديگر نزديك مى شوند برهمكنش بار رنگى ميان آنها كاهش مى يابد. كوارك ها موقعى به يكديگر نزديك مى شوند كه انرژى آنها افزايش يافته باشد و طبق اين نظريه اندازه برهم كنش در اين هنگام كاهش مى يابد. اين خاصيت كه به آن آزادى مجانبى مى گويند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت ديگر برهمكنش با افزايش فاصله افزايش مى يابد كه اين مى تواند توضيحى براى اين باشد كه چرا كوارك ها هميشه در نوكلئون ها محبوس هستند.

آزادى مجانبى اين امكان را نیز فراهم مى سازد كه بتوان فاصله اى را كه در آن كوارك ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى كنند، محاسبه كرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسيار زياد با يكديگر مى توان آنها را به اندازه كافى به يكديگر نزديك كرد. هنگامى كه آزادى مجانبى كشف شد و نظريه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسيار خوبى با نتايج آزمايشگاهى از خود نشان دهند.

 

 

 

شواهد تجربی

 

يكى از مهم ترين اثبات هاى نظريه QCD  توسط آزمايش برخورد الكترون و پاد ذره آن يعنى پوزيترون در انرژى هاى بالا صورت مى گيرد. در اين آزمايش الكترون و پوزيترون يكديگر را نابود مى كنند و مطابق معادله اينشتين  E=mc2  انرژى اين ذرات مى تواند به صورت ذرات جديدى (به عنوان مثال ذرات كوارك) ظاهر شود. در اين فرآيند ذرات كوارك در فواصل بسيار نزديك به هم آفريده مى شوند و با سرعت بسيار زيادى از يكديگر دور مى شوند. امروزه مى توان اين فرآيند را به كمك مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه كرد. در حقيقت وقتى كوارك ها مى خواهند از يكديگر دور شوند تحت تاثير نيروى افزايش يابنده برهمكنش قوى قرار مى گيرند (در بخش قبل توضيح داده شد) كه اين نيرو باعث توليد زوج ذرات جديد كوارك مى شود و بدين ترتيب رگبارى از ذرات در جهت كوارك و پادكوارك اوليه توليد مى شود.

با اين حال اين فرآيند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اوليه را در خود نگه مى دارد كه مى توان تاثير آن را بر احتمالات وقايعى كه در رگبار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه كرد. نتايج اين محاسبات با آزمايش  ها توافق زيادى دارد. واقعه بسيار قانع كننده ديگرى كه در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر ۱۹۷۰ يافت شد وجود سه  رگبار در آ زمايشات بود كه اين فرآيند را مى توان با در نظر گرفتن تابش گلوئون از كوارك _ پادكوارك اوليه به خوبى توضيح داد. آزادى مجانبى حتى توانست پديده اى را كه قبلاً در شتاب دهنده استانفورد ديده شده بود توجيه نمايد. اجزاى سازنده پروتون ها كه داراى بار الكتريكى هستند (كوارك ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى كنند در اين حالت اندازه حركت كوارك ها تنها نصف اندازه حركت پروتون ساخته شده از آنها است و بقيه اندازه حركت پروتون ناشى از اندازه حركت گلوئون ها است. 
 

آيا مى توان نيروهاى طبيعت را وحدت بخشيد؟

 

به وجود آمدن امكان توصيف واحد براى نيروهاى طبیعت QCD  يكى از جالب ترين آثار آزادى مجانبى در نظريه است. هنگامى كه نمودار مقدار ثابت كوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمكنش هاى الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى بررسى مى كنيم، اين موضوع آشكار مى شود كه اين سه نمودار يكديگر را در يك نقطه اى با انرژى بالا (به طور تقريبى نه به صورت دقيق) قطع مى كنند و در اين نقطه مقدار يكسانى دارند. بدين ترتيب مى توان ديد كه اين سه نيرو با همديگر يكى شده اند و اين يكى از روياهاى قديمى فيزيكدانان است كه دوست دارند قوانين طبيعت را به ساده ترين زبان ممكن توضيح دهند. با اين حال براى آنكه روياى وحدت نيروها به واقعيت بپيوندد بايد اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. يك راه ممكن در نظر گرفتن ذرات جديدى به اسم ذرات ابرتقارن است كه اگر جرمشان به اندازه كافى كم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت  LHC  در  CERN  بررسى كرد. اگر ابرتقارن كشف شود مى تواند پشتوانه قويى براى نظريه ی همه چیز باشد كه آن نيز شايد بتواند نيروى گرانش را با بقيه نيروها وحدت ببخشد. صرف نظر از اين پيشرفت ها كشف آزادى مجانبى در QCD  تغييرات عميقى را در فهم ما از نيروهاى بنيادين طبيعت به وجود آورده است.

 

 

 

زیر کوانتوم کروموداینامیک

Sub Quantum Chromo dynamics

 

یک زیر کوانتوم کروموداینامیک چیست؟

برای یافتن پاسخ این سئوال باید توجه کرد که همه ی ذرات مورد مطالعه ی فیزیکدانان در نهایت به دو دسته فرمیونها و بوزنها تقسیم می شوند. فرمیونها نظیر الکترون و کوارکها سنگ بنای ماده را تشکیل می دهند . بوزونها حامل نیرو های اساسی طبیعت هستند. اما سئوال اساسی این است که آیا بوزونها و فرمیونها از یک ذره ی واحدی ساخته شده اند یا دو چیز کاملاً متفاوتی هستند؟

در نظریه سی. پی. اچ. همه ی ذرلت شناخته شده و ناشناخته موجود در جهان از ذره ی واحدی به نام سی. پی. اچ. ساخته شده اند. اگر به رابطه جرم-انرژی E=mc2 توجه کنیم، همه ی اجسام قابل تبدیل به انرژی هستند. این اجسام در نهایت از اتمها ساخته شده اند که شامل فرمیونها و بوزونها هستند. از طرف دیگر نوسان یک ذره ی باردار موجب انتشار امواج الکترومغناطیسی می شود که این موج خود حامل دو میدان الکتریکی و مغناطیسی با خواص مختلف است. این میدانها هر یک شامل تعداد زیادی ذره ی فوق العاده کوچکی هستند که میدان الکتریکی و مغناطیسی را شکل می دهند. اما این ذرات بقدری کوچک هستند که نمی توانند بعنوان یک ذره ی باردار قابل مشاهده یا یک آهنربا باشند. بنابراین آنها را بار-رنگ و مغناطیس-رنگ می نامیم که همه ی کوانتومهایی که دارای خواص الکتریکی یا مغناطیسی هستند، از آنها ساخته می شوند. بهمین دلیل آنها را زیر کوانتوم کرومودینامیک می نامیم. بهمین دلیل زیر کوانتوم کرمودینامیک ذراتی هستند که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی از جمله بار-رنگها را تولید می کنند.

 

 

 

امواج الکترومغناطیس، بار - رنگ و مغناطیس-رنگ  

Electromagnetic waves and color charge/magnet

اجازه دهید یک نگاه جدید به رفتار امواج الکترومغناطیسی در میدان گرانشی بیندازیم، این نگرش می تواند در حل این معما مفید واقع شود. همچنانکه می دانیم یک موج الترومغناطیسی از دو میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده است.

 

 

 

 

 

 

همچنانکه نسبیت عام پیشگویی کرده و شواهد تجربی نشان می دهد، فرکانس فوتون در میدان گرانشی تغییر می کند

هنگامیکه یک فوتون در میدان گرانشی سقوط می کند، فرکانس آن افزایش می یابد

در این حالت چه اتفاقی می افتد؟

در مجموع می توان گفت نیروی گرانش روی فوتون کار انجام می دهد. با توجه به رابطه

 

W=DE

 

یک قسمت از کار انجام شده توسط فوتون به انرژی الکتریکی و قسمت دیگر آن به انرژی مغناطیسی تبدیل می شود.

 

 

همچنانکه در بالای صفحه بیان شد، برای این پدیده در فیزیک نظری تا بحال توضیحی ارائه نشده است. بنابراین در اینجا می خواهم این پدیده را با توجه به نظریه. سی. پی. اچ. توضیح دهم.

 

بار-رنگ و مغناطیس-رنگ

هنگامیکه یک سی. پی. اچ. وجود سی. پی. اچ. دیگری را احساس می کند، آنها دارای اسپین می شوند که گراویتون نامیده می شود. یک گراویتون نظیر نیروی الکتریکی رفتار می کند و گراویتون دیگر نظیر نیروی مغناطیسی رفتار می کند، بهمین دلیل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی ظاهر می شود.

 دو گراویتون با جرم m و اندازه حرکت p=mVC در فاصله ی r , یکدیگر را حس کرده و یکدیگر را جذب می کنند. اما چون مقدار سرعت آنها ثابت است، حرکت انتقالی آنها به حرکت دورانی Spin تبدیل می شود. هنگامیکه سی. پی. اچ. دارای اسپین، بصورت بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ ظاهر می شود. در واقع گراویتون به دلیل آنکه دارای اسپین است به یکی از دو صورت بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ وجود دارد.

سی. پی. اچ. ها هنگامی یکدیگر را حس می کنند که با یکدیگر تماس بگیرند (برخورد کنند که در اینصورت به دلیل اسپین یکدیگر را می رانند) یا در فاصله بسیار کمی از یکدیگر باشند نظیر فاصله ای به اندازه ی طول پلانک که تقریباً برابر است با:

 

( Plank Length=1.6x10-35 m)

 

در چنین حالتی بار-رنگ/مغناطیس رنگ آنها روی یکدیگر اثر کرده و با یکدیگر ترکیب می شوند.

 

 

 

گرانش Gravity

 

در نظریه سی. پی. اچ. ، گرانش یک جریان است. این جریان دائمی بین تمام ذرات و اجسام وجود دارد. به عنوان مثال به زمین و ماه توجه کنید.

زمین دارای میدان گرانش است. یک میدان گرانشی از تعداد متنابهی سی. پی. اچ. (گراویتون) تشکیل شده است. پس میدان گرانشی زمین نیز از تعداد بیشماری سی. پی. اچ تشکیل شده است که در اطراف زمین در حرکت هستند.

فرض کنیم زمین منزوی است. یعنی هیچ کنش و واکنشی بین زمین و سایر اجسام وجود ندارد. در این صورت همه ی سی. پی. اچ. هایی که به زمین می رسند، جذب آن شده و از نیروهای موجود در آنجا اطاعت می کنند. اما همچنان که می دانیم زمین منزوی نیست و با سایر احسام کنش متقابل دارد.

نگاهی به زمین و ماه بیندازید. در اینجا دو میدان وجود دارد، یکی میدان گرانشی زمین و دیگری میدان گرانشی ماه. هنگامیکه یک گراویتون به زمین می رسد، گراویتون دیگری زمین را ترک می کند و به دلیل آنکه دارای یک زیر کوانتوم  بار-رنگ یا مغناطیس رنگ است، زمین را به دنبال خود می کشد. تا جاییکه زمین از حوزه عمل این زیر کوانتوم میدان خارج شود.دقیقاً نظیر گلوئون ها (گلوئون به معنی چسب است) که موجب کشیده شدن کوارکها به طرف یکدیگر می شود.

 

معادله بار-رنگ و مغناطیس - رنگ

فرض کنیم دو سی. پی. اچ. با سرعت خطی Vc حرکت می کنند که یکدیگر ار احساس می کنند. آنها یکدیگر را جذب می کنند و با توجه به gradVc=0 آنها دارای اسپین خواهند شد و می توان نوشت:

 

gradVc=0 =>

 

 axi+ayj+azk=0, that ax is accelerating on x axes, ay is accelerating on y axes, az is accelerating on z axes and i, j and k are unit vectors.

 

یعنی مجموع شتاب ها روی سه محور برابر صفر است.

فرض کنیم که سی پی. اچ. روی محور x حرکت انتقالی دارد. اما سرعت امواج الکترومغناطیسی برابر c نسبت به دستگاه لخت می باشد. بنابراین مقدار سرعت آن تنها روی محور های y and z تغییر می کند و شتاب روی محور x صفر است، یعنی:

 

 ax=0

 

تنها شتاب روی دو محور دیگر خواهد داشت بطوریکه  ay+az=0 هنگامیکه:

 

ay0 => az maximum. And ay  maximum=> az0

 

 

 

 

لازم به ذکر است که سی. پی. اچ. ها در ساختمان فوتون (یا هر ذره ی دیگری) با یکدیکر در کنش متقابل هستند و این کنش ها موجب می شود که دائم اسپین آنها تغییر کند. اما سرعت خطی آنها تابع نیروی خارجی موجود در محیط است. بهمین دلیل سرعت امواج الکترومغناطیسی برابر c است. هنگامیکه سی. پی. اچ. ها در کنش با هم قرار گرفتند، یکی از آنها  به بار - رنگ تبدیل می شود و برای آن می توان نوشت:

 

Ec=EcmCosw(t-x/c),

 

که در آن Ec مقدار بار-رنگ است و Ecm مقدار ماکزیمم بار-رنگ است.

برای سی. پی. اچ. دیگر که به مغناطیس-رنگ تبدیل می شود می توان نوشت:

 

Bc=BcmCosw(t-x/c)

 

که در آن Bc مقدار مغناطیس-رنگ است و Bcm مقدار ماکزیمم مغناطیس - رنگ است.

 

 

 

 

 

 

 

 

و برای تعدادی سی. پی. اچ. اختیاری داریم

 

 

E=nEcmCosw(t-x/c)

B=mBcmCosw(t-x/c)

 

هنگامیکه یک فوتون در حال سقوط در یک میدان گرانشی است، تعداد n , m افزایش می یابد. بنابراین شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی یعنی  E and B افزایش می یابد. و این به معنی آن است که تعدادی سی. پی. اچ. وارد ساختمان فوتون می شوند.

 

 

 

یک ذره ی باردار چگونه امواج الکترومغناطیسی منتشر می کند؟

 

همچنانکه می دانیم یک ذره باردار که شتاب داشته باشد، امواج الکترومغناطیسی منتشر می کند. هنگامیکه نیرویی روی ذره ی بار دار کار مثبت انجام دهد، یعنی تعدادی سی. پی. اچ. وارد ساختمان الکترون می شود. در حقیقت نیرو به انرژی تبدیل می شود و به عبارت دیگر بوزونها به انرژی تبدیل می شوند.

 

 

 

 

 

 

اما یک ذره ی باردار می خواهد خواص ذاتی خود را حفظ کند. یک ذره ی باردار از تعدادی بار-رنگ تشکیل می شود، در حالیکه انرژی الکترومغناطیسی از دو شیئی متفاوت یعنی بار-رنگ و مغناطیس-رنگ تشکیل می شود. بهمین دلیل ذره باردار انرژی منتشر می کند.

 

آلفای گرانش

همانطور که در بالا توضیح داده شد، گراویتون بار-رنگ یا مغناطیس-رنگ است. یک گراویتون نظیر ذره ی تبادلی نیروی الکتریکی (فوتون) عمل می کند. بنابراین ما می توانیم با توجه به عدد آلفا مقدار عددی ذره ی تبادلی گرانش را توضیح دهیم. همچنانکه می دانیم عدد آلفا برابر است با

 

برای به دست آوردن ساختار ثابت گرانشی بایستی به نسبت نیروی گرانش و نیروی الکتریکی توجه کنیم. برای اینکار نیروی الکتریکی و نیروی گرانشی بین الکترون و پروتون را در اتم هیدروژن حساب می کنیم. خواهیم داشت:

 

 Fe=kq1q2/r2, Fg=Gm1m2/r2,

بنابراین داریم:

 

 Fg/Fe=10-40

پس:

 

بنابراین  Alfa of gravity is 1/(137x1040) همچنین باید توجه داشت که در رابطه ی آلفا h-bar اسپین فوتون و ثابت است. اما در رابطه ی آلفای گرانش h-bar اسپین گراویتون و برابر 2 است و با توجه به نظریه سی. پی. اچ. اسپین تابعی از شدت گرانشی است.

 

فضا-زمان چگونه انرژی تولید می کند؟


یک کوانتوم انرژی از تعداد زیادی سی. پی. اچ. تشکیل می شود. سی. پی. اچ. ها روی یکدیگر کار انجام می دهند و انرژی تولید می کنند. البته این رویداد هنگامی رخ می دهد که چگالی گرانش بالا است. 
با توجه به اندازه ی فوتون گاما می توانیم چگالی سی. پی. اچ. را در ساختمان فوتون به دست آورد. قطر یک الکترون تقریباً بر
hبر18- 10 متر است. یک فوتون گاما در تولید زوج، یک الکترون و یک پوزیترون تولید می کند. فرض کنیم حجم یک فوتون گاما تقریباً دو برابر حجم الکترون باشد.
 

 


 

 

فرض کنیم چگالی سی. پی. اچ. در ساختمان فوتون به صورت زیر باشد:



De(cph)=n per m3


 

فضا از گراویتون انباشته است. گراویتون ها روی یکدیگر کنش دارند. آنها یکدیگر را جذب می کنند و امواج الکترومغناطیسی تولید می کنند. هنگامی گراویتون ها به انرژی تبدیل می شوند که چگالی آنها به مقدار زیر برسد:



De(cph)=n per m3


بنابراین انتگرال روی فضا از چگالی صفر تا چگالی فوتون، روند تولید انرژی الکترومغناطیسی توسط گرانش است.


 

Integration of gravitons is a projection to production electromagnetic energy
 

به عبارت دیگر نیرو به انرژی تبدیل می شود و انرژی قابل تبدیل به نیرو است. 

 

 

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

آخرین مقالات


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

LEIBNITZ'S MONADS & JAVADI'S CPH

General Science Journal

World Science Database

Hadronic Journal

National Research Council Canada

Journal of Nuclear and Particle Physics

Scientific Journal of Pure and Applied Science

Sub quantum space and interactions from photon to fermions and bosons

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آرشیو موضوعی

اختر فیزیک

اجتماعی

الکترومغناطیس

بوزونها

ترمودینامیک

ذرات زیر اتمی

زندگی نامه ها

کامپیوتر و اینترنت

فیزیک عمومی

فیزیک کلاسیک

فلسفه فیزیک

مکانیک کوانتوم

فناوری نانو

نسبیت

ریسمانها

سی پی اچ

 فیزیک از آغاز تا امروز

زندگی نامه

از آغاز کودکی به پدیده های فیزیکی و قوانین حاکم بر جهان هستی کنجکاو بودم. از همان زمان دو کمیت زمان و انرژی بیش از همه برایم مبهم بود. می خواستم بدانم ماهیت زمان چیست و ماهیت انرژی چیست؟


 

 

free hit counters

Copyright 2013 CPH Theory

Last modified 12/22/2013