نیروهای اساسی و امواج گرانشی

گرانش یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت است که ماهیت عمل آن نظیر سایر نیروها است, با این تفاوت که بسیار ضعیف تر از آنها است

مقدمه

گرانش یکی از چهار نیروی اساسی طبیعت است که ماهیت عمل آن نظیر سایر نیروها است، با این تفاوت که بسیار ضعیف تر از آنها است .برای توضیح امواج گرانشی ناگزیر باید سایر نیروها را مورد دقت و بررسی قرار داد و با توجه به نحوه ی عملکرد آنها به توضیح عملکرد گرانش پرداخت .بنابراین در این نوشته نیز این نکته رعایت شده است تا درک امواج گرانشی را با تجارب و واقعیتهای شهودی همراه سازد. بر این اساس توجه به نظریه ی ذرات تبادلی برای شناخت و توضیح امواج گرانشی ضروری است.

نیرو

از نظر لغوی نیرو مفاهیم مختلفی دارد و در هیچ فرهنگی کلمه ی نیرو به صورتی جامع تعریف نشده است. شاید این امر به آن دلیل باشد که نیرو تعریف پذیر نیست اگر به آنچه که معمولاً نیرو نامیده می شود، دقت کنیم، از کثرت آن دچار شگفتی خواهیم شد. این کثرت نیروها نباید ما را به بیراهه بکشد. یکی از ویژگیهای علم آن است که کثرت را وحدت بخشد و در عین حال از وحدت بتواند موارد خاص و مختلف را نتیجه بگیرد. ما در اینجا به نیروهایی می پردازیم که در فیزیک به عنوان نیروهای اساسی شناخته می شوند و از اصطلاح برهم کنش برای آنها استفاده می شود و سایر نیروهایی که با آنها سروکار داریم ناشی از نیروهای اساسی طبیعت است .در طبیعت چهار نیروی اساسی شناخته شده که عبارتند از گرانش نخستین نیرویی که به طور جدی مورد توجه قرار گرفت گرانش است. طبق قانون جهانی گرانش که نیوتن کاشف آن است، هرگاه دو جسم درفاصله ای از یکدیگر قرار گیرند، نیرویی برهم وارد می کنند که با حاصلضرب جرم دو جسم متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد. این نیرو خاصیت ذاتی ماده است و تجربه نشان داده مستقل از خواص فیزیکی، شیمیایی و محیطی همواره اعمال می گردد. برد این نیرو بینهایت است. دوباره به آن بر می گردیم نیروی الكترومغناطیسی دو جسم که دارای بار الکتریکی باشند بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. کولن تحت تاثیر قانون جهانی گرانش نیوتن مقدار نیرویی را که اجسام باردار بر یکدیگر وارد می کنند به طور ریاضی بیان کرد که طبق آن این مقدار با حاصلضرب بارها متناسب و با مجذور فاصله نسبت عکس دارد. کولن پس از ارائه قانون الکتریکی خود، در صدد تهیه قانونی برای نیروی مغناطیسی برآمد. کولن برای نیروی مغناطیسی فرمولی مشابه با نیروی الکتریکی به دست آورد که مورد توجه فیزیکدانان واقع نشد. اما پس از کشف ارتباط متقابل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، مشخص شد که این دو میدان مستقل از هم نیستند که آن را نیروی الکترومغناطیسی می نامند. برد این نیرو نیز بینهایت است

نیروی پر قدرت كوارك

نیروی قوی هسته ای كه نیروی رنگ نیز نامیده می شود از جدا شدن بیش از حد كواركهای هسته از یكدیگر و یا حتی از پرت شدن آنها به خارج جلوگیری می كند. نیروی پر قدرت كوارك یا نیروق قوی از طریق ذرات مبادله كننده یا به اصطلاح گلوئون ها انتقال می یابدكه بین كواركها در پرواز هستند این نیرو مانند چسب پیوستگی بین كواركها را تضمین میكند. نیروی هسته ای كه پروتونها و نوترونها را در هسته اتم به هم پیوسته نگاه می دارد در واقع نیروی بنیادی نیست بلكه نیرویی است كه از نیروی رنگ كواركها(یعنی قویترین نیرویی كه به آن اشاره شد) به دست می آید. برد این نیرو بسیار کوتاه است و در خارج از ساختمان اتم بی اثر است

نیروی ضعیف

بسیاری از ذرات نسبت به هیچ یك از دو نیروی یاد شده در بالا یعنی نیروی قوی كوارك و نیروی الكترو مغناطیسی واكنش نشان نمی دهند از آن میان ذراتی هستند كه فاقد بار الكتریكی و رنگ هستند برای این گونه ذرات یك نیروی بنیادی دیگر وجود دارد كه در فاصله های خیلی خیلی كم كارگر است.

یکسان سازی نیروها

بسیاری از فیزیکدانان ازجمله فارادی و پلانک اعتقاد داشتند 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. آلبرت اینشتین نیز تلاش بسیار كرد كه این دو نیرو را در یك نیروی اولیه خلاصه كند. اما موفق نشد. البته در زمان اینشتین نیروهای مهم و مطرح همین دو نیروی گرانشی و الکترومغناطیسی بود.امروز فیزیكدانها موفق شده اند نشان دهنده كه در درجه حرارتها و انرژیهای بسیار بالا تفاوت بین نیروی الكتروو مغناطیسی و نیروی ضعیف از بین می رود و امكان دارد كه در در جه حرارتها و انرژی ذره ای خیلی بالاتر تفاوت بین نیروی قوی و نیروی ضعیف و همچنین تفاوت بین "لپتونها " و "كواراكها " نیز از بین برود به گونه ای كه فقط یك ذره اولیه و یك نیروی اولیه وجود داشته باشد چنین روابطی را حتی با بزرگترین شتابدهنده ها نیز نمی توان برقراركرد ولی "فرضیه وحدت نیروها " احتمالاَ می توانسته مدت بسیار كوتاهی پس از "انفجار اولیه " وجود داشته باشد یعنی زمانی كه هنوز تمام كیهان به صورت یك گو ی آتشین فوق فشرده و دارای بار انرژی عظیمی بوده است در قلمرو كوچكترین ها هنوز مطالب قابل پژوهش زیادی وجود دارد . مثلا فیزیكدانهای قرن ۲۱ می توانند این پرسش را مطرح كنند كه آیا كواركها و الكترونها هم از ذرات كوچكتری ساخته شده اند؟

ذرات تبادلی

نخستین گام برای توجیه نیروهای هسته ای قوی در سال ۱۹۳۲ توسط هایزنبرگ برداشته شد. وی نظر داد که پروتونها به وسیله ی نیروهای تبادلی در کنار یکدیگر قرار می گیرند. به این ترتیب می توان تصور کرد که دو ذره، به تبادل ذره ی سوم می پردازند و ذره ی تبادلی دو ذره را به سوی هم می راند. طبق نظریه هایزنبرگ، همه ی نیروهای جاذبه و دافعه نتیجه ی ذرات تبادلی هستند. به شکلهای پائین صفحه مراجعه کنید.در مورد جاذبه و دافعه ی الکترومغناطیسی، ذره ی تبادلی فوتون است. لازم به ذکر است که فیزیکدانان به وجود دو نوع فوتون اعتقاد دارند، یکی فوتونهای حقیقی که قابل مشاهده هستند و دیگری فوتونهای مجازی است که نمی توان آنها را مشاهده کرد. فوتون مجازی نیز با سرعت نور حرکت می کند. فوتونهای مجازی نتیجه ی اصل عدم قطعیت هستند.انرژی و اندازه حرکت هر یک از الکترون های واکنش کننده در اثر تبادل فوتون تغییر می کند. غیر قابل مشاهده بودن فوتون مجازی امکان عدم بقای انرژی و اندازه حرکت را در طول بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون فراهم می کند. اصل عدم قطعیت انرژی فرض شده را که توسط آن بقای انرژی نقض می شود به مقدار زیر محدود می کندdE=h/dtکه در آن

dtبرابر است با بازه ی زمانی بین گسیل و در آشامیدن فوتون مجازی است.

امواج گرانشی

نظریه ی نسبیت عام که گرانش را به منزله ی انحنای فضا-زمان چهار بعدی مطرح می کند، انواعی از پدیده های غیر عادی را پیش بینی می کند. بنابر نسبیت عام هر جسمی که جرم داشته باشد موجب می گردد که فضای اطراف آن خمیده شود. هر زمان که این جسم حرکت کند، این انحنا با صورت بندی جدید ماده متناسب می گردد. این تنظیم فضا-زمان با وضعیت متغییر مکانی ماده موجب می شود که امواج گرانشی با سرعت نور در فضا منتشر شود. در نتیجه هر جسم متحرکی از خود تشعشعات گرانشی منتشر می کند.امواج گرانشی نسبت به سایر نیروها فوق العاده ضعیف است. برای مشاهده ی ضعیف بودن امواج گرانشی نسبت به امواج الکترومغناطیسی کافیست قانون گرانش و قانون کلون را برای دو الکترون بکار برید. خواهید دید که امواج الکترومغناطیسی تقریباً ده بتوان چهل مرتبه از امواج گرانشی قوی تر است

وقتی امواج الکترومغناطیسی به ماده برخورد می کنند، فقط ذرات باردار را تکان می دهند. ولی امواج گرانشی موجب می شوند که تمام ذرات ماده تحت تاثیر قرار گیرند.همچنین به دلیل آنکه امواج الکترومغناطیسی بسیار قوی تر از امواج گرانشی است (تقریباً ده بتوان چهل بار) هنگام عبور امواج به همین نسبت نیز ذراتی که در مسیر آنها هستند تحت تاثیر قرار می گیرند در دهه ی ۱۹۶۰ ژوزف وبر از دانشگاه مریلند ترتیبی داد تا امواج گرانشی را آشکار سازد. آنتنی که وبر برای آشکار ساختن امواج گرانشی ساخت استوانه ای آلومینیمی بود به قطر ۶۰ سانتیمتر و طول ۱.۵ متر که وزن آن بیش از یک تن بود. این استوانه توسط سیمی که در وسط آن آن به دور استوانه پیچیده شده بود در یک محفظه ی خلا به طور معلق قرار داشت. همچنین این محفظه به وسیله سیستمی از کمک فنرها از جهان خارج جدا شده بود. وقتی یک موج گرانشی از درون استوانه عبور می کرد فشارهایی به وجود می آورد. وبر برای آشکار کردن نوسانات حاصل، تعدادی کریستال پیزوالکتریک بر روی سطح استوانه نصب کرد. این کریستالها نوسانات را به جریانهای الکتریکی ضعیفی مبدل می کنند. سپس این جریانها تقویت و ثبت می شوندیک چنین استوانه ی آلومینیمی به دلیل وجود تاثیرات گرمایی همواره در حال نوسان خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل صافیهایی الکترونیکی در سیستم نصب شده تا تمام نوسانات را به استثنای بزرگترین آنها حذف کند. علاوه بر این وبر دو عدد از این آنتنها را یکی در دانشگاه مریلند در نزدیکی واشنگتن و دیگری را در آزمایشگاه ملی ارگون خارج از شیکاگو نصب کرد. این دو آنتن بوسیله خطوط تلفن به نحوی به هم وصل بودند که نوسانات بزرگ آنی که در هر دو ایستگاه رخ می داد، به سرعت ثبت می کردند در سال ۱۹۶۹ وبر با اعلام این خبر که امواج گرانشی را به طور موفقیت آمیزی آشکار کرده فیزیکدانان را متحیر کرد. هر روزه حداقل یک نوسان بزرگ ثبت می شد و نشان می داد که یک موج گرانشی به زمین برخورد می کند. بااین وجود بسیاری از دانشمندان نسبت به درستی نتایج آزمایش وبر مشکوک هستند. هرچند که هیچ کس نتوانسته نشان دهد که کدام قسمت از نتایج آزمایش وبر نادرست است.

---