نیروهای بنیادی: تفاوت میان نسخه‌ها

'''اندرکنش‌هاینیروهای بنیادی در فیزیک''' (که (گاهی آن‌ها را نیروهای تعاملی نیز می‌نامند) روشینیروهایی هستند که بوسیلهٔ آن‌ها ساده‌ترین ذرات در جهان هستی می‌توانند با یکدیگر اندرکنش داشته(تعامل) باشنددارند. یک اندرکنش را زمانی می‌گوییم "بنیادی" استمی‌گوییم که نتوان آن را بوسیلهٔ دیگر نیروها توضیحبیان دادکرد. چهار نیروی بنیادی شناخته شده در جهان عبارتند از: [[نیروی هسته‌ای ضعیف]]، [[نیروی هسته‌ای قوی]]، نیروی [[الکترومغناطیس|الکترومغناطیسی]] و [[گرانش]]. نیروهای هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف را به ترتیب با نام‌های نیروی ''قوی'' و ''اندرکنش ضعیف'' هم می‌شناسند.<ref>{{یادکرد وب|نشانی=http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara-index.php?page=چهار+نیروی+بنیادی&SSOReturnPage=Check&Rand=0|عنوان=: چهار نیروی بنیادی|ناشر=daneshnameh.roshd.ir|بازبینی=2016-07-08}}</ref> احتمالاً به جز نیروی گرانشی،گرانش، بقیه این نیروها به وسیله یک سری محاسبات تقریبی که به [[نظریه اختلال|نظریهٔ اختلال]] معروف است، قابل توصیف‌اندتوصیفند. گویی اعمال نیروی بنیادی معادل تبادل [[بوزون]] بین ذرات است. با این حال مواردی هم وجود دارد که نظریهٔ اختلال نمی‌تواند به خوبی پدیدهٔ مشاهده شده را توصیف کند. مانند [[حالت پیوند]] و [[سالیتون|تک موج]].<ref>{{یادکرد وب|نشانی=http://020.ir/فیزیک-و-شیمی/چهار-نیروی-حاکم-بر-جهان|عنوان=چهار نیروی حاکم بر جهان|ناشر=020.ir|بازبینی=2016-07-08}}</ref><ref>{{یادکرد وب|نام خانوادگی=PARHA-NP.V.5.1.1|نشانی=http://sharghdaily.ir/News/96736/احتمال-وجود-پنجمین-نیروی-بنیادی|عنوان=احتمال وجود پنجمین نیروی بنیادی|بازبینی=2016-07-08}}</ref>

در مدل مفهومی نیروهای بنیادی، جرم از [[فرمیون]]ها تشکیل شده‌است. فرمیون‌ها خود دارای دو ویژگی: بار و گردش ([[اسپین]]) {{Frac|۱|۲}}± هستند.هستند، (گشتاور زاویه‌ای ذاتی ħ/۲ ± که ħ ثابت کاهش یافته [[پلانک]] است) کهو آن‌ها توسط بوزون‌ها یکدیگر را می‌ربایند یا می‌رانند.

:۲دو فرمیون وارد می‌شودمی‌شوند ← اندرکنش بوسیلهٔ تبادل بوزون صورت می گیرد ← ۲دو فرمیون تغییر یافته خارج می‌شودمی‌شوند.

مبادلهٔ بوزون همواره با انرژی همراه است و بین فرمیون‌ها [[گشتاور]] ایجاد می‌کند و در نتیجه سرعت و جهت آن‌ها را تغییر می‌دهد. در طول این فرایند این احتمال وجود دارد که بین فرمیون‌ها انتقال بار نیز صورت گیرد یا بار آن‌ها تغییر کند (مثلا فرمیون‌ها را از نوعی به نوعی دیگر تبدیل کند). از آنجایی که بوزون‌ها تنها یک واحد،واحد گشتاور زاویه‌ای حمل می‌کنند در طول چنین فرایندی جهت گردش فرمیون‌ها (اسپین) از {{Frac|۱|۲}}+ به {{Frac|۱|۲}}- (واحد ضریب کاهش‌یافته پلانک) تغییر می‌کند. (یا برعکس این حالت)

چون یک اندرکنش باعث ایجاد ربایش یا رانش در بین فرمیون‌ها می‌شود، به‌جای اندرکنش می‌توان از عبارت عمومی‌تر [[نیرو]] استفاده کرد.

* ادغام نیروهای الکترومغناطیسی و اندرکنش ضعیف به نیروی الکتریکی‌ضعیفالکتریکی‌ ضعیف (کهربایی‌ضعیف)

هماندازه بزرگی‌هاها ("قدرت نسبی") و همنیز "محدوده‌هاًمحدوده‌ها که در جدول زیر نشان داده شده‌اند، تنها در چارچوب یک تئوری پیچیده معنی‌دارمعنی‌ انددارند. یادآوری می‌شود کهالبته جدول زیر تنها ویژگی‌های چارچوبی صرفاً مفهومی را بیان می‌داردمی‌کند که خود هنوز در حال مطالعه‌اند)

از نگاه [[مکانیک کوانتوم]] جدید، در نیروهای بنیادی (غیر از گرانش)، ذرات ماده (فرمیون‌ها) با هم اندرکنش مستقیم ندارند بلکه بار حمل می‌کنند و ذراتی مجازی به نام [[بوزون واسطه]] را بین هم تبادل می‌کنند،می‌کنند که این ذرات حامل‌های"حامل‌" های اندرکنش یا واسطه‌های نیرو‌اندنیرو‌ هستند. مانند فوتون‌هافوتون‌ که واسطهٔ اندرکنش میان بارهای الکتریکی‌اندالکتریکی، و گلوئن که واسطهٔ اندرکنش میان بارهای رنگی‌اند.

گرانش نسبت به چهارسه نیروی بنیادی دیگر از همه ضعیف‌تر است، بنابراین وقتی آن را در ابعاد ذرات بنیادی بررسی می‌کنیم، قابل صرف‌نظر کردن است. مثلاً اگر یک سوزن را به یک [[آهن‌ربا]] نزدیک کنیم به راحتی می‌بینیم که میزان ربایش آهن‌ربا بیشتر از میزان گرانش کل [[کره زمین|زمین]] نسبت به آن سوزن است و سوزن به سمت زمین سقوط نمی‌کند.

هرچند که الکترومغناطیسنیروی الکترومغناطیسی بسیار بزرگتر از گرانش است اما بحث ربایش [[الکترواستاتیک|الکتروستاتیک]]ی (الکتریسیتهٔ ساکن) برای اجرام آسمانی مانند [[سیاره]]‌ها، [[ستاره]]‌ها و [[کهکشان]]‌ها اصلاً مطرح نیست. به این دلیل کهچون این اجرام به تعداد مساوی از [[پروتون|پروتون‌]]‌ها و [[الکترون|الکترون‌]]‌ها را در خود جای‌داده‌اند، بنابرایندارند، بار الکتریکی خالص آن‌ها صفر است و در نتیجه نیروی الکتریسیته ساکن آن‌ها نیز صفر خواهد بود. اما در مقابلمقابل، هیچ چیزی نمی‌تواند حضور گرانش را از بین ببرد و از آن‌جاییآن‌ که هر جسمیجایی که جرم داشتههمه باشداجسام در معرض نیروی ربایشی گرانش قرار می‌گیردمی‌گیرد، بنابراین این نیرو بر تمام اجرام [[کیهان]]ی اثر می‌گذارد.

محدودهٔ اثر خیلیبسیار بزرگ گرانش باعث می‌شود که بتواند بر پدیده‌هایی با ابعاد بزرگ مانند ساختار یک کهکشان، [[سیاه‌چاله]] یا [[انبساط جهان]] تأثیرگذارتأثیر باشدبگذارد. گرانش همچنین پدیده‌های آسمانی در ابعاد کوچکتر مانند گردش سیاره‌ها به دور خودشان که هر روز اتفاق می‌افتد،خودشان، یا تجربیات روزمره مانند سقوط اجسام از ارتفاع و ... را به خوبی توضیح می‌دهد.

گرانش اولین اندرکنشی بود که به وسیله ریاضی توضیح داده شد. در زمان باستان آریستولارسطو فرض کرد که اجسام با جرم‌های متفاوت با [[شتاب]]‌های متفاوت سقوط می‌کنند. در طول [[انقلاب علمی]]، [[گالیله]] به‌وسیلهٔبا آزمایش دریافت که این فرض درست نیست؛ با صرف نظر از [[اصطکاک هوا]]، تمام اجسام با شتاب ثابت در یک لحظه به سمت زمین سقوط می‌کنند. قانون گرانش [[نیوتن]] (سال ۱۶۸۷ میلادی) نمونهٔ خوبی برای تقریب رفتار گرانش است. دریافت امروزهٔ ما از گرانش برگرفته از تئوری [[نسبیت عام]] [[اینشتین]] در سال ۱۹۱۵ میلادی است؛ که یک بیان دقیق‌تر گرانش با رویکرد هندسهٔ [[فضازمان]]ی است (بخصوص برای اجرام و فاصله‌های کیهانی) است.

ادغام نسبیت عام و [[مکانیک کوانتومی]] (تئوری میدان کوانتومی) که به تئوری عمومی‌ترعمومی‌ تر " ''گرانش کوانتومی''" می انجامد یکی از حوزه‌های فعال تحقیق است. با این حال صدقدرستی نظریهٔ نسبیت عامعام، به جز در مقیاس‌های بسیار کوچک (مقیاس‌های اتمی) که برای آن‌ها نظریه‌های جایگزین ارائه شده‌است، به صورت تجربی تأیید شده‌است. نظریه‌هایی که در جامعهٔ فیزیک نوین جدی گرفته شده‌اند همگی با تغییراتی جزئی از نسبیت عام منشعب می‌شوند. امروزه تمرکز مطالعات آزمایشگاهی و تجربی بر این است که تبیینتعیین کنند تا چه میزان انحراف از نسبیت عام امکان‌پذیر است.

دو اندرکنش الکترومغناطیسالکترومغناطیسی و ضعیف، خیلیدر نظر اول بسیار متفاوت به نظر می‌آیند و می‌توانند بوسیلهٔ دو تئوری متفاوت مدل شوند،می شوند. اما طبق یکپارچه‌سازی که در بالا گفته شد، این دو اندرکنش در انرژییانرژی ای حدود ۱۰۰ [[الکترون‌ولت|GeV]] با یکدیگر ادغام می‌شوندشده و تبدیل به اندرکنش کهربایی‌ضعیف (الکتریکی‌ضعیف) می‌شوند.

کهربایی‌ضعیف در علم [[کیهان‌شناسی]] جدید، بخصوص در بحثموضوع نحوه تشکیل جهان هستی اهمیت بسیار زیادی دارد، این به این دلیل استچرا که بلافاصله پس از [[مهبانگ]]، دما به حدود ۱۰^۱۵[[کلوین|K]] رسیده بود.{{سخ}}[[عبدالسلام]]، [[شلدون لی گلاشو|گلاشو]] و [[استیون واینبرگ|واینبرگ]] کسانی هستند که به دلیل یکپارچه‌سازی الکترومغناطیسنیروهای الکترومغناطیسی و ضعیف بین [[فیزیک ذرات|ذرات اولیه]] در سال ۱۹۷۹ جایزهٔ [[نوبل فیزیک]] را دریافت کردند.

الکترومغناطیسنیروی الکترومغناطیسی نیرویی است که بین ذرات باردار الکتریکی اثر می‌کند. این پدیده شامل دو قسمت است:

برای اینکه بتوان بهتر تصور کرد که قدرت نیروی الکتریکی چقدر است از مثال زیر استفاده می‌کنیم: در یک [[گالن]] آب (حدود ۴ [[لیتر]])، تقریباً ۴۰۰۰ گرم [[آب]] وجود دارد، در این میزان آب مقدار آب، بار [[الکترون|الکتریکی]] موجودالکترون درهای آنموجود به قرار زیر است:

حال اگر همین میزانمقدار آب را در فاصلهٔ ۱ متری از ظرف آب مشابه قرار دهیم،دهیم و اگر الکترون‌های موجود در آب بخواهند به یکدیگر نیرو وارد کنند این نیرو برابر خواهد بود با:

نیرویاین بدست آمدهنیرو از وزن [[کره زمین]] اگر قرار بود روی سطح کره دیگری مانند خودش قرار داشته باشد بیشتر است. همچنین [[هسته ]]های (پروتون های) موجود در یکی از ظرف‌های آب هسته‌های (پروتون های) دیگری را نیز با همین نیرو می‌راند؛می‌رانند؛ اما این نیروهای رانشی توسط نیروی ربایشی موجود بین هسته‌های یک ظرف و الکترون‌های ظرف دیگر و برعکس، بی‌اثر می‌شود؛ بنابراین نیروی خالص صفر خواهد بود. آشکار است که نیروی الکترومغناطیسالکترومغناطیسی بسیار قوی‌تر از گرانشیگرانش است ولی به دلیل وجود این ویژگی که نیروهای الکترومغناطیسی می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند، در اجرام بزرگ،بزرگ تنها اثر نیروی گرانش حاکم است.

پدیده‌های الکتریکی و آهن‌ربایی (مغناطیسی) از زمان باستان شناخته شده‌اندشده‌ بوده اند اما در قرن ۱۹ میلادی بود که دانشمندان دریافتند: ویژگی‌هاینیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو جنبه از یک اندرکنش بنیادی‌اند. در سال ۱۸۶۴ [[معادلات ماکسول]] به‌طور دقیق اندازهٔ این اندرکنش متحد را تعیین کرد. تئوری ماکسول نشان داد که [[حساب برداری|تحلیل برداری]] که مبنای تئوری [[الکترومغناطیس کلاسیک]] است برای بیشتر اهداف صنعتیعمومی به اندازهٔ کافی دقیق است.

[[سرعت نور|سرعت ثابت حرکت نور]] در [[خلاء|فضای خالی]] (خلاء) که به صورت اختصار با ''[[سرعت نور|c]]'' نمایش داده می‌شود،می‌شود را می‌توان از معادلات ماکسول نتیجه گرفت؛گرفت، که البته این نتیجه‌گیری متناقض با نسبیت خاص نیست. تئوری [[نسبیت خاص]] [[اینشتین]] در سال ۱۹۰۵ با این فرض پیش می‌رود که سرعت نور بدون توجه به اینکه مشاهده‌گر با چه سرعتی سیرحرکت می‌کند همواره ثابت است؛است. همچنین اینشتین نشان داد که نتایج تئوری بدست آمده از معادلات ماکسول بسیار فراتر از خاصیت‌های الکتریکی و مغناطیسی در همین فضا و زمان است.

اینشتین در کار دیگریدیگر غیرخود ازو بر خلاف الکترومغناطیس کلاسیک، [[اثر فوتوالکتریک]] را با این فرض که نور انتشار کوانتومی دارد توضیح داد ([[فوتون]]). [[پل دیراک]] در سال ۱۹۲۷ میلادی مکانیک کوانتوم را با تئوری نسبیتی الکترومغناطیس ادغام کرد. پس از آن در دههٔ ۱۹۴۰ [[ریچارد فاینمن]]، [[فریمن دایسون]]، [[جولیان شوینگر]] و [[سین‌ایترو تومونوجا]] این تئوری را کامل کردند. این تئوری امروز با نام الکترودینامیک کوانتومی شناخته می‌شود (الکترومغناطیس بازبینی‌شده). الکترودینامیک کوانتومی و مکانیک کوانتوم پایهٔ تئوری برخی رفتارهای الکترومغناطیسی مانند [[تونل‌زنی کوانتومی]] است؛هستند، به این معنی که درصدی از ذرات باردار الکتریکی در مسیری حرکت می‌کنند که در تئوری الکترومغناطیس کلاسیک غیرممکن است، این رفتار برای عملکرد بعضی از وسایلادوات الکترونیکی مانند [[ترانزیستور]]ها ضروری است.

''اندرکنش ضعیف'' یا ''نیروی هسته‌ای ضعیف'' مسئول برخی پدیده‌های هسته‌ای مانند [[واپاشی بتا]] است. الکترومغناطیسنیروی الکترومغناطیسی و نیروی ضعیف امروزه به عنوان دو جنبه از کهربایی‌ضعیف یکپارچه درنظر گرفته می‌شوند. این کشف اولین قدم به سمت تئوری اتحاد معروف به مدل استاندارد است. در نظریهٔ اندرکنش کهربایی‌ضعیف، حامل‌های نیروی ضعیف، حجمتعداد زیادی از بوزون‌های واسطه به نام بوزون‌های '''W''' و '''Z''' است یه عنوان "حامل‌های" نیروی ضعیف در نظر گرفته می شوند. اندرکنش ضعیف تنها اندرکنشی است که زوجیت در آن پایسته نیست، دارای تقارن نسبت به چپ، نسبت به راست و نسبت به محور است.

''اندرکنش قوی'' یا ''نیروی هسته‌ای قوی''، پیچیده‌ترین اندرکنش بنیادی است، بیشتر به این دلیل که با تغییر فاصله مقدار آن نیز تغییر می‌کند. در فاصله‌های بیشتر از ۱۰ فمتومتر، نیروی قوی عملاً غیرقابل جذب است، هم‌چنین این نیرو تنها در هستهٔ اتم عمل می‌کند. زمانی که هستهٔ اتم در سال ۱۹۰۵ کشف شد، واضح بود که به نیروی دیگری نیاز است تا در مقابل نیروی رانشی الکتروستاتیک که ناشی از بارهای مثبت در درون هسته است مقاومت کند. اگر این نیرو وجود نمی داشت هستهٔ اتم هرگز تشکیل نمی‌شد. نیروی قوی باید به اندازهٔ کافی قوی باشد تا بتواند پروتون‌ها را در حجمی به اندازهٔ ^۱۵-۱۰ در اتم جای دهد. [[هیدکی یوکاوا]] پیش‌بینی کرد که این نیرو در برد کوچک مرتبط با ذره‌ای با جرم خیلی زیاد حدود ۱۰۰[[الکترون‌ولت|MeV]] است.