ماده از چه چیزی ساخته شده است؟
ماده، جسم، هر چیزی که می بینیم از اتم ساخته شده است؛ الکترون هایی که به دور هسته های ریزی در گردش هستند. درون هسته، پروتون ها و نوترون ها جا خوش کرده اند که خودشان از کوارک ها ساخته شده اند. به اینها، جمعیت وسیع نوترینوهای بی جرم و گریزان را اضافه کنید که در اطراف ما در حال پرواز هستند و همین جا توقف کنید! این چیزی است که بهترین «مدل استاندارد» فیزیک ذرات بیان می کند؛ بهترین نظریه موجود که در حال حاضر برای توضیح ساختار تمام ماده مرئی در دنیای ما وجود دارد. اما ما اینها را از کجا می دانیم؟
بیشتر دانش ما درباره ماده از آزمایش های پراکندگی (Scattering experiment) می آید؛ آزمایش هایی که در آنها، دانشمندان چیزی را به چیزی دیگری کوبیده اند. با انجام آزمایش های پراکندگی در شتاب دهنده های ذرات سراسر دنیا، موفق به کشف عنصرها و ذرات بنیادی تازه ای شده ایم. اما پراکندگی تنها راه درک ساختار جهان نیست.
در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها که به درک فعلی ما از ساختار ماده کمک کرده است، آشنا شوید.
ماده چیست؟
جان دالتون را پدر نظریه اتمی می دانند. این دانشمند انگلیسی وزن موادی را که در واکنش های شیمیایی مختلف دخیل بودند، اندازه گیری کرد و نشان داد مواد مختلف همواره با نسبت های ثابتی با یکدیگر ترکیب می شوند. این کشف در همخوانی کامل با این ایده قرار داشت که اظهار می کرد «کوچکترین واحد از هر عنصر شیمیایی» که مواد پیرامون ما را شکل می دهد، باید وجود داشته باشد؛ چیزی که امروزه آن را «اتم» می نامیم. طی سال های بعد، عنصرهای تازه و در نتیجه انواع جدیدی از اتم ها کشف شدند. با مرتب سازی این عنصرها بر اساس مشخصات اتمی و شیمیایی در جدول تناوبی عنصرها بوسیله دیمیتری مندلیف، گام بزرگی در زمینه اثبات وجود اتم برداشته شد.
اگرچه نظم و پیش بینی پذیری عنصرهای شیمیایی مدرک خوبی برای وجود اتم بود، اما دانشمندان مدام به این موضوع فکر می کردند که آیا ممکن است باز هم ذرات ریزتری وجود داشته باشد؟ سال 1897، جی. جی. تامسون (J.J.Thomson) که در دانشگاه کمبریج مشغول مطالعه روی پرتوهای کاتدی بود، کشف مهمی کرد. پرتوهای کاتدی، پرتوهایی هستند که بوسیله فلز گداخته منتشر می شوند و در میدان های الکتریکی و مغناطیسی شتاب می گیرند. تامسون کشف کرد که این پرتوهای کاتدی از ذرات ریزی ساخته شده اند که به مراتب از اتم سبکتر هستند و صرف نظر از اینکه چه فلزی در آزمایش بکار رفته باشد، همواره بار و جرم یکسانی دارند. به این ترتیب، الکترون ها به عنوان نخستین ذره زیراتمی کشف شدند.
از آنجا که الکترون ها بسیار سبک بودند، فرض بر این بود که چیزهای دیگری هم باید درون اتم وجود داشته باشند که بخش عمده جرم آن را شکل می دهند؛ اما دانشمندان نمی دانستند این چیزهای دیگر چیستند یا الکترون ها چطور میان آنها توزیع شده اند.
ایده پیشنهادی تامسون این بود که همانند دانه های کشمش درون کیک کشمشی، الکترون ها در سراسر اتم پراکنده هستند، اما یافته های هانس گایگر (Hans Geiger) و ارنست مارسدن (Ernest Marsden) چیز دیگری را نشان داد. این دو فیزیکدان که زیر نظر ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) کار می کردند، در تلاش برای درک ساختار زیراتمی اقدام به بمباران ورقه های طلا با ذرات آلفا کردند. انتظار می رفت این ذرات مستقیماً از درون ورقه های طلا رد شوند، اما گاهی اوقات یکی از این ذرات شدیداً پس زده می شد. رادرفورد این پدیده را این گونه توصیف کرد: «مثل این است که گلوله توپی را به یک تکه کاغذ شلیک کنید، اما گلوله به عقب بازگردد و محکم به خودتان اصابت کند». تنها توضیح این بود که بخش اعظم اتم طلا باید فضای خالی باشد، اما نواحی مرکزی چگال و پُر جرمی در آن وجود دارد که قادر است ذره آلفا را منحرف کند. رادرفورد این نواحی را «هسته» نامید.
بیشتر از آنچه چشم می بیند
با کشف هسته اتم، دانشمندان اندازه گیری جرم و بار هسته های مختلف را آغاز کردند. اما با یک مشکل بزرگ روبرو شدند: اگر هسته تنها از پروتون ساخته شده بود، آنگاه بار الکتریکی مثبت اتم باید به مراتب بیشتر از چیزی بود که اندازه گیری ها نشان می داد.
جیمز چادویک (James Chadwick)، فیزیکدان دیگری که زیر نظر رادرفورد کار می کرد، یکی از دانشمندانی بود که متقاعد شده بود نوع دیگری از ذرات باید درون اتم وجود داشته باشد؛ ذره ای که تقریباً هم جرم با پروتون بود، اما بار الکتریکی نداشت. سال 1932، او این ذره را کشف کرد: نوترون.
کشف نوترون کار ساده ای نبود، زیرا بسیاری از روش های آشکارسازی ذرات بر پایه این واقعیت بنا نهاده شده اند که برخورد آنها با ماده، باعث بیرون انداخته شدن الکترون از اتم می شود. این ویژگی باعث باقی ماندن ذره ای باردار (یون) می شود که به سادگی و با استفاده از ابزاری موسوم به «اتاق ابر» قابل شناسایی است. اما از آنجا که نوترون بدون بار بود، آشکارسازی آن در اتاق ابر امکان ناپذیر بود. برای غلبه بر این مشکل، چادویک از این واقعیت استفاده کرد که نوترون ها تقریباً هم جرم با پروتون ها هستند و در نتیجه به طرز موثری انرژی خود را به آنها منتقل می کنند؛ درست مثل وقتی که گوی سفید بیلیارد با برخورد به توپ های ساکن روی میز، انرژی خودش را به آنها منتقل می کند. چادویک اقدام به شلیک نوترون (که از بمباران عنصر بریلیم بوسیله ذرات آلفا بدست می آمد) به عنصرهای مختلف کرد و پروتون هایی را که در اثر این برخورد از اتم بیرون انداخته می شدند، آشکار کرد. آشکارسازی این پروتون ها نشان می داد پرتوهای مرموزی که از بمباران عنصر بریلیم بدست آمده اند، بی شک از ذراتی خنثی با جرم مشابه پروتون ساخته شده اند؛ نوترون کشف شده بود.
در این زمان، به نظر می رسید مولفه های بنیادین سازنده مواد شناسایی شده است. با داشتن پروتون، نوترون و الکترون می توانستید هر کدام از عنصرهای جدول تناوبی را بسازید. اما نحوه اندرکنش ذرات با یکدیگر ناشناخته بود. برای مثال، چطور یک مشت پروتون که همگی بار مثبت داشتند و بنابراین باید یکدیگر را دفع می کردند، می توانستند خودشان را کنار یکدیگر و درون هسته اتم جا دهند؟ همچنین دانشمندان نمی توانستند تنها با داشتن این ذرات زیراتمی، واپاشی بتا را توضیح دهند؛ نوعی واپاشی پرتوزا که به نظر می رسید قانون پایستگی اندازه حرکت را به عنوان یکی از قوانین بنیادین فیزیک نقض می کرد. شکی نبود که باید پای چیز دیگری در میان باشد.
شیرجه در اعماق
پیشتر و در سال 1909، تئودور وولف (Theodor Wulf) نشان داده بود تعداد ذرات باردار مشاهده شده در نوک برج ایفل، بیشتر از تعداد مورد انتظار او بوده است. این مسئله به ذرات پُر انرژی کیهانی موسوم به پرتوهای کیهانی نسبت داده شد که پیوسته در حال بمباران سیاره ما هستند. دانشمندان با نصب آشکارسازهایی در قله کوه ها، بالون های هوای گرم و حتی هواپیماها شروع به مطالعه درباره این پرتوها کردند. نکته شگفت آور این بود که ذرات جدید، پروتون، نوترون، الکترون یا هیچ ترکیبی از این ذرات نبودند. از آنجا که این ذرات عموماً به مراتب سنگین تر از الکترون بودند، دانشمندان آنها را هادرون نامیدند که از واژه یونانی به معنای محکم یا قوی بنیه گرفته شده بود. سبکترین هادرون ها، پیون بود که در سال 1947 کشف شد و به دنبال آن، تعداد زیادی ذره دیگر هم کشف شد؛ موضوعی که برای فیزیکدانانی که امیدوار به یافتن نظریه ای یکدست و خوش سیما برای فیزیک ذرات بنیادین بودند، نگران کننده بود.
همزمان با کشف این ذرات، مشکل واپاشی بتا با خلق یک ذره ریز، خنثی و جدید حل شد: نوترینو. در سال 1930، فیزیکدان نظری معروف، وولفگانگ پائولی جمله ای مشهور را بیان کرد: «من کار وحشتناکی کردم؛ یک ذره جدید را بدیهی فرض کردم که نمی توان آن را آشکار کرد.» البته پائولی درباره وجود نوترینو درست می گفت، اما خوشبختانه نظرش درباره غیر قابل شناسایی بودن این ذره اشتباه از آب درآمد.
پائولی تنها کسی نبود که وجود ذرات جدید را بدیهی و لازم می دانست. سال 1928، پل دیراک معادله مشهورش را منتشر کرد که مکانیک کوانتوم را با نسبیت خاص اینشتین متحد می کرد. طبق این معادله، هر ذره باید همتایی از جنس پادماده می داشت که دقیقاً هم جرم آن بود، اما بار الکتریکی مخالف ذره اصلی داشت. تنها چهار سال بعد، پوزیترون به عنوان پادذره الکترون در مشاهدات پرتوهای کیهانی کشف شد. در نهایت و در سال 1953، فردریک راینس و کلاید کاون آزمایشی را ترتیب دادند که ثابت کرد نوترینو تنها وهم و خیال پائولی نبوده است. آنها پادنوترینوهایی را مشاهده کردند که با پروتون وارد برهم کنش می شدند و پوزیترون و نوترون تولید می کردند.
آشکارسازی نوترینو پیشرفت بزرگی بود، اما مشکل «تعداد بی شمار هادرون ها» کماکان به قوت خود باقی بود. با اثبات وجود نوترینو، وجود ذراتی به مراتب ریزتر مطرح شد که هادرون ها را شکل می دادند: کوارک. تاکنون شش طعم (گونه) مختلف کوارک شناسایی شده است که نخستین آنها سال 1967 و در مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (SLAC) و آخرین و سنگین ترین آنها سال 1995 و در آزمایشگاه فرمی کشف شدند. وجود کوارک ها و الکترون ها برای توضیح محتوای مادی اتم ها و در نتیجه تمام عنصرهای شناخته شده عالم کفایت می کند.
قطعه آخر؟
به موازات تلاش برای درک ساختار ماده، فیزیکدانان تلاش می کردند درک خود را از نیروهایی که مسئول کنار هم نگاه داشتن اتم ها بودند، بهبود دهند. در دهه 1940، ریچارد فاینمن، جولیان شوینگر و سین ایترو توموناگا موفق به توسعه الکترودینامیک کوانتومی شدند؛ نظریه ای کوانتومی برای الکترومغناطیس. طی سال های دهه 70 میلادی، هم ارز الکترومغناطیسی نیروی قوی (که کوارک ها را درون هادرون ها محبوس می کند) هم فرمول بندی شد؛ نظریه ای که با نام کرومودینامیک کوانتومی شناخته می شود. با وجود این، نیروی ضعیف که مسئول واپاشی بتا بود و نقش نیروی سوم را در کنار الکترومغناطیس و نیروی قوی ایفا می کرد، کماکان مشکل ساز بود.
الکترودینامیک کوانتومی و کرومودینامیک کوانتومی هر دو بر پایه تقارن در طبیعت کار می کنند؛ جنبه هایی از فیزیک که بدون تغییر دادن نیروها یا ذرات می توانند تغییر کنند (مثل چرخاندن 90 درجه ای یک مربع، بدون آنکه ظاهر آن تغییر کند). بدون این تقارن ها، هر دوی این نظریه ها پاسخ هایی بی معنی تولید می کنند. در مدل استاندارد، تمام نیروها بوسیله ذراتی به نام بوزون حمل می شوند. اما اگر تقارن را به معادلات مدل استاندارد اضافه کنید، این نتیجه بدست می آید که ذرات حامل نیروها باید بدون جرم باشند. چنین چیزی برای ذرات حامل نیروی قوی (گلئون) و نیروی الکترومغناطیس (فوتون) مشکل ساز نیست؛ اما برای نیروی ضعیف که بوسیله ذرات سنگین و پُر جرم موسوم به بوزون Z و W حمل می شوند، صدق نمی کند.
پاسخ این مشکل در نظریه ای نهفته بود که در سال 1964، بوسیله پیتر هیگز و همکارانش توسعه داده شد. آنها فرض کردند نوعی میدان انرژی در تمام عالم جریان دارد و ذرات جرم خودشان را طی اندرکنش با این میدان بدست می آورند. به این ترتیب، تقارن مدل استاندارد حفظ می شد و بوزون های Z و W و دیگر ذرات هم می توانستند بار مشاهداتی خودشان را داشته باشند. این نظریه همچنین وجود یک ذره جدید و پُر جرم با بار صفر را پیش بینی می کرد؛ ذره ای که نام «بوزون هیگز» را به خود گرفت. این قطعه گمشده مدل استاندارد سرانجام در سال 2012 و بوسیله شتاب دهنده بزرگ هادرونی کشف شد.
اما آیا ممکن است شگفتی دیگری در کار باشد؟ ذرات تشکیل دهنده ماده در مدل استاندارد، بر اساس ویژگی هایشان در یک الگو مرتب شده اند. شش طعم از کوارک ها و شش طعم از لپتون ها وجود دارد و تمام آنها در سه نسل (بر اساس افزایش جرم) قرار می گیرند. وقتی مندلیف عنصرها را در جدول تناوبی مرتب کرد، سرنخ بزرگی درباره زیرساختار اتم ها در اختیار ما قرار داد. الگوی ویژگی ها و مشخصات هادرون ها هم همان چیزی بود که دانشمندان را به گمانه زنی درباره وجود کوارک ها رهنمون ساخت. آیا الگوی ذرات مدل استاندارد در بردارنده سرنخی به لایه دیگری از ساختار زیراتمی است؛ اجرام باز هم ریزتری که کوارک ها و لپتون ها را شکل داده اند؟ ما هنوز پاسخ این پرسش را نمی دانیم، اما شاید در آینده آزمایش های بیشتر پرده از این راز بردارد.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «ماده از چه چیزی ساخته شده است؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله محمود حاج زمان در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
