نیروی الکتریکی ضعیف چیست؟

چند نیروی بنیادی در جهان ما وجود دارد؟ برای فیزیکدانان ذرات، پاسخ به این سوال می تواند دشوار باشد.

البته نیروی جاذبه وجود دارد که مانع از شناور شدن ما از صندلی هایمان می شود. همچنین نیروی هسته ای قوی وجود دارد که هسته اتم های ما را در کنار هم نگه می دارد. سپس نیروی الکترومغناطیسی وجود دارد، جایی که ما جریان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی را دریافت می کنیم. همچنین یک نیروی هسته ای ضعیف وجود دارد که واپاشی رادیواکتیو را واسطه می کند.

ما به توان چهار نفر رسیده ایم، اینطور نیست؟

شاید نه. این به دلیل چیزی است که دانشمندان در مورد دو مورد آخر کشف کردند. نیروی الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف از نظر عملکرد، مکانیسم، محدوده و قدرت بسیار متفاوت هستند. اما در دهه 1960، دانشمندان دریافتند که هر دو بیانگر یک نیروی بنیادی واحد و یکپارچه هستند: نیروی الکتریکی ضعیف.

چگونه آنها به این درک رسیدند و چه چیزی در مورد جهان ما به ما می گوید؟

دو نیروی کاملا متفاوت

وقتی به نحوه عملکرد نیروهای هسته ای الکترومغناطیسی و ضعیف در جهان خود نگاه می کنیم، به راحتی می توان فهمید که چرا فیزیکدانان بلافاصله رابطه ویژه آنها را درک نکردند.

الکترومغناطیس الکتریسیته ای را که برای دسترسی به مقالات دیجیتالی مانند این مورد استفاده می کنیم و نور مرئی که برای دیدن کلمات روی صفحه نمایش خود نیاز داریم را فراهم می کند. مسئول میدان مغناطیسی زمین است که از سرخ شدن ما توسط پرتوهای کیهانی جلوگیری می کند و حتی پیوندهای شیمیایی لازم برای زندگی بیولوژیکی را امکان پذیر می کند.

نیروی هسته ای ضعیف، اگرچه مهم است، اما به طور قابل توجهی انعطاف پذیری کمتری دارد. این ماده در درجه اول مسئول واپاشی بتا رادیواکتیو است، یک فرآیند زیر اتمی که باعث می شود ذرات ناپایدار به ذرات دیگر با جرم کمتر تبدیل شوند. این فروپاشی برای واکنش‌های هسته‌ای که خورشید و سایر ستارگان را نیرو می‌دهند بسیار مهم است.

و الکترومغناطیس و نیروی هسته ای ضعیف نه تنها در تأثیرات آنها متفاوت است. ذرات تشکیل دهنده هر یک از این نیروها به همان اندازه متفاوت هستند.

یکی از اصول اساسی فیزیک ذرات این است که همه چیز در دنیای عادی و روزمره ما از ذرات ساخته شده است. این ذرات واقعاً «تحریک‌های محلی» هستند، که اساساً تکان‌های کوچکی در میدان‌های کوانتومی هستند که در تمام فضا نفوذ می‌کنند. هر نوع ذره با یک میدان کوانتومی توصیف می شود.

تحریک موضعی میدان الکترومغناطیسی فوتون نامیده می شود. تمام اثرات الکترومغناطیسی که مشاهده می کنیم نتیجه ترکیب منحصر به فرد کیفیت فوتون است. هیچ بار الکتریکی و جرمی ندارد. بدون هیچ چیزی که سرعت آن را کاهش دهد، با سرعت نور در سراسر جهان زوم می کند.

نیروی ضعیف توسط ذرات مختلف واسطه می شود – در واقع سه تای آنها: یک بوزون Z خنثی و دو بوزون W، یکی حامل بار الکتریکی مثبت و دیگری یک بار الکتریکی منفی. در مقایسه با فوتون سریع، این سه ذره با نیروی ضعیف سنگین و نسبتا کند هستند. اگر حتی از عرض یک هسته اتمی عبور کنند، به سرعت متلاشی می شوند.

هنگامی که فیزیکدانان رفتار ذرات الکترومغناطیسی و ذرات با نیروی ضعیف را در جهان ما مشاهده می کنند، به نظر واضح می رسد که آنها بیانگر دو نیروی اساسی مجزا و متمایز هستند. با این حال، وقتی آنها از ریاضیات فیزیک ذرات برای توصیف نحوه رفتار این ذرات استفاده می کنند، وضعیت کمی پیچیده تر می شود.

یک نیرو، قابل تقسیم

فیزیکدانان از معادلات حرکت برای توصیف نحوه تعامل ذرات ماده و نیرو استفاده می کنند و تصویری از حرکات و رفتار احتمالی آنها ترسیم می کنند. نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و ذرات مربوط به آن‌ها را می‌توان با آنچه به عنوان نظریه‌های گیج شناخته می‌شود، توصیف کرد، ابزارهای ریاضی که فیزیکدانان برای درک اینکه چه نوع برهمکنش‌هایی برای انواع مختلف ذرات ممکن است، استفاده می‌کنند.

«شما تعاملی دارید که با واسطه الف انجام می شود [force particle]ایلاریا بریویو، دانشجوی فوق دکتری در دپارتمان فیزیک و نجوم در دانشگاه بولونیا، می‌گوید، و همیشه یک تئوری سنج است. “این اصطلاح ساختار ریاضی بسیار خاصی را توصیف می کند که در آن نظریه فرموله شده است.”

هر نوع ذره نیاز به تئوری سنج خاص خود دارد. پیر هیوگ بوشمین، استادیار فیزیک در دانشگاه تافتس می گوید: «این برهمکنش های بین همه این ذرات از قوانین تبعیت می کند. آنها قوانینی را رعایت می کنند که اتفاقات ممکن را محدود می کند.»

به عنوان مثال، فوتون – و میدان الکترومغناطیسی با گسترش – “فاز محلی ثابت” است. فاز محلی یک ذره کمیتی است که در فضازمان تغییر می کند و بر محاسبه تابع موج ذره تأثیر می گذارد. تابع موج ابزاری است که فیزیکدانان از آن برای اطلاع از احتمال به دست آوردن نتایج معین هنگام اندازه گیری یک ذره استفاده می کنند.

فوتون‌ها را به‌عنوان «غیر متغیر فاز محلی» توصیف می‌کنند، زیرا وقتی تغییر فازی را اعمال می‌کنید – به گونه‌ای که معادلات را بدون توجه به آنچه فاز محلی ذره معرفی می‌کنید یکسان باقی می‌مانند – برای معادلات حرکت، یک نظریه ریاضی دریافت می‌کنید که تعاملات بین فوتون ها و ذرات دیگر را بسیار دقیق توصیف می کند.

نه تنها این، بلکه شما یک نظریه ریاضی دریافت می کنید که همه چیزهایی را که ما در مورد نیروی الکترومغناطیسی می دانیم، هم میدان کوانتومی آن و هم فوتون هایی که از آن سرچشمه می گیرند، توصیف می کند.

این بخشی از چیزی است که نظریه گیج را به نظریه گیج تبدیل می کند. با قرار دادن چندین محدودیت بر روی نظریه کلی حرکت ذرات، این متغیرهای گیج به معادلاتی منجر می‌شوند که برهمکنش‌های ذرات را بسیار دقیق توصیف می‌کنند.

بخش الکترومغناطیسی تنها دارای یک تغییر ناپذیری سنج به همراه ذره تک نیروی آن، فوتون است. بوزون‌های نیروی ضعیف دارای مجموعه‌ای از سه متغیر گیج محلی هستند، یکی برای هر سه بوزون نیروی ضعیف. اگر تغییر ناپذیری الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف را در معادلات حرکت اعمال کنیم و اصطلاحات مقیاس انرژی را در آن معادلات تنظیم کنیم تا با مقیاس انرژی واقعیتی که به عنوان انسان های روزمره تجربه می کنیم مطابقت داشته باشد، دو نظریه کاملاً مجزای الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف

لازم به ذکر است که در حالی که نیروی الکترومغناطیسی به عنوان یک تئوری سنج در نظر گرفته می شود، نیروی ضعیفی که در دنیای روزمره خود می بینیم از نظر فنی چنین نیست – به دلایلی که وقت نداریم به اینجا بپردازیم. با این حال، اگر شرایط انرژی خود را به مقیاس های انرژی بالاتر جهان اولیه افزایش دهیم، اتفاق جالبی رخ می دهد. در این مقیاس‌های انرژی بالا، نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی در یک نظریه گیج ترکیبی ترکیب می‌شوند – یک نیروی بنیادی متشکل از چهار ذره بدون جرم، که همگی مربوط به چهار ذره هستند که ما با نیروهای هسته‌ای الکترومغناطیسی و ضعیف مرتبط می‌کنیم.

فیزیکدانان اکنون متوجه شده اند که در نقطه ای از کسری از ثانیه بلافاصله پس از انفجار بزرگ، یک نیروی الکتریکی ضعیف ترکیبی وجود داشته است. فقط چند ثانیه بعد، این نیروی الکتریکی ضعیف یکپارچه به نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیفی که امروزه می بینیم تقسیم شد.

برای دهه‌ها، دانشمندان مطمئن نبودند که این انتقال چگونه اتفاق افتاده است و فرض می‌کردند که چیزی باید این نیرو را نابود کرده باشد. Tewong Yu، استادیار فیزیک در کینگز کالج لندن، می‌گوید: «هنگامی که جهان از دمای بسیار بالا به دمای پایین‌تر سرد شد، در مقیاس انرژی تحت یک انتقال فاز قرار گرفت که در آن نیروی ضعیف الکتریکی شکسته می‌شود. “این بسیار شبیه به اگر دمای یک حوضچه را تغییر دهید و از فاز مایع به یخ بروید” در دمای 32 درجه فارنهایت است.

هر چیزی که نیروی ضعیف الکترومغناطیسی را در طول این انتقال فاز از بین می برد، باید باعث می شد که چهار ذره ضعیف الکتریکی بدون جرم اولیه به سه ذره نیروی ضعیف بسیار عظیم و یک ذره الکترومغناطیسی بدون جرم، فوتون تبدیل شوند.

بر اساس این ایده، دانشمندان وجود میدان کوانتومی را پیش‌بینی کردند که می‌تواند به برخی (و نه همه) ذرات بنیادی جرم بدهد: میدان هیگز. در سال 2012، دانشمندان آزمایش‌هایی در برخورددهنده بزرگ هادرونی کشف ذره مرتبط با این میدان، بوزون هیگز را اعلام کردند.

سوالات باقی می ماند

البته چیزهای زیادی وجود دارد که دانشمندان هنوز در مورد این انتقال نمی دانند. وی می گوید: «ما نمی دانیم که این اتفاق خیلی تدریجی یا خیلی ناگهانی رخ داده است. “این یک سوال بسیار مهم برای حل چگونگی تکامل جهان اولیه ما پس از انفجار بزرگ است، و همچنین ممکن است به ما در درک برخی از اسرار کمک کند.”

به عنوان مثال، معمای این که چرا ماده در طول انفجار بزرگ، خود را در برابر پادماده نابود نکرد و جهان را با چیزی جز نور پر نکرد. شما می گویید این ممکن است مربوط به فروپاشی میدان الکتریکی ضعیف هیگز باشد که به عنوان یک گام ناگهانی رخ می دهد و نه یک انتقال تدریجی.

دانشمندان همچنین تعجب می کنند که آیا نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف تنها نیروهایی نبودند که در جهان اولیه با هم ترکیب شدند. این ایده از تئوری اتحاد بزرگ می آید، که نشان می دهد سومین نیروی بنیادی – نیروی هسته ای قوی – ممکن است زمانی با نیروی الکتروضعیف متحد شده باشد.

وی می‌گوید: «ادغام نیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف در یک نیروی یکپارچه، به طور کاملاً قانع‌کننده‌ای به این پیشنهاد منجر شده است که شاید نیروی قوی در انرژی‌های بالا نیز متحد شود».

“نشانه های غیرمستقیم وجود دارد که این یک احتمال است… ریاضیات این نیروها ارتباط منظمی دارد که به گونه ای مطابقت دارد که اگر بخواهیم یک برخورد دهنده هادرون بزرگ بسازیم. [the orbit of Mars around the sun]آنگاه ممکن است بتوانیم مستقیماً به این مقیاس های انرژی برویم و مستقیماً یک نظریه یکپارچه بزرگ ببینیم.

برخی نظریه پردازان حتی پیشنهاد می کنند که آخرین نیروی بنیادی که می شناسیم، گرانش، نیز ممکن است بخشی از این وحدت بوده باشد. “امید این است که ما یک تقارن، مجموعه ای از دگرگونی ها را پیدا کنیم که بتواند همه چیز را توضیح دهد – ضعیف، قوی، [electromagnetic]و [gravitational] فعل و انفعالات، می گوید Beauchemin.

تئوری های وحدت بزرگ معمولاً فقط به اتحاد نیروهای ضعیف، قوی و الکترومغناطیسی می پردازند. اتحاد گرانش تحت مجموعه ای متفاوت از ایده ها قرار می گیرد که به عنوان نظریه ریسمان شناخته می شود.

در هر صورت، به نظر می رسد در مورد پیوستن به نیروهای فراتر از بخش الکترو ضعیف، چیزهای زیادی برای کشف وجود داشته باشد. همانطور که بوشمین می گوید: “چرا آنجا توقف کنیم؟”