نام‌نویسی
پس از تکمیل اطلاعات زیر، گذرواژه برای شما ارسال می‌شود.

احتمالا مقاله‌های قبلی در مورد “فیزیک ذرات” و “سفر به مرکز عالم” و… را مطالعه کردید (اگر نه به هیچ عنوان این مطالب رو از دست ندهید). حال ویندوزسنتر تصمیم گرفت مطلب جالبی را برای شما عزیزان تحت عنوان “از کوارک تا کوازار” که سفری دیگر به عالم است، بیاورد. با ما همراه باشید.

از کوارک تا کوازار

از کوارک تا کوازار!!!

ستاره‌ها عظیم‌اند و از فاصله‌های دور با چشم غیر مسلح دیده می‌شوند. این در تعارض آشکار با اجزای بنیادی آن‌هاست، یعنی با ذراتی که در نهایت اتم‌ها را می‌سازند. حدود یک میلیارد اتم را باید پشت به پشت، روی هم چید تا به قد شما برسد؛ همین تعداد آدم را باید پا به سر روی هم چید تا قطر خورشید بشود. بنابراین، مقیاس اندازه انسان، به تقریب، در نیمه راه بین مقیاس خورشید و اتم است. ذره‌هایی که اتم را می‌سازند – الکترون که ناحیه بیرونی و کوارک‌ها که دانه‌های نهایی هسته مرکزی‌اند – خود، در مرتبه‌ی تقریباً یک میلیارد بار، کوچک‌تر از کل اتم‌اند.

قد انسانِ بالغ، اندکی کمتر از دو متر است. برای بیشتر چیزهایی که در این مقاله به آن برخواهیم خورد، مرتبه‌ی بزرگی بسیار مهم‌تر از مقدار دقیق است. بنابراین مقیاس انسان‌ها را در «مرتبه‌ی بزرگی»، در حدود یک متر فرض می‌کنیم (این یعنی اینکه ما بسیار بزرگتر از  یا  و همینطور بسیار کوچک‌تر از  هستیم). در مقیاس‌های بزرگِ اخترشناسی، شعاع زمین را داریم، حدود (یعنی عدد یک با هفت صفر جلوی آن)؛ شعاع خورشید  است؛ شعاع مدار زمین حول خورشی د است(یا برحسب یکای خواندنی‌تر، 100 میلیون کیلومتر). برای ارجاع‌های بعدی توجه کنید که ابعاد نسبی زمین و خورشید و مدار زمین، مضرب‌هایی در حدود 100 از یکدیگرند.

تصور فاصله‌های بزرگ‌تر از این بر حسب متر دشوار است زیرا تعداد زیادی صفر لازم است؛ از این‌رو از یکای جدیدی استفاده می‌شود: سال نوری. نور با سرعت 300.000 کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند. این سرعتِ خیلی زیادی است اما بینهایت نیست؛ نور، 30 ثانتی‌متر را که در حدود بزرگی کف پا است، در یک نانو ثانیه، ، می‌پیماید. کامپیوترهای مدرن با این مقیاس زمانی کار می‌کنند. چنین زمان خردی، وقتی به درون اتم برویم، مهم می‌شود. فعلاً رهسپار حد نهایی دیگری می‌شویم – فاصله‌های بسیار زیاد کیهانی و زمان‌های درازی که لازم است تا نور از کهکشان‌های دوردست به چشم ما برسد.

نور فاصله‌ی 150 میلیون کیلومتریِ خورشید تا زمین را در 8 دقیقه می‌پیماید تا به ما برسد؛ بنابراین، گوییم که خورشید 8 ثانیه‌ی نوری از ما فاصله دارد. یک سال طول می‌کشد تا نور  را بپیماید. به این فاصله، یک سال نوری می‌گویند. وسعت کهکشان راه شیری  یا حدود 100.000 سال نوری است. کهکشان‌ها بصورت خوشه‌ای گرد هم می‌آیند. وسعت این خوشه‌ها بیش از 10 میلیون سال نوری است. این خوشه‌ها نیز با هم جمع می‌شوند و اَبَرخوشه‌ها را می‌سازند که وسعت آن‌ها حدود 100 میلیون سال نوری است. این عددهای واقعی چندان مهم نیستند، اما به این نکته توجه کنید که عالم همگن نیست بلکه انبوهه‌ای از ساختارهای متمایز است؛ ابرخوشه‌ها، خوشه‌های کهکشان‌ها، و کهکشان‌های تنها مانند کهکشان خود ما؛ هر ساختار حدود  ساختار پیشین است. بعداً که ما وارد جهان خرد می‌شویم یکبار دیگر با چنین لایه‌های ساختاری روبرو خواهیم شد اما در مقیاسی بسیار تهی‌تر، نه  بلکه کم و بیش.

حال که سفری به فضای بزرگ‌مقیاس کردیم، بد نیست که جهت معکوس را هم به سوی دنیای خرد اتم‌ها و ساختار درونی آن‌ها در پیش گیریم. به چشم غیر مسلح می‌توان، برای مثال، ذره‌های غبار را از هم تفکیک کرد که به کوچکی یک دهم تا یک صدم میلی متر،  تا  اند. این حد بالای اندازه‌ی باکتری‌هاست. نور، نوعی موج الکترو مغناطیسی است و طول موج نور مرئی که در رنگین کمان دیده می ‌شود، در گستره‌ی دید است. اتم‌ها هزار بار از این کوچک‌تراند: در حدود. اتم‌ها، به دلیل اینکه بسیار کوچک‌تر از طول موج نور مرئی‌اند، از دسترس بینیایی معمولی ما بیرون‌اند. در زمین همه چیز از اتم ساخته شده است. هر عنصری دارای کوچک‌ترین جزءِ خود است، بسیار کوچک‌تر از آنکه بتوان با چشم دید. با این حال، واقعی‌اند، زیرا ابزارهای خاصی می‌توانند آن‌ها را نشان دهند.

اتم از ذرات ریزتری ساخته شده است. الکترون‌ها در ناحیه‌ی بیرونی اتم می‌گردند؛ در وسط، هسته‌ی سنگین و فشرده اتم قرار دارد. هسته ساختار خودش را دارد که شامل پروتون‌ها و نوترون‌هاست. این ذره‌ها به نوبه خود از ذرات خیلی کوچک‌تری ساخته شده‌اند: «کوارک‌ها». کوارک و الکترون اجزای سازندۀ ماده است که در زمین می‌یابیم.

قطر اتم در حدود 10 به توان منفی 15 است. پس باید نسبت به تشبیه اتم به یک منظومه خورشیدی مینیاتوری با «الکترون‌هایی سیاره-مانند» که بر گرد «هسته‌ی خورشید-مانند» می‌گردند، هشیار بود. در منظومه شمسی واقعی یک فاکتور بین اندازه‌ی مدار ما و اندازه‌ی خورشید مرکزی وجود دارد؛ اتم بسیار تهی‌تر است. نسبت میان ابعاد هسته‌ی مرکزی و شعاع اتم است. این تهی بودن ادامه دارد. پروتون و نوترون، تنها قطری در حدود  دارند و از ذرات ریزتری به نام کوارم ساخته شده‌اند. اگر کوارک و الکترون هم اندازه‌ای ذاتی داشته باشند، آن‌قدر کوچک است که نمی‌توانیم آن را اندازه بگیریم. تنها چیزی که با اطمینان می‌توان گفت این است که بزرگ‌تر از  نیست. بنابراین در اینجا هم می‌بینیم که اندازه‌ی نسبی کوراک به پرتون (حداکثر) در حدود  است. در مورد الکترون «سیاره مانند» نسبت به پروتون «خورشید مانند» نیز این نسبت درست است:  به جای فقط  در منظومه شمسی واقعی. پس دنیای درون اتم به طرزی باورنکردنی تهی است.

برای اینکه تصوری از این نسبت‌ها داشته باشیم؛ بزرگ‌ترین چاله‌ای را در نظر بگیرید که ممکن است در زمین گلف پیدا کرد، مثلاً 500 متر. نسبت طول این چاله به قطر سوراخ کوچکی که سرانجام توپ را در آن قرار خواهید داد، حدود 10000 به یک است و از این رو، مانند نسبت شعاع اتم هیدروژن به هسته مرکزی، پروتون است.

همان‌طور که نوشتن فاصله‌های بزرگ بر حسب متر بدریخت است، بیان ابعاد زیر میکروسکوپی اتم و ساختار هسته اتم بر حسب متر بدریخت و دشوار است. در حالت نخست، سال نوری را شناساندیم. در حالت دوم معمول است که از انگستروم، A° – 1 انگستروم =  (در حدود اندازه اتم‌های ساده) – و فرمی (fm)، استفاده شود. پس انگستروم یکای مناسیب برای انادزه‌گیری ابعاد اتم‌ها و ملکول‌هاست، و فرمی برای هسته‌ها و ذرات طبیعی‌تر است (انگستروم و فرمی به ترتیب دانشمندان مشهور اتمی و هسته‌ای قر‌های 19 و 20 بودند).

چشم‌های ما اشیایی در مقیاس انسان را می‌بینند؛ نیاکان ما حواسی را پروراندند که از آنان در مقابل جانوران وحشی حراست می‌کرد و به چشم‌هایی نیاز نداشتند که کهکشان‌هایی را مشاهده کنند که امواج رادیویی گسیل می‌کنند یا اتم‌ها و DNA را ببینند. امروزه می‌توانیم به یاری ابزار، حواس خود را گسترش بدهیم: تلسکوپ برای بررسی اعماق فضا و میکروسکوپ برای آشکار کردن باکتری‌ها و ملکول‌ها. «میکروسکوپ‌های» خاصی برای آشکار کردن فاصله‌های کوچک‌تر از اتم داریم: نقش شتاب‌دهنده‌های ذرات پرانرژی همین است. با چنین ابزاری می‌توان طبیعت را در بازه‌ی گسترده‌ای از فواصل آشکار ساخت.

عالم به روایت دما و زمان

امروزه عالم بر این روال است اما همیشه بدین قرار نبوده است. عالم، آن‌گونه که می‌شناسیم از مهبانگی سوزان آغاز شد که اتم‌ها تاب گرمای آن را نداشتند. امروزه در حدود 14 میلیارد سال بعد، عالم در کل بسیار سرد است و اتم‌ها می‌توانند در آن دوام آورند. در عالم نقاط سوزانی مانند ستاره‌های شبیه خورشید، وجود دارد و ماده در آن نقاط با ماده‌ای که اینجا، روی زمینِ نسبتاً سرد یافت می‌شود، متفاوت است. حتی می‌توان شرایط ویژه‌ی لحظاتِ بلافاصله پس از مه‌بانگ را در آزمایش‌هایی با شتاب‌دهنده ذرات، شبیه‌سازی کرد و دید که چگونه اجزاءِ بنیادی ماده در آغاز بوجود آمدند. اما اگر شکل ماده در فضا و زمان تغییر می‌کند؛ اجزاءِ بنیادی آن بدون تغییر می‌مانند. اینکه ماده در سرما(اکنون)، در گرما(چنان که در خورشید و ستاره‌ها) و در گرمای بی‌حد (چنان که درست پس از مهبانگ) به چه صورتی نمایان می‌شود موضوع این بحث است.

در فیزیک بزرگ مقیاس، حساب انرژِ را برحسب ژول نگه می‌داریم و یا در صنایع بزرگ، مگاژول و تراژول. در فیزیک اتمی، هسته‌ای و ذرات، انرژی‌ها در مقایسه، ناچیزاند. اگر یک الکترون، که بار الکتریکی دارد، در میدان الکتریکی یک باطری یک ولتی شتاب گیرد ژول انرژی بدست خواهد آورد. حتی هنگامی که الکترون با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، مثلاً در شتاب‌دهنده CERN در ژنو، انرژی آن فقط به حدود  ، یک صدمِ یک میلیونم ژول می‌رسد. یک چنین اعداد کوچکی دردسر ایجاد می‌کند و بنابراین رسم بر آن است که از مقیاس دیگری استفاده شود که «الکترون ولت» یا eV نام دارد. پیش‌تر گفتیم که اگر الکترون به وسیله‌ی میدان الکتریکی یک باطری یک ولتی شتاب داده شود به اندازه  انرژی به دست می‌آورد، و این انرژِ بنا به تعریف ما، یک الکترون ولت است.

حالا حساب و کتاب انرژی‌هایی را که در فیزیک زیراتمی مطرح است می‌شود سامان داد. به  می‌گوییم یک کیلو الکترون ولت KeV 1 یا ، یک میلیون (مگا) را MeV 1، یک میلیارد (جیگا) را GeV 1 می‌نامیم و آخرین آزمایش‌ها به ناحیه‌ی «تِرا» یا TeV 1 وارد شده‌اند.

رابطه مشهور اینشتین می‌گوید انرژی را می‌توان با جرم مبادله کرد و برعکس؛ نرخ مبادله c2 یا مربع سرعت نور است. جرم الکترون  است. باز هم عددهایی از این دست بدریخت‌اند. بنابراین با استفاده از جرم و انرژی را هم‌جنس می‌کنیم، آن وقت انرژی یک تک الکترونِ در حال سکون مقدادی در حدود   می‌شود؛ ما بور سنتی جرم آن را به صورت  می‌نویسیم. جرم پروتون در این یکاها است که به تقریب  است.

انرژی با دما هم عمیقاً مرتبط است. اگر تعداد بسیار زیادی ذره داشته باشیم که به هم‌دیگر برخورد کنند و انرژی از یکی به دیگری منتقل شود به طوری که مجموعه در دمای ثابت معینی باشد، میانگین انرژی هر ذره را می‌توان برحسب eV (یا KeV و غیره) بیان کرد. دمای اتاق در حدود  یا  است. شاید آسان‌تر باشد که سنجه‌ی  را به کار ببریم( K یعنی کلوین، سنجه‌ی مطلق دما، صفر مطلق؛ K 0  مساوی 273- درجه سلسیوس است و دمای اتاق در حدود K 300 است).

موشکی را با انرژی کافی رو به بالا پرتاب کنید، موشک می‌تواند از ربایش(جاذبه‌ی) گرانشی زمین بگزرد؛ اگر به الکترون هم به اندازه‌ی کافی انرژی بدهید می‌تواند از جاذبه‌ی الکتریکی هسته‌ی اتم بگریزد. در بسیاری از ملکول‌ها، الکترون‌ها با انرژی معادل کسری از eV آزاد می‌شوند؛ بنابرایت دمای اتاق می‌تواند برای این کار کفایت کند. انرژی‌هایی در این حدود سرچشمه‌ی شیمی، بیولوژی و حیات‌اند. اتم هیدروژن انرژی‌های کم‌تر از eV 1  را تاب می‌آورد، که بر حسب دما از مرتبه  است. با چنین دماهایی معمولاً در زمین روبرو نمی‌شویم (به جز موارد خاصی مانند کوره‌های صنعتی، چراغ‌های قوس کربن و ابزارهای علمی) از این‌رو در اینجا اتم‌ها به صورت‌های متادول ماده‌اند. اما در مرکز خورشید، دما در حدود  یا برحسب انرژی، KeV 1 است؛ اتم‌ها چنان شرایطی را تاب نمی‌آورند.

در دماهای بیش از انرژی به میزانی در دسترس است که می‌تواند به ذراتی مانند الکترون تبدیل شود. جرم الکترون تنها است، پس انرژی لازم است که به صورت یک الکترون «لخته» شود. همان‌طور که بعداً خواهیم دید، این کار نمی‌تواند خود به خود روی دهد؛ الکترون و هم‌زاد پادماده آن – پوزیترون – باید به صورت جفت با هم خلق شوند. بنابراین برای خلق «الکترون-پوزیترون» به  انرژی نیاز است. هم چنین، برای تولید یک پروتون و پادپروتون آن انرژی لازم است. امروزه ایجاد یک چنین انرژی‌هایی در آزمایشگاه‌های هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات آسان است؛ در عالم آغازین آن‌ها صورت متداول ماده بودند و در آن لحظه‌های نخستین بود که ذره‌های بنیادی ماده (و پادماده) به وجود آمدند.

دیده می‌شود که کهکشان‌ها از هم می‌گریزند و از این رو عالم انبساط پیدا می‌کند. از آهنگ انبساط می‌توان سناریو را در جهت معکوس اجرا کرد و نتیجه گرفت که در حدود 14 میلیارد سال پیش عالم باید سخت در خود فشرده می‌بود. فوران انفجار از حالت فشرده را مهبانگ می‌نامیم. در آن حالت آغازین، عالم باید بسیار داغ‌تر از حالا بوده باشد. امروز عالم در تابش میکروموجی با دمای حدود K 3 غوطه‌ور است. ترکیب این مطلب و تصویر انبساط پس از مهبانگ، معیاری از دمای عالم برحسب زمان به دست می‌دهد.

در یک میلیاردم ثانیه پس از مهبانگ آغازین، دمای عالم از  یا به زبان انرژی از هم بیشتر بود. در چنین انرژی‌هایی ذره‌ها و پادذره‌ها، و از جمله گونه‌های غیرمعمولی که امروزه نایاب‌ هستند، تولید شدند. بیشترشان تقریباً در آنی از میان رفتند و تابش و تعداد بیشتری ذره بنیادی مانند الکترون‌ها و کوارک‌های به جا مانده را تولید کردند که ماده‌ی امروزی را می‌سازند.

عالم پیرتر و سرد شد، در ابتدا بسیار سریع‌تر. بعد از یک میلیونم ثانیه، کوارک‌ها سه تا سه تا گرد هم آمدند و از آن پس به همان صورت باقی‌ماندند. به این طریق پروتون‌ها و نوترون‌ها زاده شدند. پس از حدود 3 دقیقه، دما به حدود  یا برحسب انرژی، کاهش یافت؛ این دما به اندازه‌ی کافی «سرد» است که در آن پروتون‌ها و نوترون‌ها به هم بچسبند و تخمه‌های هسته‌های (هنوز ناکامل) عنصرهای اتمی را بسازند. چند هسته سبک مانند هلیوم و رگه‌هایی از بریلیوم و بور، به وجود آمد. پروتون‌ها که پایدار بودند و از همه ساده‌تر فراوان‌تر از بقیه بودند و تحت گرانش به صورت توپ‌های کروی، گرد هم آمدند که آن‌ها را ستاره می‌نامیم. در این ستاره‌ها بود که هسته‌ی عنصرهای سنگین در طول میلیاردها سال باید پخته می‌شد. در این ستاره‌ها پروتون‌ها به هم برخورد کردند و دور هم جمع شدند و از طریق یک زنجیره فرایند، بذر هسته‌ایِ عنصرهای سنگین را ساختند: نخست هلیوم و سرانجام عناصر سنگین‌تر مانند اکسیژن، کربن و آهن. هنگامی که این ستاره‌ها منفجر می‌شوند و می‌میرند، این تخمه‌های هسته‌ای را در کیهان می‌پراکنند. منشأ کربن پوست شما و اکسیژن هوا از اینجاست.

خورشید اینک نخستین بخش این داستان را سپری می‌کند. 5 میلیارد سال است که پروتون‌ها را به هسته‌ی هلیوم تبدیل می‌کند و تا کنون نیمی از سوخت خود را مصرف کرده است. این کار در دل خورشید صورت می‌گیرد که دمای آن به اندازه‌ی دمای عالم موقعی که از همرش فقی چند دقیقه می‌گذشت، است. بنابراین خورشید امروز کاری را می‌کند که کل عالم مدت‌ها پیش انجام داده است.

اتم‌ها دمای خورشید را نمی‌توانند تاب بیاورند؛ همان‌طور که در عالم آغازین هم تاب نیاوردند. 300.000 سال گذشت تا اینکه عالم به اندازه کافی سرد شد و هسته‌ها توانستند الکترون‌های پراکنده را به دام اندازند و اتم را بسازند. چیزی که امروز روی زمین روی می‌دهد.

برگرفته از کتاب فیزیک ذرات

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Developed by Nasour Naghipour