تحقیق مقاله بحران فیزیک مدرن و نظریه های نوین

مقدمه
مکانیک کوانتوم با ذرات زیر اتمی سروکار دارد که خواص و روابط آنها را مورد بررسی قرار می دهد. این ذرات مجموعه ای از کوانتومهای مختلف ماده، انرژی و نیروها هستند. فرمیونها سنگ بنای ماده را تشکیل می دهند و بوزونها موجب پیوند یا گسستگی فرمیونها می شوند. در هر صورت با هر عنوان و طبقه بندی که به این ذرات بنگریم، از یکدیگر جدا و گسسته اند. در حالیکه فضا-زمان کمیتی پیوسته است. آن گسستگی با این پیوستگی سازگار نیست. کوششهای زیادی انجام شده تا این دو نظریه بزرگ علمی را سازگار سازد

 در این راستا نظریه های مختلفی مانند نظریه کوانتوم لوپ، نظریه ریسمانها و نظریه هگز بوزون مطرح شده اند. نظریه ریسمانها و هگز بوزون در میان سایر نظریه ها از اهمیت بیشتری برخوردار است. نظریه ریسمانها در دهه ی 1920 مطرح شده و در 80 سال گذشته کارهای زیادی توسط فیزیکدانان انجام شده تا نظریه ریسمانها جایگزین مناسبی برای مکانیک کوانتوم و نسبیت باشد. در این دوره ی طولانی بارها به بن بست رسیده و طرفدارانش با ارائه ی توجیحات جدید تلاش کرده اند آن را به گونه ای جدید مطرح کنند. نظریه هگز بوزون به دهه ی 1960 بر می گردد که هنوز با مشکلات عدیده ای سروکار دارد و طرفدانش نتوانسته اند این مشکلات را برطرف سازند

آخرین نظریه، نظریه سی. پی. اچ. است. هرچند زمان مطرح شدن نظریه سی. پی. اچ. ئر ایران به اواخر دهه ی 1980 بر می گردد، اما کمتر از دو سال در خارج از کشور و کمتر از یک سال در ایران بطور جدی مطرح شده است. با این عمر کوتاه، از حالت نهالی نوپا در آمده و توانسته بصورت یک نظریه انقلابی و سرنوشت ساز جایگاه ویژه ای برای خود فراهم سازد و در مقابل نظریه های مختلف ایستادگی کند. در این فصل هر سه نظریه مورد بحث قرار می گیرد

 محدودیت ها

بشر همواره در تلاش بوده تا یک ارتباط منطقی بین اجسام بزرگ نظیر زمین و خورشید و ذرات ریز که بعدها اتم و ذرات زیر اتمی خوانده شد بیابد. نمونه بارز این تلاشها را می توان در نظریه اتمی دموکریتوس و عناصر چهار گانه آب، آتش، خاک و هوا مشاهده کرد. اما تمام این کوششها بیشتر جنبه ی فلسفی داشتند و با برداشت امروزی که از علم داریم، دارای اعتبار علمی نبودند. نخستین کوشش علمی را می توان در آزمایشهای گالیله مشاهده کرد که بعداً توسط نیوتن بیان و شالوده ی فیزیک را تشکیل داد.

پس از اثبات نظریه اتمی ماده و مشاهده اینکه اتم خود نیز از ذرات دیگری تشکیل شده، تلاشهای زیادی صورت گرفت تا قوانین حاکم بر جهان اجسام بزرگ را به ذرات زیر اتمی تعمیم دهند که مدل اتمی بور یک نمونه ی بارز این تلاشها است.

بعدها که مکانیک کوانتوم مطرح و ذرات زیر اتمی مورد بررسی دقیق قرار گرفت، مشخص شد که مکانیک کوانتوم نظریه ساده ای نیست و نمی توان رفتار ذرات زیر اتمی را با اجسام بزرگ مقایسه کرد. رفتار اجسام بزرگ بخوبی در مکانیک کلاسیک قابل توضیح می باشد. اما برای توضیح ذرات در مکانیک کوانتوم به یک بینش جدید نیاز است.

پایه بینش جدید

برای شکل دادن به پایه بینش خود در مکانیک کوانتوم، باید به خصوصیات مولکولها، اتمها و سایر ذرات زیر اتمی توجه کرد. این ذرات بسادگی و با سرعت زیاد از مکانی به مکان دیگر حرکت می کنند و همین امر پایه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را تشکیل می دهد.

QM1

ذرات، نقاط مادی اجسام بزرگ نیستند که با سرعت ثابت حرکت می کنند.

 QM2

ذرات دارای یک ویژگی مشترک می باشند که آنرا اسپین می نامیم و به حالت های زیر قابل تقسیم است:

اگر ذره در یک حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین صفر است

اگر ذره در دو حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک دوم است

اگر ذره در سه حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین یک است

اگر ذره در پنج حالت بتواند بماند می گوئیم دارای اسپین دو است

 فرمیونها و بوزونها

ذراتی که دارای اسپین درست (صفر، یک و دو) هستند، بوزون نامیده می شوند.

ذراتی که دارای اسپین نادرست (یک دوم و سه دوم.. ) هستند، فرمیون نامیده می شوند.

در مکانیک کوانتوم نیروها توسط بوزون ها حمل می شوند

فوتون با اسپین یک نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کند

Vectorboson (W,Z)   

با اسپین یک نیروی هسته ای ضعیف را حمل می کند

Gluon (A)

با اسپین یک حامل نیروی هسته ای قوی است.

همچنین گراویتون با اسپین دو حامل نبروی گرانش است که تا به حال مشاهده نشده است.

 SR1

علاوه براین یک محدودیت دیگر بر رفتار ذرات اعمال می شود که ناشی از نسبیت خاص است که به موجب آن هیچ جسم یا ذره ای نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند و این محدودیت مدل استاندارد است.

  Quantum Field Theory, QFT

 به طور کلی می توان گفت که نظریه میدان کوانتومی بر پایه:

 QM1, QM2, SR1

شکل گرفته است.

 نسبیت عام

در مدل استاندارد ساختمان ماده مورد بررسی قرار می گیرد و نیروهایی مورد بحث قرار می گیرند که در هنگام بررسی اجسام خنثی شده اند. نیروهای هسته ای برد کوتاهی دارند و نیروی الکترومغناطیسی نیز در ساخمان ماده خنثی شده اند. بنابراین ما در مکانیک کوانتوم نمی دانیم چرا سیب سقوط می کند و این پدیده در نسبیت عام مورد توجه و توضیح قرار می گیرد.

در نسبیت عام گرانش یک نیروی اساسی نیست و اثر هندسی ماده بر فضای اطراف است. بنابر نسبیت عام، ماده به فضای اطراف خود انحناء می دهد.

 Unified Field Theory

 تلاشهای زیادی انجام شده است که مکانیک کوانتوم و نسبیت عام را ادغام کرده و به عنوان یک نظریه واحد بیان کند که آنرا unified Field Theory   می نامند. در واقع

Unified Field Theory

باید با مدل استاندارد تطبیق کند و بتواند نسبیت عام را نیز شامل شود.

  19-2

String Theory

در نظریه ی ریسمان به جای اینکه هر ذره را مستقل در نظر بگیریم به صورت رشته ای پیوسته با شکلهای مختلف درنظر میگیریم , مثلا الکترون را می توان مانند یک النگو رشته ای بدانیم که دو سرش بهم گره خورده و حلقه دایره ای تشکیل داده است.

 علت بوجود آمدن این نظریه این بود که گرانش با کوانتوم مشکل دارد. همچنانکه گفته شد در دنیای ما چهار نیروی اصلی الکترومغناطیسی، هسته ای قوی، هسته ای ضعیف و گرانشی وجود دارد. سه نیروی اول به ترتیب می توانند با هم در انرژیهای بالا متحد شوند و یک نظریه واحد داشته باشند. یعنی انشعاباتی از یک نظریه ی اصلی باشند. اصطلاحاٌ می گویند این سه نظریه در انرژیهای بالا تقارن دارند و در انرژیهای معمولی دچار شکست خودبخودی تقارن می شوند. اما چهارمین نیروی اصلی یعنی گرانش دو مشکل اساسی دارد. یکی وحدت نیافتن با سه نیروی دیگر و دیگر اینکه اگر ذرات را نقطه ای در نظر بگیریم، سطح مقطع برهم کنش نیروی گرانشی بین دو ذره ی نقطه ای که بهم نزدیک می شوند طبق نظریه ی کوانتومی بی نهایت بدست می آید. از اینرو ذرات بصورت ریسمانهای یک بعدی در نظر گرفته شدند. مثلا الکترون یا کوارکها همگی ریسمانهای بسته و حلقوی با شکلهای مختلفند.

  در این تصورجدید، دیگر برهم کنش ذرات در زمان و مکان خاص رخ نمی دهد بلکه شما دو حلقه دارید که در فضا بهم نزدیک می شوند و با عکسبردای تخیلی یک پوسته به شکل شلنگ نمایش داده می شود.

 مثل اینکه دو شلنگ بهم برخورد کرده باشند و دو شلنگ جدید بوجود آورده باشند. در این نظریه هم وحدت میسر است و هم بینهایتهای گرانش کوانتومی برطرف می شود.

  اما در واقع یک ریسمان از چه چیزی ساخته شده است؟

یک ریسمان یک مقدار کوچک انرژی است و در اینجا هیچ چیزی کوچکتر از این مقدار انرژی نیست.

ابعاد اضافی

نظریه ی ریسمان ادعا می کند که دنیای ما ده بعدی است. یعنی نه بعد مکانی و یک بعد زمانی دارد. این برخلاف تجربیات ماست. یعنی ما فکر می کنیم که در دنیایی با سه بعد مکانی و یک بعد زمانی زندگی می کنیم. به همین دلیل توجیه می کند که شش بعد اضافی در واقع در دنیای ما وجود دارند ولی فشرده شده اند. فشرده شدن یعنی اینکه مثلا شما یک شلنگ را از فاصله ی دور بصورت یک بعدی می بینید اما از نزدیک بصورت یک استوانه ی دو بعدی. 

 عقیده چنین است که درجات آزادی بار الکتریکی یک الکترون شامل ابعاد اضافی بیشتری خواهد بود. اصل اینکه فشردگی ابعاد ممکن است ما را به یک نظریه یکسان سازی رهنمود شود، جدید نیست و به دهه یکهزارو نهصد و بیست و به نظریه های کالوتسا و کلین بر می گردد، از این رو نظریه ریسمان نهایت نظریه کولتسا-کلین است

برای سادگی، معمولاً فرض می شود که این شش بعد اضافی به شش  حوزه پیچیده شده اند

 پوسته ها

یک پوسته چیزی است که یک ریسمان روی آن قرار دارد. فرض کنیم یک پوسته یک فضای سه بعدی است(مانند فضای ما). بعد فرض کنیم میدانها روی این پوسته ها هستند. فوتون روی این پوسته هاست و شش بعد دیگر تاریک است. فوتون فقط روی این پوسته ها زندگی می کند. و ما ابعاد اضافی را نخواهیم دید.

همچنین گراویتون در همه ی فضا وجود دارد. کنش ذرات با گراویتون در نه بعد انجام می شود. اثر گراویتون در این ابعاد اضافی آنقدر کوچک است که ما فقط آثار گرانش را مشاهده می کنیم.

 M-Theory

نظریه های مختلفی تحت عنوان نظریه ریسمانها ارائه می شود که توضیحات متفاوتی از یک پدیده فیزیکی می دهند. در حقیقت پنج نوع نظریه ریسمانها وجود دارد:

Type I, Type IIA, Type IIB, Heterolic E8, Heterolic SO32

دو نوع E8, SO32   مخلوط نوع دو و نظریه ریسمان بوزونیک هستند.

 اشکالات نظریه ریسمانها

جوابهایی که برای ریسمانهای موجود در ابعاد R بدست می آید در ابعاد R-1 هم بدست می آید. یعنی اصطلاحا ابعاد بزرگ و کوچک خواص مثل هم دارند که بطور بدیهی غلط است.

می دانیم که دما حداقل دارد ولی نظریه ی ریسمان می گوید علاوه بر این حداقل دمایی، یک حداکثر هم وجود دارد که این نیز غلط است.

همچنین هیچ دلیلی ارائه نمی شود که اگر همه چیز از ریسمانها تشکیل شده اند، پس چرا ذرات (به عنوان مثال الکترون و فوتون ) دارای سرعت مختلف هستند؟

در حالیکه در نظریه سی. پی. اچ. این اشکالات وجود ندارد.