برهم کنشهای قوی:

دیدیم که تقارن پیمانه ای، واگراییهای نظریه الکترودینامیک کوانتومی و نظریه الکتروضعیف را حذف کرد. اما آیا تقارن پیمانه ای می توانست راهگشای حذف بینهایتهای برهم کنش قوی نیز باشد؟ سرآغاز نظریه برهم کنشهای قوی به سال 1935 بر می گردد. در این سال، فیزیکدان ژاپنی هیدکی یوکاوا پیشنهاد کرد که پروتونها و نوترونها با کمک نیروی جدیدی به هم فشرده نگه داشته می شوند که با تبادل ذراتی به نام «مزونهای پی» به وجود می آید؛ وی همچنین توانست جرم این ذرات فرضی را پیش بینی کند. یواکاوا اولین شخصی بود که تبادل ذرات سنگین را برای توضیح نیروهای کوتاه برد، لازم دانست. در سال 1947، فیزیکدان انگلیسی سسیل پاول، این مزون را در جریان آزمایشی با پرتوهای کیهانی کشف کرد. جرم این ذره، با آنچه یوکاوا در دوازده سال قبل پیش بینی کرده بود، بسیار نزدیک بود. به پاس کار پیشگام یوکاوا در آشکار کردن اسرار نیروی قوی، جایزه نوبل در 1949 به وی اعطا شد و پاول جایزه نوبل سال بعد را دریافت کرد. با وجود اینکه نظریه مزون با موفقیت بسیار رو به رو شد و قابلیت باز بهنجارش را داشت، اما فیزیکدانان در دهه های 1950 و 1960 با استفاده از شتابدهنده ها، صدها ذره با برهم کنشهای قوی از انواع گوناگونی که اکنون «هادرون» نامیده می شوند را کشف کردند. با وجود صدها هادرون، هیچ کس نمی توانست بفهمد که با کاوش بیشتر هر روز دانشمندان در قلمرو زیراتمی، چرا طبیعت به طور ناگهانی، بیشتر پیچیده می شود.! تا 1958، تعداد ذرات با برهم کنشهای قوی به قدری زیاد شده بود که فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا برای اینکه ردپای آنها را گم نکنند، نشریه ای را حاوی مشخصات آنها منتشر کردند؛ اولین نشریه نوزده صفحه داشت که مشخصات شانزده ذره در آن چاپ شده بود. در سال 1995، نشریه به دویست صفحه رسید که صدها ذره را تشریح می کرد. نظریه یوکاوا، با وجود باز بهنجارش پذیری، بسیار ابتدایی تر از آن بود که بتواند این باغ وحش ذرات را که از آزمایشگاه ها بیرون می آمدند، توضیح دهد؛ ظاهرا قابلیت بازبهنجارش کافی نبود!

اولین نظر قاطع در دهه 1950، توسط یک گروه از فیزیکدانان ژاپنی که سخنگوی آن شوئیشی ساکاتا از دانشگاه ناگویا بود، ارائه شد. گروه ساکاتا، با اشاره به آثار فلسفی هگل و انگلس، نظر داد که باید لایه ای در زیر هادرونها باشد که حتی از تعداد کمتری از ذرات زیر اتمی تشکیل شده است. ساکاتا ادعا که هادرونها باید از سه تا از این ذرات و مزون از دو ذره تشکیل شده باشد. گروه او همچنین پیشنهاد کرد که این ذرات پایه، باید از نوعی تقارن جدید به نام (۳)SU تبعیت کنند. این تقارن، روش ریاضی را که این سه ذره باید به هم آمیخته شوند، تشریح می کند. تقارن ریاضی  (۳)SU به ساکاتا و گروه او اجازه داد تا پیش بینیهای ریاضی دقیقی درباره لایه موجود در زیر هادرونها به عمل آورند. مکتب ساکاتا، با تکیه بر اصول فلسفی و ریاضی، استدلال کرد که ماده باید از یک دسته بینهایت از این لایه ها، تشکیل شده باشد؛ این نظریه گاهی نظریه دنیاهایی در میان دنیاها نامیده می شود. طبق نظریه ماتریالیسم دیالکتیک، هر لایه از واقعیت فیزیکی، از برهم کنش قطبها آفریده می شود؛ به عنوان مثال، برهم کنش ستاره ها، کهکشانها را به وجود می آورد. برهم کنش بین سیاره ها و خورشید، منظومه شمسی را خلق می کند. برهم کنش بین الکترون و هسته، اتم را به وجود می آورد و بالاخره، برهم کنش بین پروتونها و نوترونها، هسته را می آفریند.

کشف غیر منتظره بعدی، بر پایه این عقیده که لایه ای در زیر هادرونها وجود دارد، در اوایل دهه شصت به دست آمد. موری گلمان از انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا و فیزیکدان اسرائیلی یووال نیمن نشان دادند که این صدها هادرون، در ردیف های هشت تایی جای می گیرند. گلمان، این نظریه ریاضی را «راه هشت گانه» نامید؛ نامی که از طریق وصول عقل محض در مکتب بودایی ها اقتباس شده بود. بعدها گلمان و جرج تسوایگ، نظریه کامل را پیشنهاد کردند. آنها کشف کردند که موضوع راه هشت گانه، از وجود ذرات زیر هسته ای ریشه می گیرد. (گلمان، آنها را با الهام از یک داستان جیمز جویس به نام مراسم عزاداری فینگن «کوارک» نامید!) این ذرات از تقارن  (۳)SU پیروی می کنند که مکتب ساکاتا، سالها قبل پیشگام آن بود. گلمان دریافت که با درنظر گرفت ترکیبات ساده ای از سه کوارک، می تواند به طرز معجزه آسایی صدها ذره ای را که در آزمایشگاه ها کشف شده بودند، توضیح دهد و مهمتر از آن، وجود ذرات کشف نشده ای را پیش بینی کند. به این ترتیب، او یک اشتباه کوچک ولی مهم را در نظریه ساکاتا تصحیح کرد. در واقع، با ترکیب مناسب این سه کوارک، گلمان توانست عملا تمام ذراتی را که در آزمایشگاه ها به ظهور رسیده بودند، توضیح دهد. به پاس سهمی که گلمان در فیزیک برهم کنشهای قوی داشت، جایزه نوبل سال 1969 به او اهدا شد.

در همین سالها و در اوایل دهه هفتاد، هیجان برخاسته از نظریه الکتروضعیف به سوی الگوی کوارک سرازیر شد. اما با وجود موفقیتی که نصیب الگوی کوارک شد، هنوز موضوع دیگری باقیمانده بود؛ نظریه بازبهنجارش پذیر و رضایت بخشی که بتواند نیروی نگه دارنده این کوارک را توضیح دهد، وجود نداشت! با وجود نتایج به دست آمده، عملا یک اتفاق نظر جهانی وجود داشت که نظریه یانگ میلز می تواند با موفقیت، کوارکها را در یک چارچوب بازبهنجارش پذیر، پیوند دهد. در پاره ای از شرایط، یک ذره یانگ میلز که «گلوئون» نام دارد، می تواند همانند یک ماده چسبناک، کوارکها را بهم متصل کند. این نیرو، «رنگ» نام دارد و نظریه منتج از آن «کرومودینامیک کوانتومی» نام گرفته است. حال مسئله بعدی که پیش روی فیزیکدانان قرار گرفته بود؛ این بود که آیا می توان یک نظریه واحد برای برهم کنش های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی به وجود آورد؟

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ